连铸坯偏析研究发展近况 安树均张炳成 (技术研究院) 摘要综述了连铸坯偏析的形成原因、影响因素及减少连铸坯偏析的方法,介绍了连铸坯偏析的数学模 型及测试连铸坯偏析的最新进展情况。 关键词连铸坯偏析凝固 RECENT DEVELoPMENT oF RESEARCH oN SEGREGATIoN IN CoNT咖oUS CAST G BILLET AN Shujun ZHANG Bingcheng (The Research Institute of Technology) ABSTRACT The causes of segregation in continuous casting billet and the influencing factors have been summarized in the paper as well as the improving methods,and the recent devdopment fo mathematical model and measuring of segregation has been introduced as wel1. KEY WORDS continuous casting billet,segregation,solidiifcation 如何减轻和控制连铸坯偏析是近十几年来国 道中,形成位于中心或偏离中心的V形偏析(见 内外冶金工作者研究和解决的主要技术问题之 图1),属于宏观偏析。 一。研究的主要内容包括连铸坯偏析形成的机 理、减少和控制偏析的工艺措施和设备改造等, 其中研究比较活跃的有效方法有电磁搅拌和动态 软压下等,并建立了预测连铸坯偏析的各种数学 模型。冶金工作者对连铸坯偏析的认识随着测试 技术的发展而进一步深入,通过各种途径减轻和 控制连铸坯偏析是冶金工作者研究的长期目标。 图1 典型的v形偏析 1连铸坯偏析的形成和影响因素 钢坯的偏析将影响后续加工和最终的产品性 能。如高碳共析钢和过共析钢,偏析将使其中心 连铸坯偏析是钢水凝固时固有的特性。通 部位碳含量进一步升高。造成渗碳体脆性相大量 常,溶质元素在液体中的溶解度比在固体中高, 析出。在拔丝过程中易发生脆断,或使产品成为 因此溶质有脱离凝固相而被推到凝固前沿液体中 废品。特别是在微合金化钢的坯材中【t1,因偏析 的倾向,未凝固部分富含溶质的液体被生长的树 形成局部的贝氏体。甚至马氏体,使钢的强度和 枝晶枝干间捕获,形成微观偏析。但是。在凝固 韧性降低。并且这些区域易形成氢渗透的有利通 过程中总会发生凝固补缩、铸流变形等大范围影 道,从而导致裂纹。 响因素,将剩余钢液强迫吸入等轴晶中心区的隧 在后续轧制过程的加热阶段,具有成分偏析 安树均:1968年毕业于北京科技大学金属材料研究生班.原为技术研究院 技术管理处专业员,教授级工程师。收稿/2005—08—29 维普资讯 http://www.cqvip.com
的铸坯的偏析程度可因固态扩散而减轻,但固态 高压喷射系统采用强的“硬”冷却操作时,可增 加连铸坯内柱状晶比例,产生显著的、较小的中 心小孔,从而改善偏析效果。一般对高碳钢采用 弱的“软”冷却操作,以使连铸坯表面和内部裂 原子扩散很慢,需较高温度和较长时间的均热, 这必然导致金属氧化损失和能源消耗。因此,在 炼钢连铸过程中减轻和控制偏析尤为重要。 影响偏析的主要因素有钢的成分、过热度、 纹减至最小。二冷区比水量的确定需综合考虑钢 拉速、冷却制度、断面形状尺寸及与减少偏析相 号、拉速、过热度和裂纹敏感性等因素的影响。关的技术等。减少偏析的相关技术包括电磁搅 2.3选择合适的截面尺寸 拌、机械软压下和数学模型等。 2减少连铸坯偏析的方法 2.1降低过热度 连铸过程中,中间包过热度对偏析影响很 大。