改善430鐵素體不銹鋼板坯質(zhì)量連鑄工藝實踐

李新強，杜肖臣，吳 龍，宋美娟，陳麗娟

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.中國重型機械研究院股份公司成都分院，四川 成都 610042)

0 前言

鐵素體型不銹鋼一般不含鎳，主要合金元素是鉻，其含鉻量一般在15%-30%，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，其具有導(dǎo)熱系數(shù)大，膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點，此類鋼因其優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件[1]。但是鐵素體不銹鋼的塑性、韌性以及耐高溫疲勞等性能與奧氏體不銹鋼相比較差，嚴(yán)重影響了其產(chǎn)品性能。目前，國內(nèi)外一些鋼鐵企業(yè)正通過降低碳、氮的含量和添加微合金元素對鐵素體不銹鋼組織性能進行優(yōu)化，擴大其應(yīng)用范圍[2-4]。Wang等[3]研究了添加鈮元素對軋制態(tài)穩(wěn)定Fe-17Cr鐵素體不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)和耐蝕性的影響，結(jié)果表明：添加0.1%Nb后，穩(wěn)定的Fe-17Cr鐵素體不銹鋼在FeCl3溶液中的腐蝕速率顯著降低；張鑫等[5]在不銹鋼鐵素體中加入Nb、Ti微合金元素，不僅改變了析出相的類型，同時起到了析出強化和固溶強化的作用，得材料的抗拉強度和塑性提高，顯著改善了材料性能。

然而，在連鑄生產(chǎn)過程中，由于結(jié)晶器冷卻和二冷制度的不合理，極易在鑄坯表面產(chǎn)生裂紋等缺陷。Dou等[6]針對連鑄大方坯產(chǎn)生的缺陷，通過研究冷速對二次相析出的影響，提出“在二冷三段弱冷+二冷四段強冷”的二冷調(diào)控策略，提高了鑄坯質(zhì)量；Luo等[7]通過研究冷速對鋼中組織和二次相析出的影響，從而確定了合理的熱處理冷卻速度，改善鑄坯的質(zhì)量及力學(xué)性能。而對于鐵素體不銹鋼連鑄坯軋鋼后的冷軋帶，抗皺折性能是至關(guān)重要的。其隨著材料中等軸晶比的增加而提高，一般等軸晶比達到55%以上對于材料冷成型性能較好，因此對于鐵素體不銹鋼連鑄，控制鑄坯中等軸晶的比例至關(guān)重要。目前，連鑄技術(shù)主要采用低過熱度、強化電磁攪拌技術(shù)、動態(tài)輕壓下技術(shù)等均可以獲得高等軸晶比率的連鑄坯[8-9]。賈楠等[10]針對方、板坯連鑄機生產(chǎn)鐵素體不銹鋼板坯時出現(xiàn)的結(jié)晶器液面波動大等問題，提出優(yōu)化扇形段輥間距、改善鋼液潔凈度以及采用合適的結(jié)晶器保護渣等措施，顯著改善了連鑄坯質(zhì)量；王文學(xué)等[11]結(jié)合鐵素體不銹鋼連鑄過程高溫凝固特性，通過合理設(shè)計動態(tài)一冷和二冷配水等提高鑄坯表面質(zhì)量；王賀利等[12]通過增加電磁攪拌能力，提高了連鑄坯等軸晶比例，減少了鑄坯橫裂現(xiàn)象。

由于鐵素體不銹鋼高溫強度低，在連鑄過程中，出結(jié)晶器后坯殼軟，在輥間產(chǎn)生蠕動，容易造成結(jié)晶器液面周期性波浪起伏，如果控制不好會造成偏流及卷渣，將嚴(yán)重影響鑄坯表面質(zhì)量，甚至廢坯。本文提供了一種改善鐵素體不銹鋼板坯連鑄結(jié)晶器液面偏流及波動的方法，能夠有效地改善鐵素體不銹鋼板坯連鑄結(jié)晶器液面偏流及波動，同時可以有效地提高連鑄板坯的等軸晶率，從而改善后續(xù)軋材內(nèi)部質(zhì)量。

