特钢方坯连铸工艺路线的选择及若干问题的分析探讨

叶枫

(上海新中冶金设备厂，上海)

摘 要：对特钢方坯连铸工艺路线的选择及特钢连铸机配套的电磁搅拌(M或M+F)，轻压下技术和生产组织上的一些主要问题进行了探讨，并提出一些建议；还介绍一种新型的特钢方坯连铸生产工艺路线—特钢大方坯连铸机+在线轧制，连铸机只生产一种较大规格的连铸坯，由火切机将红热的铸坯切成定尺后，送入在线轧制的均热炉，经过均热的铸坯经在线可逆轧机，轧制成所需要规格的钢坯，供应不同的轧机(或热送)轧制成材；这条工艺路线基本消除了连铸坯的固有缺陷，可以达到理想的铸坯质量，同时可以降低生产成本。

关 键 词：特钢方坯连铸机；在线轧制；M或M+F电磁搅拌；白亮带；轻压下

1 特钢连铸工艺路线的选择

中国目前的特钢连铸生产的工艺流程主要有以下种形式：

1)特钢小方坯连铸+小型连轧机(铸坯可以冷装或热送)的工艺流程。

该工艺流程主要生产一些小规格的特殊钢材。

2)特钢大方坯连铸机生产多种规格铸坯+大、中型轧机接小型连轧机的工艺流程。

该工艺流程生产特殊钢材的组距较宽，从十几毫米的小规格钢材到七、八十毫米的中型钢材，个别还能生产到Φ110mm～Φ130mm的大型钢材。

除了上述二种工艺流程外，近期，采用圆坯连铸机生产的圆坯，直接轧材的工艺流程正在以较快的速度发展着。

3)圆坯连铸机生产多种规格的圆坯+中型或大型轧机直接将圆坯轧成型材(当然还有很多无缝钢管生产线，直接用连铸圆坯生产无缝钢管的专用生产线，这不在本文讨论的范围)。

上述3种形式的特钢连铸工艺路线都存在着以下一些问题。

生产单一规格连铸坯+连轧机工艺路线(这一工艺路线以小方坯连轧机为多)，该工艺路线往往在轧制规格较大的钢材时，容易出现质量问题；如150×150铸坯轧制Φ5以上的棒材，有时会出现断面收缩率不合格的质量问题，这可能与轧制的压缩比偏小有关，但因设备的局限而很难解决。

特钢大方坯连铸机为了配合轧钢生产，往往要生产多种断面规格的连铸坯，这就使大方坯连铸的工艺变得复杂；首先该连铸机需要配备多种规格的结晶器、二冷导向喷淋设备及不同规格的引锭头和过渡段等，使连铸机的备品管理繁杂；其次连铸机的工艺管理复杂，由于目前的大方坯连铸机大多都配备有凝固末端电磁搅拌或轻压下技术，甚至二种都配备；在多规格生产时，凝固末端(包括轻压下的位置)对不同规格的铸坯，其位置是不相同的，控制十分困难，容易出现质量问题；同时由于更换生产规格时，需要对设备进行在线调整，占用铸机的作业时间，影响连铸机的作业率。

本文在于探讨一种新的特钢连铸工艺路线：

4)特钢大方坯连铸机+在线轧制。

它的工艺特点在于：连铸机只生产最大规格的铸坯，高温的红坯被切割成定尺后直接送入均热炉内均热，然后，由可逆轧机将铸坯轧制成所需的各种规格的钢坯(相当于开坯工序)，供应不同规格的轧钢机，将钢坯轧成不同规格的成品钢材；当然也可直接将红热的钢坯剪切成适当的定尺，直接热送到下道工序，热装进炉，连轧成材；由于该铸坯在红热的状态下接受均热，在轧制前铸坯的内部组织没有受到相变的影响，通过可逆轧制，铸坯内部的组织已经从铸造组织转变成轧材组织，其内部质量得到大幅度的改善，连铸坯内部组织中固有的薄弱环节被基本消除，钢坯的低倍质量得到大幅度的提高。因此，可以认为该工艺路线最适合生产特殊钢。

这个工艺的优点在于：连铸机只生产一种规格的铸坯，因此，其工艺管理较为简单，可以比较精确地控制铸坯的凝固过程，从而可以比较精确地找到安装凝固末端电磁搅拌的位置，或者可以比较精确地控制轻压下的压下位置；由于只生产一种规格铸坯，生产过程中既可以节省更换断面的非作业的检修操作时间，又可以节省不同规格的设备的备品备件的数量，如：结晶器、密排辊导向段、喷淋集管、引锭头及引锭过渡段等，有利于提高铸机的作业率及降低连铸机设备的投资和备品备件的费用；该工艺路线唯一的缺点在于投资略高，一套在线轧机的投资约为连铸机投资的1．5～2倍，但是它在降低产品的生产成本及综合成本方面将具有极大的优势。

2 关于电磁搅拌(EMS)

