不銹鋼連鑄技術(shù)與質(zhì)量控制

1、方坯連鑄不銹鋼技術(shù)與質(zhì)量控制特鋼連鑄研討會(huì)論文O方坯連鑄不銹鋼技術(shù)與質(zhì)量控制寶鋼股份有限公司特殊鋼分公司陳家昶上海新中連鑄技術(shù)工程公司葉楓1. 前言不銹鋼的制造技術(shù)已有巨大的發(fā)展,從上世紀(jì)60年代不銹鋼開始采用連鑄, 到1985年全世界不銹鋼連鑄比已達(dá)70%以上，目前西方工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家不銹鋼 生產(chǎn)兒乎100%用連鑄。最近20年來(lái)，世界不銹鋼產(chǎn)量每年以超過7%的比例增 長(zhǎng)，1997年不銹鋼總產(chǎn)量為1650萬(wàn)噸/年，2006年全球不銹鋼產(chǎn)量達(dá)到了 2840 萬(wàn)噸，較2005年產(chǎn)量上升了 16. 7%。其中，中國(guó)的不銹鋼產(chǎn)量增加最多，達(dá)到 T 530萬(wàn)噸，比2005年的產(chǎn)量增加了 68%,超過日本躍

2、居世界第一。新上馬的 很多產(chǎn)線釋放出了巨大的能力，中國(guó)的不銹鋼市場(chǎng)和產(chǎn)能前景樂觀。我國(guó)不銹鋼的連鑄起步較晚，80年代才開始起步。經(jīng)過這兒年的發(fā)展，我 國(guó)的不銹鋼連鑄比提高較快，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的不銹鋼品種的生產(chǎn)，但不銹鋼連 鑄的生產(chǎn)和質(zhì)量控制有一定的難度，在一定程度上制約了我國(guó)不銹鋼連鑄坯的生 產(chǎn)。2. 生產(chǎn)工藝和流程不銹鋼冶煉方法有多種，如EAF單煉法、與AOD結(jié)合的二步法、與轉(zhuǎn)爐頂?shù)?復(fù)吹及VoD或RH-OB相結(jié)合的三步法等，但訂前最有優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用最廣泛的還是 EAF+A0D的二步法，在冶煉超低碳不銹鋼時(shí)，也有較多采用A0D÷V0D的雙聯(lián)脫 碳工藝。因此，一般常用的工藝流程為：EAF

3、+AOD+ (VOD) +CC (IC)習(xí)慣上我們把EAF+AOD稱為兩步法，而EAF+AOD (或轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹)+VOD 稱為三步法。電爐冶煉不銹鋼可以選擇采用偏心底(EBT).槽式(SPoUt)出鋼和兩種功 能都有的雙爐殼設(shè)訃，偏心底爐殼雖然能做到無(wú)渣出鋼，但在出鋼過程很難實(shí) 施鋼渣混沖，影響合金的收得率，而且EBT出鋼口易被堵塞，不銹鋼冷鋼處理困 難。因此，在不銹鋼母液生產(chǎn)時(shí)，電爐一般采用槽式出鋼法，它在出鋼過程鋼渣 混沖，能有效提高合金收得率，但同時(shí)也帶來(lái)一個(gè)回磷問題，山于不銹鋼的脫磷 困難、易回磷，這就對(duì)廢鋼和返回料的選擇使用帶來(lái)了嚴(yán)格的，對(duì)降低配料成本 不利。3. 不銹鋼連鑄鑒于不

4、銹鋼鋼種本身的性能特點(diǎn)（鋼水粘度較大，易氧化元素較多、傳熱 慢、熱膨脹系數(shù)大等），其連鑄生產(chǎn)的特殊性和難度較大。而且不銹鋼品種較多, 其中不乏含Ti、Nb. Cu、S、W等元素，鋼種的裂紋敬感性強(qiáng)、連鑄可澆性較差, 對(duì)連鑄工藝的參數(shù)確定和過程控制要求較高。近兒年來(lái)，隨著連鑄控制技術(shù)和精 度的提高，鋼水冶煉的純凈度提高，90%以上的不銹鋼已連鑄成功，但是過程的 不穩(wěn)定性仍然存在。不銹鋼一般分為鐵素體、奧氏體、馬氏體和雙相不銹鋼等兒類，嚴(yán)格的說(shuō), 這兒類鋼種的凝固性能和組織各不相同，澆注性能也并不一致?？傮w來(lái)說(shuō)，不銹 鋼連鑄工藝可以從以下兩類著手：以i為主含有擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素（Ni、Mn. N、C