2 430鐵素體不銹鋼板坯生產(chǎn)工藝流程

2.1 生產(chǎn)工藝及化學(xué)成分

鐵素體不銹鋼最顯著的特征就是具有極低的C、N含量，因此大多數(shù)的冶煉工藝主要針對深度脫碳和脫氮。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者認為鐵素體不銹鋼的冶煉主要采用電弧爐+(AOD、K-OBM、MPP)脫碳+(VOD、SSVOD、RHOB、RHKTB)真空精煉三步法工藝，進而進行連鑄坯生產(chǎn)過程，即將吹煉好的鋼水進行結(jié)晶器冷卻以及形成的初生坯殼二冷區(qū)和空冷區(qū)冷卻。在整個冶煉工藝中，連鑄生產(chǎn)過程對于鐵素體不銹鋼的產(chǎn)品質(zhì)量是非常關(guān)鍵的。國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的430鐵素體不銹鋼板坯連鑄機主要通過全程采用無氧化保護澆鑄、大包下渣檢測、中間包夾雜物上浮分離技術(shù)、結(jié)晶器液面自動控制以減少非金屬夾雜物；采用銅板水縫優(yōu)化、結(jié)晶器高頻小振幅振動、動態(tài)二冷配水等提高鑄坯表面質(zhì)量；并設(shè)計采用連續(xù)彎曲矯直、低過熱度澆鑄、二冷電磁攪拌、二冷動態(tài)輕壓下技術(shù)提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。該430鐵素體不銹鋼具有較高的屈服強度和優(yōu)良的力學(xué)性能，其化學(xué)成分如表1所示。主要的連鑄機工藝參數(shù)如表2所示。

表1 430鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 430鋼主要的連鑄工藝參數(shù)

2.2 結(jié)晶器冷卻

高溫鋼水經(jīng)長水口流入中間包，進而由浸入式水口進入結(jié)晶器冷卻，形成初生坯殼。該鋼廠生產(chǎn)的430鐵素體不銹鋼在結(jié)晶器區(qū)域內(nèi)采用銅板水縫對鋼水進行冷卻，同時運用結(jié)晶液面自動控制技術(shù)來提高連鑄板坯的質(zhì)量。其結(jié)晶器冷卻生產(chǎn)工藝如表3所示。

表3 430鋼結(jié)晶器冷卻的主要參數(shù)

2.3 二次冷卻區(qū)域及水量

連鑄二次冷卻就是對出結(jié)晶器的鑄坯繼續(xù)進行強加冷卻，是整個連鑄冷卻過程最重要的區(qū)域。在不銹鋼生產(chǎn)中，鑄坯進入二次冷卻區(qū)后，若冷卻制度不合理，將會促使缺陷增加或產(chǎn)生新的缺陷，如內(nèi)部裂紋、表面裂紋、鑄坯鼓肚、中心偏析等缺陷[13-14]。初生的凝固坯殼在經(jīng)過二冷區(qū)冷卻區(qū)域時，主要有噴嘴噴淋水對流傳熱、水滴與鑄坯表面間的換熱、夾輥和鑄坯表面的傳導(dǎo)傳熱以及空氣與鑄坯表面間的對流換熱，其中噴嘴噴淋冷卻是最主要的傳熱方式，因此，合理的二冷配水制度以及噴嘴噴淋水冷卻方式是保證連鑄板坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素。該鋼廠生產(chǎn)的430鐵素體不銹鋼連鑄板坯主要采用動態(tài)二冷配水技術(shù)、連續(xù)彎曲矯直、二冷電磁攪拌以及動態(tài)輕壓下技術(shù)，來提高連鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。其二冷區(qū)劃分區(qū)域和水量由圖1和表4所示。