2．1 结晶器电磁搅拌(M—EMS)及其在结晶器内钢液形成的流场

结晶器内钢水在M—EMS磁场的作用下，形成的流场见图1所示：

从图1中可以看出：在旋转磁场的作用下，钢液在已凝固的坯壳内产生了旋转运动，在离心力的作用及坯壳的阻挡下，钢液改变了流动方向，形成了向上的环流和向下的环流，向上的环流可促使非金属夹杂物上浮，同时可改善弯月面下的热交换形态，有利于提高铸坯表面质量；向下的环流有利于均匀钢液的温度和成分，降低或消除过热度，起到扩大中心等轴晶区、改善铸坯低倍组织、减轻中心疏松和缩孔评级的作用；搅拌功率越大，改善中心疏松和缩孔的效果越明显，但搅拌力太大可能会影响到钢液面，引起保护渣卷渣，从而产生皮下夹杂，因此，电磁搅拌器上表面至弯月面之间的距离与电磁搅拌的搅拌功率之间存在一定的正比例关系，搅拌功率越大，搅拌器上表面距弯月面的距离也应当适当放大，避免电磁搅拌产生的向上环流作用到结晶器保护渣的熔融层，引起卷渣现象而造成铸坯的皮下夹杂，建议M—EMS在结晶器内的位置尽可能往下一些，并配置大一些的功率，有利于取得较好的冶金效果。

对于生产规格比较单一的连铸机，建议采用内置式M—EMS，由于它的运行功率较低，其生产成本也就比较低；对于生产规格较多的外置式M—EMS，应注意在生产小规格铸坯时，其搅拌功率是否足够。

2．2 凝固末端电磁搅拌(F—EMS)

对于特钢连铸工艺来说，F—EMS的配置也是十分重要的，特别是生产高碳钢时，可用F—EMS来改善铸坯中心的碳偏析；如何配置F—EMS?有以下几个问题值得探讨：

2．2．1 凝固末端电磁搅拌的安装位置

这个问题对F—EMS显得十分重要，对于在建的铸机，F—EMS的安装位置一般是通过计算确定的；对于已经建成的连铸机，往往需要校验其F—EMS的安装位置是否适当，或寻求其最佳的工艺参数；下面介绍几个方法供大家参考：

1)利用F—EMS产生的白亮带的位置，测量铸机在各种稳定的工艺条件下的凝固系数；利用所测得的凝固系数调整F—ENS的安装位置；或者调整拉速，使铸坯的凝同末端进入电磁搅拌区域：

2)在工艺条件相同的情况下进行有、无电磁搅拌的对比试验，观察无电磁搅拌的试片中，产生中心偏析区域的直径，F—EMS的搅拌位置应略低于这一区域。

2．2．2 凝固末端电磁搅拌的形式

F—EMS通常采用旋转磁场的搅拌形式，搅拌器就相当一个二极的电动机，当电流在50Hz时其转速为2800rpm．，F—EMS通常采用10～16Hz，其磁场的转速约在560～896rpm，假设搅拌器长600mm，铸坯的拉速为1m／min，则铸坯通过搅拌器的时间约为36s，钢液在旋转磁场电磁力作用下产生加速运动的时间达到36s，此时钢液的运动应该达到平衡状态，因此，其运动速度应该是相当快的，当钢液在一定的运动速度下凝固，就会产生白亮带，白亮带是一个负偏析区域，它的偏析量与凝固时钢液的运动速度成正比，过快的运动速度就会形成较大的负偏析，对于特钢(尤其是热处理淬火用钢)成分偏析会引起热处理后钢的硬度的不均匀，从而影响最终的产成品的质量：

图2是在位于凝固末端偏前的旋转磁场作用下的200mm×200mm铸坯的横向低倍照片；

图3是在位于凝固末端的行波磁场作用下的140mm×140mm铸坯的纵、横向低倍照片；

对比图2和图3可以看出：图2的白亮带较明显且明亮，而图3白亮带显得非常轻微，既不明显又模糊，从图3的试片中用机加工的方法取下白亮带位置的钢样进行化学分析，其碳的偏析量小于0．03％，对钢的性能基本没有影响；这主要是行波的运动方向平行于拉坯方向，虽然行波电磁搅拌器的长度为1100mm，当钢液在行波磁场电磁力的作用下产生加速运动，但是在其运动速度尚未达到平衡时，被加速的钢液已冲出了搅拌区，因此，其运动速度不会太快，白亮带的偏析量也就不会很严重；为此建议F—EMS在功率能够达到的条件下，采用行波磁场电磁搅拌形式或螺旋磁场电磁搅拌形式更佳。