5、）的奧氏體不銹鋼；以Cr為主含有擴(kuò)大鐵素體區(qū)元素（Cr> Mo、Si、Nb）的 鐵素體不銹鋼。特別還要考慮不銹鋼的成份設(shè)計(jì)的裂紋敬感區(qū)，見下圖：Cr 當(dāng)量=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5x%Cb淬火裂紋熱裂紋b相脆性晶粒長(zhǎng)大山圖中可以看出，凝固時(shí)新生鐵素體對(duì)裂紋不敏感，位置的奧氏體對(duì)裂 紋敬感、位置馬氏體的淬火裂紋、位置奧氏體中的相脆性、位置鐵素體的 蠕變行為等都對(duì)我們的生產(chǎn)凝固工藝提出了挑戰(zhàn)。不銹鋼方坯連鑄，一般供軋制棒材、卷材、線材和不銹鋼管坯成材。從最 終的產(chǎn)品性能來(lái)看，對(duì)方坯連鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求極高。山于不銹鋼 品種多，工藝的適應(yīng)性猶為復(fù)雜，我們就一些

6、共性的問題做一下探討。3.1.表面質(zhì)量控制單就熱膨脹系數(shù)而言，奧氏體鋼的值比碳鋼大（50OOC時(shí)大56%, IOOOoC時(shí) 大54%）,鐵素體鋼與碳鋼相近。這說(shuō)明奧氏體鋼在結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼會(huì)過早收 縮，更易使坯殼厚度不均勻，容易導(dǎo)致表面凹陷，裂紋等缺陷。而且鋼水中的易 氧化元素的夾雜物被連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣吸附后，保護(hù)渣的性能容易惡化，從而影 響坯殼與結(jié)晶器銅壁之間的液渣流入，形成不均勻渣膜，加劇了傳熱的不均，對(duì) 鑄坯的表面質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。以Ll前的技術(shù)裝備而言，常規(guī)連鑄機(jī)的結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)，對(duì)連鑄坯表面質(zhì) 量造成的直接后果就是產(chǎn)生了振痕，振痕是山于結(jié)晶器的周期性振動(dòng)而在鑄錠表 面產(chǎn)生的間距均勻

7、有一定深度的橫向皺折。山于振痕的普遍存在，因此在一般情 況下，已不將它看成是鑄坯的表面缺陷或者說(shuō)振痕是連鑄坯的本征缺陷；但是， 對(duì)連鑄坯表面振痕的研究，發(fā)現(xiàn)伴隨著振痕的產(chǎn)生，皮下往往有磷、鐳等合金元 素的顯微正偏析，容易導(dǎo)致鑄坯表面產(chǎn)生微小的橫向裂紋，對(duì)后步工序產(chǎn)生不利 影響，降低了產(chǎn)品各種物理性能橫向斷面的均勻性。研究表明，振痕是產(chǎn)生表面 偏析和裂紋的原因之一。對(duì)于普通鋼的振痕，通過熱軋加熱中的氧化，振痕一般不會(huì)對(duì)成品質(zhì)量造 成影響；而不銹鋼則不同，山于具有高的抗氧化性，較深的振痕難以在熱軋中完 全消除，如果用這種坯料軋制，就會(huì)在軋材表面產(chǎn)生缺陷。因此，不銹鋼連鑄坯 的振痕的修磨率很高，有些

