高效連鑄是連鑄技術發(fā)展的主要目標,近些年,各工廠均在追求著高拉速、高質(zhì)量、高效率、高連澆率,并力爭生產(chǎn)無缺陷鑄坯[1]。在所有高效連鑄生產(chǎn)過程中,結(jié)晶器液面的穩(wěn)定程度至關重要。結(jié)晶器液面出現(xiàn)大范圍的波動,勢必會影響連鑄的拉速,極大地限制了連鑄機的高效運行,同時,也將帶來不小的質(zhì)量隱患。
本鋼煉鋼廠2號連鑄機于2000年投產(chǎn),是由奧鋼聯(lián)(VAI)設計的直弧型、連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直、小輥徑密排輥的連鑄機,設計板坯生產(chǎn)能力為175萬t/a。自投產(chǎn)以來,在生產(chǎn)包晶鋼種時,結(jié)晶器液面頻繁出現(xiàn)波動問題,極大地限制了拉速的提高,且非常容易引起鑄坯坯殼的卷渣,從而導致鑄坯在后序熱軋工序生產(chǎn)時出現(xiàn)夾雜缺陷,影響了鑄坯的表面質(zhì)量。
本文從包晶鋼的產(chǎn)品特性、連鑄機本體設計兩方面入手,研究結(jié)晶器液面波動所形成的機理,找出規(guī)律,獲得影響液面波動的根本原因,制定相應的解決方案,最終解決了包晶鋼結(jié)晶器液面波動的問題,從而獲得良好的鑄坯質(zhì)量,達到穩(wěn)定連鑄高效生產(chǎn)的目的。
1. 問題現(xiàn)狀
本鋼煉鋼廠2號連鑄機于2000年投產(chǎn),2009年進行了第二次設備改造,增加動態(tài)輕壓下功能,同時對二冷水控制模型進行改進,增加了二級機動態(tài)控制功。鑄機的相關技術參數(shù)見表1。
2號連鑄機出現(xiàn)結(jié)晶器液面波動的主要鋼種,以BG380CL、BG420CL、SW400等碳的質(zhì)量分數(shù)在0.09%~0.15%的亞包晶鋼為主[2]。BG380CL結(jié)晶器液面波動情況如圖1所示,由圖1可知,波動幅度一般在±10 mm,嚴重時液面波動幅度能達到±15 mm以上,并且呈現(xiàn)一定的周期性。
此類結(jié)晶器液面波動,同一鑄機的兩鑄流發(fā)生的時間與波動程度并不相同,另外,在同一生產(chǎn)周期(即同一澆次)的前期波動并不明顯,澆次中后期波動情況加劇,并在澆次結(jié)束前又趨于平穩(wěn)。本文主要從化學成分、冷卻環(huán)境、輥列設計等方面,對結(jié)晶器液面波動的產(chǎn)生原因進行分析,并制定相應的控制措施。
2. 成因分析
2.1 數(shù)據(jù)收集
采集一組生產(chǎn)數(shù)據(jù),鋼種BG380CL,整個澆次共計澆鑄8爐,每爐采集一組結(jié)晶器液面波動的歷史數(shù)據(jù)。BG380CL的鋼種設計成分見表2,實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表3。
記錄顯示:第L1爐次,液面波動周期6 s,波動范圍處于±3 mm之間,屬于正常設計范圍。第3爐次開始出現(xiàn)雙波峰情況,即是一個波峰與另一個波峰相連,雙波峰之后,再接一個正常波峰,此時結(jié)晶器液面波動現(xiàn)象開始加劇。波動周期為18 s,波動范圍:−4.2~+3.8 mm,其波動變化情況如圖2所示。
隨著澆鑄時間增加,第L5爐次時,雙波峰與其后正常波峰逐漸呈現(xiàn)靠攏合并趨勢,波動周期18 s,波動范圍:−16.5~+10.5 mm。波動變化情況如圖3所示,此時,結(jié)晶器液面波動范圍達到最大值,并延續(xù)至澆次結(jié)束。