低的过热度可获得高的等轴晶组织比例,被 认为是减轻偏析的最好方法;高的过热度易使连 铸坯中形成小钢锭。从而导致连铸坯的机械性能 不均匀。使后续的线材拔丝过程中出现断丝等严 重问题。但过热度太低可导致浇注冻流,欧洲钢 厂连铸浇注温度的过热度一般为25—30℃,北 美和加拿大的钢厂连铸浇注温度的过热度一般为 46—52℃。 控制和稳定中间包过热度的方法有: (1)中间包采用感应加热或等离子加热,提 高中间包钢水温度至设定值; (2)中间包喂人冷却丝,降低中间包钢水温 度至设定值。 德国ISPAT—HSW厂试验的喂丝直径为9 mm.中间包容量为12 t,当喂人量为5.25 kg/ min时,中间包温度约降低5℃;荷兰Corns ljmuiden厂的试验证明:喂丝直径为9 mm时, 冷却能力约为0.25 ̄C/(m・min1,使中间包钢水温 度降低5℃的喂丝速度为20 m/min。喂丝操作 时。应注意塞棒控流。保持中间包液面高度大于 400 ITIIB,以稳定铸流速度,并利于喂丝均匀熔 化圆。 目前,更普遍采用的方法是保证出钢温度, 并利用LF炉或精炼站调整钢包中钢水温度达到 较窄范围的方法,以保证过热度。 2.2改善冷却制度 连铸二次冷却是影响偏析的主要因素之一。 若水流覆盖和冲击密度不均匀,则将引起连铸坯 凝固的不一致,使偏析恶化。当二次冷却水流和 西班牙Sidenor厂在连铸机上进行了“双流” 试验,即同时浇注155 mm×155 mm和185 mm× 185 mm方坯,浇注钢号为C50、C70和lOOCr6, 试验结果如下【2】: (1)185 mm×185 mm方坯的中心碳偏析和 硫偏析均大于155 mill×155 mm方坯; (2)对于距中心9mm处的负偏析,185 mm× 185 mm方坯大于155 mm×155 mm方坯。且负 偏析随碳含量的增加而加重; (3)对于在截面1/2处的偏析,155 mm× 155 mm方坯大于185 mm×185 mm方坯。 英国Corus UK厂的试验结果是:120 mm× 120 mm、140 mm×140 mm、180 mm×180 mm 方坯的偏析核心区平均直径分别为4,4—8,8— 16 mm。另外,随着连铸坯截面尺寸的增加,碳 偏析加重,偏析核心区面积也扩大,但偏析核心 区面积与连铸坯断面面积之比是降低的田。 2.4电磁搅拌技术 按电磁搅拌器在连铸机上安装位置的不同, 电磁搅拌分为结晶器电磁搅拌(M—EMS)、铸流 (二冷)电磁搅拌(S—EMS)和末端电磁搅拌 (F—EMS)3种。采用M—EMS时在电磁力的作用 下。结晶器内的钢流运动方向改变(如旋转运 动),且运动速度加快,从而起到均匀成分和改 善结晶器的热交换效果,并可降低柱状晶与扩大 等轴晶的比例、减小缩孔。板坯结晶器一般不配 置电磁搅拌器,因板坯结晶器内本身就存在较强 的对流以及钢水流动产生的搅拌。 EMS在单独使用和组合使用时均可减少偏 析,具体采用何种方式可根据最终产品的要求进 行选择。在M—EMS作用下,钢流旋转运动可影 响到结晶器以下几米的地方,而S—EMS需要在 结晶器下沿位置安装。单独使用时,S—EMS的 影响力小于M—EMSr21。 L.Beitelman(加拿大ABB公司Whitby厂)等 维普资讯 http://www.cqvip.com