圖1 二冷區(qū)噴淋水劃分區(qū)域

表4 430鋼二冷區(qū)冷卻的主要參數(shù)

3 現(xiàn)工藝430鐵素體不銹鋼連鑄坯質(zhì)量

3.1 連鑄坯生產(chǎn)現(xiàn)狀

某鋼廠根據(jù)此連鑄機設(shè)備以及相應(yīng)的連鑄過程主要工藝參數(shù)進行430鐵素體不銹鋼連鑄板坯產(chǎn)品生產(chǎn)，對生產(chǎn)出的連鑄坯進行了質(zhì)量檢測和低倍組織分析，其結(jié)果如圖2所示。由圖可知，在現(xiàn)行結(jié)晶器冷卻和二冷區(qū)配水工藝下，430鐵素體不銹鋼連鑄板坯的等軸晶率約為35%左右，比例偏低且柱狀晶發(fā)達。因此易使鑄坯產(chǎn)生橫裂現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)品性能。

圖2 現(xiàn)工藝430鋼連鑄板坯試樣

3.2 主要影響因素

在鐵素體不銹鋼連鑄坯實際生產(chǎn)過程中，影響其等軸晶率的主要原因有鋼種特性、電磁攪拌器功率、中間包過熱度以及二冷次卻工藝等。而針對某鋼廠生產(chǎn)的430鐵素體不銹鋼連鑄板坯，電磁攪拌參數(shù)以及二冷次卻是影響其鑄坯等軸晶率的重要原因。

3.2.1 電磁攪拌參數(shù)

二冷電磁攪拌工藝對于鋼液凝固成坯殼具有重要的作用，若不施加電磁攪拌，則會使初生的凝固坯殼產(chǎn)生較高的溫度梯度，從而在鑄坯內(nèi)部形成發(fā)達的柱狀晶體，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量，因此，合理的進行電磁攪拌，有助于提高鑄坯的質(zhì)量。

在連鑄生產(chǎn)過程中，對430不銹鋼連鑄機扇形段11#，2#輥位施加350 A，7 Hz的電磁攪拌工藝，可以降低鋼液的溫度不均勻性以及鑄坯的冷卻凝固過程，有利于凝固坯殼的快速形成。此外，劇烈的電磁攪拌也有利于等軸晶率的進行。但在現(xiàn)行電磁攪拌工藝下，鑄坯的等軸晶率偏低，主要的原因是較大的電磁攪拌使得鋼液劇烈運動，導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動較大，造成偏流現(xiàn)象，從而使得連鑄坯等軸晶率較低，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的內(nèi)部質(zhì)量缺陷。因此，有必要對430不銹鋼現(xiàn)行的電磁攪拌位置及參數(shù)進行優(yōu)化改進，以降低結(jié)晶器液面波動以及偏流現(xiàn)象，提高連鑄坯等軸晶率和質(zhì)量。

3.2.2 二冷配水強度

除了電磁攪拌電流強度外，二冷水強度也是影響430不銹鋼等軸晶率的一個重要因素。二冷水強度用比水量來反映，比水量大，說明冷卻強度大。在電磁攪拌電流強度350 A，7 Hz，連鑄拉速1 m/min時，圖3a和圖3b分別為二冷水比水量為1.337 L/kg、0.968 L/kg下生產(chǎn)430不銹鋼低倍組織中的等軸晶率。可以看出，430不銹鋼低倍組織中的等軸晶率高低與二冷水量密切相關(guān)，隨著二冷強度(比水量)的增大，鑄坯的等軸晶率逐漸降低，其主要原因是，比水量增大后，鑄坯凝固速度加快，使得凝固過程的溫度梯度增大，在凝固前沿析出的晶核減少，從而低倍組織中等軸晶率降低。從提高430不銹鋼板坯中等軸晶率角度考慮，二冷區(qū)可采用弱冷工藝以提高鑄坯等軸晶率。馮兵等[15]研究了二冷比水量與鑄坯表面溫度以及等軸晶率的影響規(guī)律，結(jié)果表明：采用弱冷工藝，容易造成鑄坯表面溫升過高，易引起鑄坯表面裂紋缺陷；而采用強冷工藝，則會增大溫度梯度，不利利于鑄坯等軸晶的生成。因此，綜合分析，對430不銹鋼連鑄坯生產(chǎn)采用彎曲段弱冷、水平段強冷的二冷配水工藝，以提高連鑄坯的等軸晶率，降低裂紋缺陷的發(fā)生率。