需要說明的是,在進行數(shù)據(jù)收集之前,需要對連鑄機生產(chǎn)前的設備本體進行一次較為詳細的檢查、評估。因為如果設備狀態(tài)出現(xiàn)問題,如扇形段開口度,或者兩輥之間的接弧出現(xiàn)偏差,會使鑄坯在經(jīng)過存在問題的輥子時,出現(xiàn)內(nèi)外應力不均勻的情況,從而形成了鋼液回流的問題,造成結(jié)晶器液面波動。通過設備檢修,檢查鑄機的接弧與開口度情況,并未出現(xiàn)偏離標準值的情況,排除了設備異常影響的因素[3]。
鋼水過熱度(一般認為20 °C較為合適[4])偏高,會使出結(jié)晶器時的坯殼變薄,進而使鑄坯抵抗外來應力的能力減弱,易發(fā)生鑄坯鼓肚變形。同時,鋼水的過熱度也與鑄坯坯殼的厚度密切相關。隨著過熱度的增加,液相穴長度變長,液固相間距減小,這主要由于鋼液的過熱度較高時,鋼液開始凝固時間增加的幅度變大,過冷度增加,鋼液凝固的速率很大,鋼液迅速凝固[5]。這會導致坯殼不均勻,讓鑄坯液芯的鋼液,受扇形段輥擠壓后,有更加明顯的回流傾向,對結(jié)晶器液面波動產(chǎn)生不利的影響。
出現(xiàn)波動爐次鋼水成分碳的質(zhì)量分數(shù)在0.08%~0.09%,錳的質(zhì)量分數(shù)在0.95%~1.01%。此類高錳鋼的碳的質(zhì)量分數(shù),位于包晶鋼范圍。一般認為,包晶鋼出現(xiàn)的結(jié)晶器液面波動,主要源于包晶鋼在凝固過程中發(fā)生的包晶相變L+δ→γ[6]。
包晶轉(zhuǎn)變是發(fā)生在兩固相中,體心立方的初生相,轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕降陌啵捎谥旅芏仍黾?,在沒有新的鋼液補充下,就會引起鑄坯內(nèi)部的收縮[7],使保護渣流入不均勻,結(jié)晶器傳熱不均衡,坯殼比較薄弱。在二冷區(qū)內(nèi),鋼水靜壓力導致鑄坯在兩個輥子中間產(chǎn)生鼓肚,坯殼薄弱區(qū)域表現(xiàn)更為明顯。
通過統(tǒng)計某廠全年生產(chǎn)共計116爐結(jié)晶器液面波動爐次,分析碳的質(zhì)量分數(shù)對應爐數(shù)間的比例關系。這里定義結(jié)晶器液面波動正常范圍為:單位時間(s)±3.0 mm,超出此范圍定義為結(jié)晶器液面異常波動。得出以下的規(guī)律,見表4。
從表4可知:產(chǎn)生結(jié)晶器液面波動的碳的質(zhì)量分數(shù)在0.07%~0.13%之間,越是靠近0.12%~0.13%位置,包晶相變越明顯,后續(xù)鋼種設計時,需要盡可能的避免碳的質(zhì)量分數(shù)范圍在此期間內(nèi),向靠近0.08%的低碳范圍進行設計。需要注意的是,在實際的鋼種設計時,為了滿足細化晶粒,或者后序熱軋產(chǎn)品的力學性能,勢必會加入一些微合金,而其它合金元素對包晶相變的影響,也是必須要考慮進去的。通過合理的成分微調(diào)可有效降低包晶轉(zhuǎn)變率,降低亞包晶鋼高溫相變收縮程度[8]。
相關研究表明:合金元素的加入可以使Fe–C二元平衡相圖包晶反應區(qū)域產(chǎn)生變化,且不同元素間又存在著相互作用,在實際應用時要考慮這些影響因素[9]。
通過計算固定拉速(1.0 m/min)下,液面波動周期(6 s一個短周期,18 s一個長周期),與扇形段輥周長、輥間距之間進行比較。足輥的直徑為150 mm,扇形段輥直徑為300 mm。
由表5可知:在波動初期,足輥每轉(zhuǎn)動2/9圈,扇形段輥每轉(zhuǎn)動1/9圈,即出現(xiàn)一次小范圍波動;隨著波動程度加劇,到了澆次的后期,足輥每轉(zhuǎn)動2/3圈,扇形段輥每轉(zhuǎn)動1/3圈,即出現(xiàn)一次較大范圍的波動。
鑄坯鼓肚時產(chǎn)生泵吸效應,導致結(jié)晶器液面迅速下降,結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)會向結(jié)晶器充填鋼水。同時隨拉坯進行,鼓肚區(qū)域到兩個輥子中間被壓縮,液相穴內(nèi)鋼水也向結(jié)晶器內(nèi)填充鋼水,使液面迅速上漲,使結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長更不均勻[10]。
