DM1885不銹鋼小方坯連鑄機(jī)黏結(jié)漏鋼的原因分析及預(yù)防

冉 輝，孫 鑫，羅 悅

（1.廣西壯族自治區(qū)科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，廣西 南寧 530022；2.柳城縣鼎銘金屬制品有限公司，廣西 柳州 545000）

當(dāng)前，隨著世界能源需求的不斷增加，以化石燃料為主的能源供應(yīng)方式由于資源、環(huán)境、運(yùn)輸?shù)纫蛩氐闹萍s面臨越來越多的問題，再加上在國(guó)家“雙碳”政策的鼓勵(lì)下，越來越多的企業(yè)將目光投向了“綠電”產(chǎn)業(yè)。核能作為一種新能源，雖然只有幾十年的歷史，但是伴隨著一系列技術(shù)、環(huán)境問題的解決和完善，其優(yōu)勢(shì)已逐漸體現(xiàn)。核電站的特點(diǎn)是反應(yīng)堆內(nèi)具有很強(qiáng)的中子和γ射線輻照及巨大的核能釋放和放射性裂變產(chǎn)物。核電站的部件結(jié)構(gòu)和選材及系統(tǒng)組成和安全設(shè)施等遠(yuǎn)比火電站復(fù)雜、龐大和要求嚴(yán)格。為了保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行和設(shè)計(jì)壽命，各部件在服役期必須具有穩(wěn)定性、完整性和可靠性。壓力容器是核電站最關(guān)鍵的設(shè)備，是防止放射性外逸的重要屏障。由于304不銹鋼焊接后存在晶間腐蝕敏感性，304L不銹鋼高溫強(qiáng)度不滿足要求，法國(guó)大型壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件均大量選用控氮的00Cr18Ni10，我國(guó)則更多選用304NG不銹鋼[1]。為了解決該材料的焊接問題，并保證焊縫與基材的成分接近，鼎銘公司于2021年開發(fā)了一種新型不銹鋼焊接材料DM1885，具體成分見表1。

鼎銘公司自2020年10月6日至2022年4月30日共發(fā)生20次漏鋼，其中黏結(jié)漏鋼17次，占漏鋼總數(shù)的85%，是影響連鑄機(jī)正常生產(chǎn)的重要因素。

1 連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)

鼎銘公司的生產(chǎn)工藝流程：30 t EAF（留鋼操作）→30 t AOD→30 t LF→2機(jī)2流150方坯連鑄機(jī)。連鑄機(jī)的主要參數(shù)見表2。

表2 連鑄機(jī)的主要參數(shù)

2 黏結(jié)漏鋼的形成機(jī)理

胡志剛等[2]認(rèn)為黏結(jié)漏鋼的主要因素有以下3個(gè)方面：①結(jié)晶器液面波動(dòng)；②拉坯速度過快或變化過大；③保護(hù)渣性能不佳。上述三大因素中結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響最為顯著。呂愛強(qiáng)等[3]認(rèn)為黏結(jié)漏鋼的形成是因?yàn)楸Ｗo(hù)渣在結(jié)晶器壁上形成了渣條，阻礙了熔融保護(hù)渣的正常流入或結(jié)晶器內(nèi)液面出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，彎月面處的熔融渣層出現(xiàn)斷層，造成結(jié)晶器壁和坯殼之間的渣膜斷裂，潤(rùn)滑不好。影響?zhàn)そY(jié)漏鋼的主要因素有以下4個(gè)方面：①結(jié)晶器保護(hù)渣；②結(jié)晶器振動(dòng)；③工藝操作；④鑄坯無鼓肚。張勇[4]認(rèn)為連續(xù)鑄鋼過程中，由于結(jié)晶器彎月面的保護(hù)渣潤(rùn)滑不好等，凝固初生坯殼與結(jié)晶器之間發(fā)生黏結(jié)。席常鎖等[5]認(rèn)為黏結(jié)漏鋼的原因還包括設(shè)備因素，比如浸入式水口的對(duì)中、結(jié)晶器銅管的冷卻結(jié)構(gòu)、錐度，結(jié)晶器的振動(dòng)質(zhì)量等。

3 鼎銘公司黏結(jié)漏鋼坯殼的特征

由于黏結(jié)的坯殼與結(jié)晶器保持同步，而其他部位的坯殼向下運(yùn)動(dòng)，在這種情況下，已黏結(jié)處會(huì)形成一個(gè)“倒V”形振痕。而在黏結(jié)處幾乎看不到振痕，形成明顯的黏結(jié)點(diǎn)。

漏鋼坯殼的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)表明，黏結(jié)處的坯殼明顯比相鄰的坯殼厚。例如，在2022年4月的黏結(jié)漏鋼中，離結(jié)晶器上口100 mm，距離邊部40 mm處，坯殼厚度達(dá)24 mm，越往中心部位，坯殼的厚度逐漸減薄到6～8 mm。此現(xiàn)象與上述機(jī)理分析吻合。