圖3 鑄坯低倍組織試樣

4 430不銹鋼冷卻工藝優(yōu)化措施

4.1 凝固冷卻工藝參數(shù)

通過上述分析表明，二冷電磁攪拌位置、參數(shù)以及二冷區(qū)冷卻制度是優(yōu)化結(jié)晶器液面波動、提高430不銹鋼連鑄坯等軸晶率以及質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，通過現(xiàn)場試驗分析和討論，制訂了新的連鑄坯冷卻凝固優(yōu)化方案，主要對二冷電磁攪拌位置、電攪參數(shù)以及二冷區(qū)比水量和各段水量進行了優(yōu)化調(diào)整，具體如表5所示。

表5 430鋼冷卻工藝優(yōu)化后的主要參數(shù)

4.2 連鑄板坯質(zhì)量

根據(jù)優(yōu)化后的連鑄過程生產(chǎn)工藝參數(shù)，在某鋼廠進行了430鐵素體不銹鋼連鑄板坯生產(chǎn)，結(jié)果表明：在整個澆注過程中，結(jié)晶器液面波動穩(wěn)定在±3 mm。此外，澆注完畢后，對板坯鑄坯內(nèi)部質(zhì)量進行低倍檢驗，圖4為電磁攪拌電流強度300 A、5 Hz，連鑄拉速1 m/min，二冷水比水量為0.718 L/kg下生產(chǎn)430不銹鋼低倍組織中的等軸晶率。由圖可以看出，調(diào)整電磁攪拌位置、降低電磁攪拌強度，二冷區(qū)采用彎曲段弱冷+水平段強冷后，430鋼連鑄坯等軸晶率基本在60%以上，可知連鑄坯質(zhì)量明顯提高。目前，新的連鑄坯凝固冷卻工藝已經(jīng)應(yīng)用于某鋼廠實際430鐵素體不銹鋼生產(chǎn)過程。

圖4 優(yōu)化后鑄坯低倍組織試樣

5 結(jié)論

(1)對430鐵素體不銹鋼現(xiàn)工藝下的連鑄板坯質(zhì)量進行了分析研究，表明在現(xiàn)工藝下430鐵素體不銹鋼連鑄板坯等軸晶率偏低，約為30%左右，鑄坯產(chǎn)生較為嚴(yán)重的內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

(2)研究了影響430鐵素體不銹鋼連鑄板坯等軸晶率的主要原因及改進措施。表明電磁攪拌參數(shù)、二冷配水制度是影響等軸晶率的主要因素，并提出了優(yōu)化電磁攪拌輥位置、降低電磁攪拌強度以及采用二冷區(qū)彎曲段強冷+水平段弱冷的冷卻措施，來提高430鐵素體不銹鋼連鑄板坯等軸晶率以及連鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量。

(3)調(diào)整結(jié)晶器寬面、窄面冷卻水量為3400 L/min、450 L/min，電磁攪拌輥設(shè)置在扇形段1第6#和7#輥位，電流設(shè)定為300 A，頻率設(shè)定為5Hz，二冷比水量為0.718 L/kg。工業(yè)實驗后，在整個澆注過程中，結(jié)晶器液面波動穩(wěn)定在±3 mm，且430鐵素體不銹鋼連鑄板坯等軸晶率基本在60%以上，連鑄坯質(zhì)量明顯提高。