人论述了分别用单线圈电磁搅拌器和双线圈电磁 的1/3—3/4,碳含量低时倾向上限,碳含量偏 搅拌器时,随搅拌强度的增加,其对120 mm× 高时倾向下限。 120 mm方坯高碳钢(碳含量为0.77%~0.79%) VAI在介绍施加动态软压下位置时。用示意 碳偏析和组织致密度的影响。当电流强度从220 图直观地表述了铸流凝固末端液相区、糊状区、 A升至400 A(频率5.0 Itz)时,等轴晶区面积 值的分布和凝固壳的关系【4】,如图2所示。 所占比例变化不大(从50%升至55%),但晶粒 得到细化。在385/165A双线圈电磁搅拌条件 下,对弯月面区施加作用,出现更多的细化等轴 晶组织,碳偏析度最大从1.2下降到0.8。同时, 将单线圈电磁搅拌器安装在结晶器靠上部位置。 也可获得双线圈电磁搅拌器的效果。但当采用敞 开式浇注时,在弯月面处搅拌,强烈的搅拌会使 较多的夹杂物向连铸坯中心聚积,影响钢材质量田。 法国Danieli Rotalec厂的S.Kunstreich对 EMS进行了综合评述:M—EMS可有效消除中心 图2铸流凝固末端液相区、糊状区、 值 线偏析,但等轴晶区易生成V形偏析,而F— 的分布和凝固壳关系的示意图 EMS能够破碎V形偏析;强旋转电磁场可有效 Corus UK的Scunthorpe厂在对连铸机进行 改善 5.5 mm线材组织的疏松。另外,Ham. 升级改造时,在距弯月面9 in处安装了F—EMS, burger厂对遇到的轴承钢球的V形碳偏析问题。 并对主要规格连铸坯进行了试验。其中,120 提出了用F—EMS给予解决【”。 mm×1211 mm方坯采用敞开式浇注,其余大规 F—EMS的安装位置非常重要,若位置不合 格连铸坯均采用浸入式水口浇注,加保护渣。F— 适,将达不到预期效果。一般认为,安装位置在 EMS试验表明:在距弯月面9 in处安装F—EMS, 连铸坯芯部的固体分数(Solid Fraction in the 可改善140 mm×140 mm、180 mm×180 mm方 Strand Core)为20%~50%时较好。在这方面, 坯偏析。但对120 mm×120 mm方坯偏析无影 不同文章理解不完全相同,有人提出F—EMS的 响,但也带来可能产生白亮带的问题,在180 安装位置按沿着连铸坯中心线测量在固体分数为 mm×180 mm方坯断面上发现白亮带。但在120 50%处,即等于整体体积的10%~15%为固体。 mm×120 mm、140 mm×140 mm方坯断面上未 奥钢联(VAI)在动态软压下方法中提出的安装 发现白亮带[2]。 位置在凝固分数(Solidification Fraction) =0.7 EMS能够改善方坯质量.其中F—EMS通常 最好。日本的文章提出的数值比上述值低很多。 应用于小方坯,其系统简单、成本低。另外,小 文献【3】中用下式定义凝固分数 ,即: 方坯角部刚性相对较大,较难压缩,若采用软压 下,则需更大的软压下力,大方坯则更多采用软 = 、 压下,因EMS对大断面的渗透性无明显效果, 式中:tI ——液相线温度,cI=; 且大方坯易产生鼓肚变形,压缩较容易实现和掌握。 ts——固相线温度,cI=; 2.5动态软压下技术 t——搅拌位置处温度,cI=。 由于钢号、坯型、过热度、拉速和二冷水量 由V形偏析的凝固模型可知,搅拌(实际 等不同,凝固末端位置亦不同,按照数学模型预 就是搅拌位置)从等轴晶凝固开始或凝固分数 测值指挥压下装置施加力的大小与位置随凝固末 =0.1时开始,因. :0.1~0.2时,等轴晶和钢水 端位置变化而改变,在最适合位置施加软(轻) 掺和成粥状样,还呈流动状态;fs=0.2~0.4时, 压下,即动态软(轻)压下,可达到明显改善偏 等轴晶相互绞合,呈不流动状态。经验上,直观 析和使组:织致密的效果。 的方法为搅拌位置通常在液芯宽度占连铸坯宽度 目前,VAI开发出的动态软压下包括辊缝调 维普资讯 http://www.cqvip.com