4 黏結(jié)漏鋼的改進(jìn)措施

為了穩(wěn)定該鋼種的生產(chǎn)，迅速占領(lǐng)該類產(chǎn)品市場(chǎng)，2021年下半年，鼎銘公司針對(duì)該鋼種的漏鋼成立了專門攻關(guān)小組。攻關(guān)小組結(jié)合以上黏結(jié)漏鋼的形成機(jī)理、特征及鼎銘公司的裝備情況、生產(chǎn)過程的工藝控制水平，在該鋼種的后續(xù)生產(chǎn)過程中進(jìn)行了以下方面的改進(jìn)。

4.1 保護(hù)渣的優(yōu)化

結(jié)晶器保護(hù)渣的潤(rùn)滑與傳熱是控制鑄坯質(zhì)量、提高連鑄生產(chǎn)率關(guān)鍵的兩大因素。如果位于結(jié)晶器彎月面附近的熔渣的厚度、溫度、黏度、流速等分布不均勻，就會(huì)造成凝固坯殼與結(jié)晶器之間的渣膜的厚度、溫度分布不均勻；如果渣膜是不連續(xù)的，就會(huì)在主殼的凝固過程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，成為鑄件的裂紋源，甚至?xí)?dǎo)致泄漏事故的發(fā)生。

在連鑄設(shè)備和連鑄工藝操作都正常的情況下，選用性能良好的結(jié)晶器保護(hù)渣是防止或減少連鑄生產(chǎn)事故和改進(jìn)鑄坯表面質(zhì)量的有效措施之一。如果要避免出現(xiàn)連鑄過程中的漏鋼和生產(chǎn)無缺陷的連鑄坯表面，就要?jiǎng)?wù)必保證鋼水在結(jié)晶器中形成的凝固坯殼均勻地生長(zhǎng)。結(jié)晶器保護(hù)渣要著重注意以下幾個(gè)方面：①合適的液渣層厚度。如果結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣的液渣層太薄，就會(huì)造成結(jié)晶器壁與坯殼之間的液渣供應(yīng)不足，使正在熔化的結(jié)晶器保護(hù)渣卷入坯殼，不但造成坯殼傳熱不均，而且極易在鑄坯表面形成夾雜等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起漏鋼事故。②合適的渣黏度。低黏度會(huì)使液體渣層變薄，黏度過高保護(hù)渣很難流動(dòng)到殼和器壁之間的間隙，導(dǎo)致鋼坯殼的不均勻傳熱，甚至造成黏結(jié)漏鋼。③合適的保護(hù)渣消耗量。保護(hù)渣的消耗量確定了潤(rùn)滑膜的厚度和穩(wěn)定性，使液態(tài)渣膜厚度均勻，從而保證傳熱的均勻性，減少坯殼與結(jié)晶器黏結(jié)的發(fā)生。

總的來說，要使保護(hù)渣很好地起到減少或消除鑄坯表面缺陷及避免黏結(jié)漏鋼發(fā)生的作用，其必須具有以下兩個(gè)方面的性能：①良好的潤(rùn)滑性能，從而減少凝固坯殼與結(jié)晶器壁之間的摩擦，減少鑄坯表面與結(jié)晶器之間的黏結(jié)。②均勻的傳熱效果。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，核心是使結(jié)晶器的上部和凝固殼之間形成的渣膜（固體+液體）始終保持均勻。

為了保證以上性能，必須選擇合適的結(jié)晶器保護(hù)渣堿度。因?yàn)閴A度是衡量連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣性能的重要參數(shù)，是影響渣黏度的主要因素。在為某類鋼種選擇保護(hù)渣時(shí)，常常用堿度作為初步判定的依據(jù)。高速連鑄的保護(hù)渣堿度一般控制在0.6～1.2的范圍內(nèi)，隨著CaO/ SiO2的增加，熔渣的黏度呈下降趨勢(shì)，但堿度過高時(shí)，由于高熔點(diǎn)物質(zhì)的析出，黏度反而會(huì)上升。

通過與“青島斯多伯格”“河南西寶”等生產(chǎn)連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的專業(yè)廠家進(jìn)行多次技術(shù)交流后，針對(duì)DM1885的小方坯生產(chǎn)開發(fā)了如下兩種保護(hù)渣，具體成分見表3。

表3 保護(hù)渣的成分

從實(shí)際使用結(jié)果來看，B渣在改善結(jié)晶器與鑄坯的潤(rùn)滑度方面具有A渣無法替代的優(yōu)勢(shì)，但在鑄坯黏結(jié)漏鋼得到根本性改善的同時(shí)也出現(xiàn)了新的問題，就是使用B渣的時(shí)候鑄坯表面出現(xiàn)了很多橫向凹陷，需要在軋制前進(jìn)行局部修磨，否則影響線材的最終表面質(zhì)量。