由于某廠鑄機足輥輥列與輥徑只有一種,隨著鑄坯澆注的進行,形成連續(xù)的變形。上述過程每形成一次,就會擠壓鑄坯液芯向上運動一次,波動情況就會越來越劇烈。如此反復,形成共振效應,使結(jié)晶器液面波動迅速加劇。一般情況下,發(fā)生此類波動,會進行鑄坯拉速的調(diào)整,而拉速變化越大,整個結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流速變化越明顯,最終造成結(jié)晶器液面波動逐漸嚴重的情況。
通過降低碳的質(zhì)量分數(shù),將碳質(zhì)量分數(shù)在0.07%~0.13%的純包晶鋼,轉(zhuǎn)變質(zhì)量分數(shù)在0.06%~0.09%的亞包晶鋼,再加入微量的V、Nb、Ti等合金元素,實現(xiàn)微合金化[11],保證熱軋力學性能的要求。表6所示,為本鋼某牌號SPHT2成分設計,調(diào)整后的鑄坯,在熱軋軋制后,滿足客戶需求。
通過精煉工序的穩(wěn)定冶煉,進行中間包鋼水溫度的調(diào)控,保證溫度均勻。目標過熱度控制在25 °C以內(nèi),同時爐次間的溫度差別不應過大。本鋼所用的鋼包罐的容量為180 t,在連續(xù)使用的過程,需要注意鋼包罐的熱周轉(zhuǎn)時間,并使用鋼包罐保溫材料,一般可使鋼包包殼溫度降低50 °C以上,同時,需要爐外精煉的相關工序做到精細控制。
本鋼針對2號連鑄機輥列布置相對單一的問題,對鑄機設備進行了改造,如圖4所示,在未改造前,結(jié)晶器足輥、扇形段0段輥徑、扇形段輥徑,直徑分別為100、150和300 mm 3種單一輥徑,且結(jié)晶器下口的足輥數(shù)量為3對,使得鑄坯出結(jié)晶器時,經(jīng)過了較長的一段足輥冷卻時間,使得鑄坯芯部鋼液更有機會形成周期性的泵吸效應。
通過設備改造,如圖5所示,結(jié)晶器足輥、扇形段0段輥徑、扇形段輥徑分別改為100 mm、120和160 mm(0段)、300 mm 4種輥徑。結(jié)晶器足輥的數(shù)量減成1對,0段輥的數(shù)量增加為17對。改造之后,鑄坯芯部鋼液,在出結(jié)晶器之后,經(jīng)過足輥、0段前、后兩段,分別經(jīng)過了不同的輥列布置,以達到抵消結(jié)晶器液面波動帶來的周期性影響。
(1)攻關進行前,生產(chǎn)BG380CL的中包過熱度為29 °C,攻關后,平均中包過熱度為25 °C。減小了鋼水與銅板的溫差、降低板坯殼層的熱應力和收縮應力,而降低過熱度本身又能增加凝固速率,進一步減少在薄殼中的應力和開裂可能性。
(2)輥徑改造后,跟蹤生產(chǎn)BG380CL及同類的包晶鋼,共計100爐次,波動發(fā)生的頻率由原來的88%,降低至目前的5.0%以下,基本解決了包晶鋼結(jié)晶器液面波動的問題。
(1)通過成分優(yōu)化設計,避開純包晶區(qū),并對鋼水過熱度進行合理控制,能夠有效緩解包晶鋼結(jié)晶器液面波動的問題,但無法完全解決此類問題。
(2)通過研究輥間距、輥徑與波動周期的關系,推斷出相同的輥徑,促使結(jié)晶器液面波動形成共振效應,從而指導了鑄機設備改造方向。通過改變扇形段輥徑,以及適當調(diào)整足輥數(shù)量,抵消結(jié)晶器液面波動在扇形段形成的共振,達到最終解決包晶鋼結(jié)晶器液面波動的目的。
文章來源——金屬世界
2.2 成因分析
2.2.1 鋼水過熱度
2.2.2 成分影響
2.2.3 輥列影響
3. 解決方案
3.1 鋼種設計避開純包晶區(qū)
3.2 合理控制鋼水過熱度
3.3 制定扇形段輥徑改造方案
4. 效果
5. 結(jié)論