整软压下(Dyna Gap Soft Reduction)、Dynacs二 流中的运动和相对强度,同时反映出由紧靠液芯 感性【u。 TCC的B.P ̄fick等人总结了Corus UK公司 量间的关系。研讨了预测连铸坯内部质量的可能 性。现在所述的质量预测系统并不包括表面质量。 冷技术和Levcon系统。该技术最早于1997年应 末端的辊子不对称和铸流鼓肚等因素对偏析的敏 用于芬兰Rautaruukki钢铁公司板坯连铸机改造, 共有l7个压下段;2001年9月,VAI与攀钢共 mm×325 mm、280 mm×380 mm)。并于20o3 同建造用于生产钢轨的6流大方坯连铸机(280 连铸机的状态、构造、操作水平与连铸坯内部质 年9月投产,3个月后验收合格,年产量超过 120万t【 一。攀钢6流铸机上每流的扇形段有7 个轻压下机架(实际只用5个机架),安装在距 弯月面16.187~24.649 m处,拉速为0.8 m/rain。 该连铸机生产的U71 Mn钢轨坯质量稳定。中心 疏松达到1.0级。中心偏析的偏析指数由1.12降 至1.05,成分均匀,力学性能达到速度为350 km/h高速钢轨的标准要求[5,61。 在我国,除攀钢方坯连铸机外,武钢第二、 第三炼钢厂的3号板坯连铸机、宝钢梅山钢厂2 号板坯连铸机均采用了VAI动态轻压下技术[4]。 另外,该项技术已在韩国浦项板坯连铸机成功应 用,俄罗斯对其进行了引进,但其在西欧的大型 钢铁公司应用较少,主要是因其投资太大【”。 此外,Et本钢管发明并实施多年“人为鼓肚 轻压下”技术(Intentional Bulging and Soft Re— duction),后来住友重机提出动态人为鼓肚轻压 下,可较好地解决连铸坯纵向偏析和横向偏析。 国内制造的板坯连铸机采用二冷区细辊密排、分 节辊和远程扇形段调辊缝(为蜗轮丝杆传动结 构),能够实现静态轻压下,并改善连铸坯偏析[7】。 2.6连铸坯偏析的数学模型 为解决连铸坯偏析,已研制出不少数学模 型,动态软压下就是利用数学模型编制出计算机 程序软件,结合当时的具体参数发出指令进行软 压下。目前,具有自动控制功能的连铸机配有编 好的数学模型程序软件,生产时输入钢种和坯型 等参变量,即可实现自动控制中间包钢水流出 量、拉速和二冷区比水量,达到减轻偏析,保证 高质量连铸坯的稳定生产。 Corus UK公司Teesside技术中心(TCC)开 发了连铸坯宏观偏析数学模型(简称数模),即 利用已知的元素分配系数和凝固模型预测连铸坯 凝固前沿溶质的含量,计算出截面收缩量和由于 热影响、体积缩小、鼓肚和不对称性造成的铸流 变形,预测糊状区的液体流及富含溶质液体在铸 3连铸坯偏析的测试方法 通常采用硫印方法检验连铸坯质量和偏析程 度,若连铸坯硫含量低于一定值,则需采用酸蚀 方法来显示其低倍情况。虽然硫印和酸蚀方法的 检验结果受操作人员的经验和主观因素影响,且 不能定量化,但其目前仍是最快捷、简便和有效 的方法,被广泛采用。检查连铸坯质量和偏析程 度的方法还有采用硫酸铵的硫印方法和饱和苦味 酸浸蚀的方法。饱和苦味酸在高温条件下浸蚀较 快,有时还可显示出树枝晶,但其存在健康和安 全问题。 对连铸坯采用钻、铣和刨等方法取样测定元 素含量,计算出偏析指数或绘出成分分布线。因 不同测试的取样尺寸不同,造成数据对比性差。 这种方法首先要考虑取样的尺寸,有人提出取样 钻孑L面积与铸坯截面积之比约为0.5%即可。但 很多人认为比例太大。由V.Ludlow等人提出的 铣样方法,即在铸坯纵向试样上,沿中心线向外 分8~9个点,在每个点铣出截面为2 him×2 him的钢带,对其进行成分测定翻。 运用电子探针(EPMA—Electron Microprobe Analvsis)和扫描光学发射光谱仪(OES— Scanning Optical Emission Spectmnmetry)等仪器 测试连铸坯偏析。OES仪现已发展到带有识别系 统的扫描光学发射光谱仪(PDA—OES—Pulse Discri mination Analysis Optical Emission Spectroscopy)【”。 目前,高性能计算机即可安装EPMA和PDA— OES的处理系统,可较快获得测试结果,从而省 去大量繁重的人工劳动。 OES还可进行点分析和扫描面分析,显示夹 杂物图谱,并同时对20~30个元素含量进行测 定。OES可有效测定低硫、低碳钢的元素含量, 但目前新型的OES仍不能准确测定磷含量,若 维普资讯 http://www.cqvip.com