關(guān)于橫向凹陷的產(chǎn)生，普遍認(rèn)為跟結(jié)晶器的振動(dòng)有關(guān)，因?yàn)榻Y(jié)晶器振動(dòng)的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間相對(duì)正弦振動(dòng)要短，這樣更有利于減輕連鑄坯表面的振痕深度；另外，結(jié)晶器振動(dòng)的正滑動(dòng)時(shí)間如果較長(zhǎng)，可增加結(jié)晶器保護(hù)渣的消耗量，有利于凝固坯殼與結(jié)晶器之間的潤(rùn)滑；結(jié)晶器向上的運(yùn)動(dòng)速度與鑄坯向下的運(yùn)動(dòng)速度差如果較小，還可以減小結(jié)晶器施加給連鑄坯向上作用的摩擦力或者減小連鑄坯凝固坯殼中的拉應(yīng)力，從而減少拉裂的風(fēng)險(xiǎn)，所以如果結(jié)晶器振動(dòng)的負(fù)滑脫作用較強(qiáng)，將有利于連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的脫模和拉裂的連鑄坯凝固坯殼的愈合。因此，結(jié)晶器采用浸入式水口、保護(hù)渣澆鑄的連鑄工藝生產(chǎn)連鑄坯表面質(zhì)量及皮下質(zhì)量要求較高的鋼種時(shí)，選用結(jié)晶器的非正弦振動(dòng)是非常必要的。

合理的或最佳的結(jié)晶器振動(dòng)的工藝參數(shù)是通過結(jié)晶器振動(dòng)的基本參數(shù)的正確選擇來實(shí)現(xiàn)的，即連鑄的結(jié)晶器振動(dòng)的基本參數(shù)（振幅和頻率）的確定必須以獲得最佳的結(jié)晶器振動(dòng)的工藝參數(shù)為前提，以確保連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的順利脫模及獲得表面良好的連鑄坯。

4.2 結(jié)晶器振動(dòng)的參數(shù)的優(yōu)化

結(jié)晶器內(nèi)渣膜的潤(rùn)滑與渣膜厚度有關(guān)，而且結(jié)晶器保護(hù)渣的消耗量與結(jié)晶器保護(hù)渣的液態(tài)渣膜的厚度成正比。渣膜厚度與結(jié)晶器振動(dòng)存在以下關(guān)系[6]：

式中：dl為液態(tài)渣膜厚度，mm；Vc為拉速，m/min；Tm為保護(hù)渣熔化溫度，℃；S為結(jié)晶器振幅，mm；tf為結(jié)晶器振動(dòng)周期，s；tp為結(jié)晶器正滑脫時(shí)間，s。基于以上關(guān)系，策劃了不同的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

鼎銘公司的振動(dòng)參數(shù)與澆鑄速度之間存在如下的匹配關(guān)系：

式中：C1為澆鑄速度為零時(shí)的振動(dòng)振幅；C2為振幅對(duì)澆鑄速度的因子；C3為澆鑄速度為零時(shí)的振動(dòng)頻率；C4為頻率對(duì)澆鑄速度的因子；C5為負(fù)滑脫因子；C6為非正弦因子，取0.5。基于以上匹配關(guān)系，策劃了表4所示的兩種振動(dòng)模式。

表4 不同振動(dòng)模式的參數(shù)設(shè)定

兩種振動(dòng)模式基本參數(shù)設(shè)定下的連鑄工藝參數(shù)計(jì)算見表5、表6。

表5 逆向振動(dòng)模式參數(shù)計(jì)算

表6 正向振動(dòng)模式參數(shù)計(jì)算

從以上計(jì)算可以看出，逆向振動(dòng)模型下的負(fù)滑脫時(shí)間在拉速變動(dòng)范圍內(nèi)的變化幅度要小，振痕深度也較正向振動(dòng)淺，而且從最近一次的情況來看，使用B渣、逆向振動(dòng)模式后黏結(jié)漏鋼不但得到徹底的改善，而且鑄坯表面凹陷也能滿足后續(xù)軋制生產(chǎn)的要求。

5 結(jié)論

通過以上的分析與研究，并經(jīng)鼎銘公司的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，只要通過優(yōu)化結(jié)晶器保護(hù)渣的成分使得堿度控制在1.05左右，熔點(diǎn)在1101 ℃，鼎銘公司新開發(fā)的DM1885不銹鋼的連鑄黏結(jié)漏鋼是完全可以避免的。而且，在優(yōu)化結(jié)晶器保證渣成分的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)，將結(jié)晶器振動(dòng)的負(fù)滑脫時(shí)間控制在0.12～0.14 s，該鋼種的連鑄完全可以得到無表面缺陷的連鑄坯。