2．2．3 关于控制旋转磁场下铸坯白亮带偏析程度的方法比较

为了减轻旋转磁场作用下白亮带的偏析程度，一般都采用下述方法：

正向旋转t1秒—停t2秒—反向旋转t1秒—停t2秒……

根据这一种方法，将钢液在旋转磁场作用下的运动描述如下：

1)钢液在正向旋转磁场作用下产生正向加速运动其运动速度V从0加速至a1t12；

2)停止搅拌钢液产生自然减速，运动速度从a1t12减到a1t12+a2t22；此时当|a2|t22≥a1t12时，钢液的速度为

V=0；当|a2|t22≤a1t12时钢液还维持运动速度V=a1t12+a2t22

3)当t2时间足够长，钢液的速度为V=0时，在反向旋转磁场的作用下，钢液的运动速度与1)相同仅是方向相反V=﹣a1t12；

当t2时间较短，钢液还存在V=a1t12+a2t22时，反向旋转磁场的作用力先要进行制动，设制动时间为t1’则(a1t12+a2t22)－a1t1’2=0；然后再加速，钢液的速度从t1’加速到a1(t1－t1’)2。

上述算式中：a1—电磁力作用下钢液产生的加速度

a2—无电磁力情况下在钢液粘度的阻尼作用下产生的负加速度

众所周知，在电磁力的作用下，钢液的运动要达到一定速度(一般认为要>20cm／s)才能得到一定的冶金效果，而上述描述的钢液运动状况中有很多环节其运动速度是低于20cm／s的(凡是从0加速起来的，或减速到零再加速起来的小于20cm／s的这一段时间)，而且钢液运动速度是不均匀的，这可能会对连铸坯纵向组织的均匀性产生一定的影响。

为此，建议旋转磁场单一方向运动，采用短时间开—停—开交替操作(即间隙搅拌方式)，利用开、仃的时间比来调节钢液的加速度和减速度，控制钢液运动速度的上下限，取得合适的平均速度，其效果可能会更好。

可以用如下的数学公式表达：

钢液的运动速度V=a1t02+a2t22+a1t12+a2t22＋……

由于a2是负加速度，因此a2t22为负值，(t0为启动时第一周期时间)这就好比控制可控硅导通角的大小来控制直流电机的转速一样，控制未凝固钢液的合适的运动速度以到达最佳的冶金效果。

3 关于方坯连铸的轻压下技术

方坯连铸机的轻压下技术一般是采用拉矫辊来实施的，方坯连铸机拉矫机的辊间距较大，一般都大于1200mm有的达到1600mm，五组拉矫辊前后的距离可达5～6m(5000mm～6000mm)；它和板坯连铸密排辊的轻压下不完全相同，板坯可以通过一组或二组密排辊逐个的、少量的、连续的压下，铸坯的厚度逐渐而平滑地被压缩，使其凝固中心的二相区在小变形量的条件下逐渐地被压合(见图3．板坯密排辊轻压下示意图；而方坯连铸机只能通过一个或二个辊台阶型地压下；见图4．方坯凝固末端示意图及图5．方坯连铸拉矫辊台阶型压下的示意图。根据方坯连铸机的结构特点，提二点想法，供大家参考及探讨：

 

利用一对(第一对)或二对(第一、第二对)拉矫辊作为液芯厚度的微调，以保证二相区的位置前端落在轻压下辊下面，但是微调辊的压下量必须控制在很小的范围(保证不将铸坯压出内裂纹)；

方坯连铸轻压下的动态控制是控制连铸机的主要工艺参数，使铸坯的凝固末端正好落在轻压下辊区域，特别是通过控制拉速来达到。

4 冶炼特钢的生产组织及操作技术

1)抓好炼钢工序的管理和操作，供应优质的钢水。

炼钢是基础，钢水的质量直接影响着铸坯的质量，下面重点探讨以下几个问题：

①原材料要实行精料方针。这是保证炼钢工序能稳定生产优质钢水的前提条件。

②稳定冶炼节奏按时向连铸提供等量钢水，保证连铸的稳拉速恒拉速。

该条实际包括以下一些内容：

炉前必须要有稳定的装入量和出钢量；

要控制稳定的生产节奏(为此，原材料的精料方针就显得更为十分必要)。

③控制好钢水的温度

应控制中间罐在低过热度情况下浇注，但该温度还必须保证钢水具有良好的可浇注性。

④控制好钢水的脱氧和钢水的纯净度

有一个参数可衡量钢水的脱氧和它的纯净度：

[Al]S／[Al]T≥90％

其中：[Al]S—钢中酸溶铝的含量；

[Al]T—钢中总铝的含量；

因此，脱氧操作时必须注意：

1)尽可能地降低钢水中的原始氧含量；

2)脱氧操作应先用合金元素(铁合金)和增碳剂平衡钢液中的氧，然后再用合适的方法加入铝，进行终脱氧；

3)绝对不要在高氧含量的钢水中加铝脱氧，造成钢水中铝的氧化物偏高，从而造成酸溶铝和总铝比例中的总铝偏高，这就很难处理了；

4)终脱氧后应有足够的时间对钢水进行软吹清洗，提高钢液的纯净度；

2)选用无设计缺陷的连铸机并精心维护好连铸机的设计和安装精度，保持连铸机设备的完好状态是连铸生产和质量的重要保证。