联合使用其他方法,则可解决磷的测定问题。 量测定偏析时,取样尺寸应尽量小。EPMA、 在国内,由钢铁研究总院的北京纳克分析仪 OES和金属原位分析仪等仪器也可用于测定微观 器有限公司研制出的金属原位分析仪,具有元素 和宏观偏析。 偏析度分析、夹杂物的定量分析与分布分析、金 属表面疏松度及成分分析功能,是分析测定坯材 参考文 献 微观及宏观偏析的有效工具。 1 A.Scholes et a1.Segregation in Continuous Casting,Con- 4结 论 ference Report.Ironmaking and Steelmaking,2005,32 (2):101—108 2 V.LudlcW et a1.Strategy to Minimise Central Segregation in (1)偏析是钢水凝固成钢坯时不可避免的现 High Caxbon Steel Grades during Billet Casting.Ironmak- 象。影响偏析的主要因素有:钢的成分、过热 ing nad Steelmaking.2005,32(1):68-74 度、连铸速度、二次冷却和铸坯断面尺寸等: 3炼钢一:窿铸新技术800问.北京:冶金工业出版社, (2)为控制和减少偏析,目前普遍采用措施 2OO4 和方法有:减少连铸坯过热度(欧洲钢厂连铸坯 4 VAI Continuous-Casting and Hot-Rolling Conference. 过热度控制在25~30 oC)、凝固末端适宜的强化 Proceedings,2004 冷却、方坯结晶器电磁搅拌(小方坯也可采用末 5陈永等.大方坯连铸动态轻压下技术应用研究.第三届 端电磁搅拌)、大方坯和板坯末端软(轻)压下; 发展中国家连铸国际会议CCC’04会议文集,180— (3)一些预测凝固的数学模型不但可以预测 183 凝固和偏析的情况,还能指导动态软压下: 6杨素波等.大方坯连铸动态轻压下技术应用研究.钢 铁,201)5,40(6):24—26 (4)目前,硫印或酸浸检验仍是检验偏析的 7杨拉道等.常规板坯连铸技术.北京:冶金工业出版 主要方法,并针对低硫和(或)低碳类钢种还研 社.201)2 制了不同的浸蚀剂。用钻、铣、刨等方法取样定 编辑/高东梅 (上接第4页) 表6粉矿熔融还原炼铁工艺二次燃烧率、 目前.FINEX和HIsmeh已投入工业应用化 CO 排放量的比较 试验阶段。 5结 语 目前。POSCO正在积极扩大建设150 t FINEX“溶铁法”项目,预计将于2006年年底 竣工,2007年年初投产。POSCO新工艺可以直 表7各工艺技术的生铁质量 接利用低成本、资源丰富的铁矿粉和烟煤做原料 工艺还原剂矿石种类铁水温度/℃ C/% Si/% s/% 生产铁水。从而大幅度缩短了生产过程。采用 FINEX工艺。投资仅相当于同等规模高炉的 92%,生产成本仅为高炉的83%。废物排出也大 量减少,其中SO 排放量为高炉的8%,NO 排 放量为高炉的4%。POSCO不仅从中获得经济收 益的增长,而且环境效益逐年改善。 编辑/高东梅
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容