8、廠家的不銹鋼連鑄坯的修磨率棋至可達(dá)100%。控制和減少表面缺陷，減少修磨量和修磨率是不銹鋼降本增效的關(guān)鍵。要 做好這方面的工作，主要從結(jié)晶器保護(hù)渣的選取、振動(dòng)參數(shù)的確定和結(jié)晶器銅管 錐度的設(shè)計(jì)（包括結(jié)晶器水量控制）等方面著手。3.1.1結(jié)晶器保護(hù)渣連鑄保護(hù)渣在連續(xù)鑄鋼的保護(hù)澆注中具有非常重要的作用，保護(hù)渣的性能 取決于澆鑄中的實(shí)際行為，Ll前衡量保護(hù)渣的標(biāo)準(zhǔn)還是看它實(shí)際使用的效果，對(duì) 它的性能優(yōu)化只有一個(gè)宏觀的取向：即提高鑄坯表面質(zhì)量與澆鑄質(zhì)量。不銹鋼保護(hù)渣的研制可以說(shuō)是一個(gè)世界性的難題，由于不銹鋼中含有許多易 氧化元素，需要吸收的夾雜物與特鋼相比差別較大，保護(hù)渣性能的設(shè)計(jì)與保持對(duì) 表面質(zhì)量來(lái)

9、說(shuō)至關(guān)重要。奧氏體不銹鋼線具有膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，冷卻過程中氣 隙出現(xiàn)較早，容易產(chǎn)生凹陷等表面缺陷。一般的保護(hù)渣設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)凹陷型和黏附 4型的鋼種有兩類不同的設(shè)計(jì)，凹陷型保護(hù)渣的特點(diǎn)是堿度較高（渣液在凝固過程 中有析晶現(xiàn)象，渣的粘度曲線有明顯的拐點(diǎn)）形成的固態(tài)渣膜導(dǎo)熱系數(shù)較低，以 降低傳熱速度，改善坯殼的凝固狀況；黏附型保護(hù)渣則通過低熔點(diǎn)、低堿度（易 形成玻璃態(tài)液相渣膜層）的設(shè)訃，以達(dá)到減少摩擦阻力，提高表面質(zhì)量的Ll的。 不銹鋼保護(hù)渣的設(shè)計(jì)一般采用的是前一種方案。這里要說(shuō)明一下，由于不銹鋼的 固、液相線較低，因此不銹鋼保護(hù)渣的熔點(diǎn)還是較低的。不銹鋼的保護(hù)渣耗量一般要大于碳鋼的耗量，這一方面是為

10、了形成均勻的 渣膜厚度；另一方面山于渣耗量大，保護(hù)渣的更新速度加快，可以減輕和稀釋被 吸附的夾雜物對(duì)保護(hù)渣的污染。在整個(gè)澆鑄過程中，鋼水彎月面處形成的液渣層 要保持足夠的片度以保證其連續(xù)流人鑄坯與結(jié)晶器之間的氣隙，從而形成有效渣 膜，提高傳熱效率與均勻度。而不銹鋼的容易產(chǎn)生表面凹陷的特性，更需要形成 均勻有效的渣膜。在這里保護(hù)渣的黏度起了非常重要的作用。通過一定的推導(dǎo)，我們可以得到一個(gè)熔渣層厚度與拉速之間的關(guān)系圖如下:圖中左邊紅色曲線表示連鑄保護(hù)渣的熔化速率高于保護(hù)渣消耗速率的悄 況，過了臨界點(diǎn)右邊藍(lán)色曲線則表示連鑄保護(hù)渣熔化速率低于最大消耗速率的情 況。山上所述充分表明，保護(hù)渣黏度與對(duì)整個(gè)生

11、產(chǎn)中的熱傳導(dǎo)性能有著非常密切 的關(guān)系。在這里，我們?nèi)匀灰獜?qiáng)調(diào)的是保證穩(wěn)定均勻渣膜對(duì)連鑄坯表面質(zhì)量的提 高大有益處，我們?cè)O(shè)計(jì)選用的保護(hù)渣就是要針對(duì)連鑄鋼種的具體情況及拉速水平 來(lái)進(jìn)行的。所以在現(xiàn)場(chǎng)澆鑄性能的評(píng)判上，渣耗是一個(gè)很重要的數(shù)據(jù)。在不銹鋼的結(jié)晶器保護(hù)渣里，還要注意碳質(zhì)材料的添加問題。眾所周知， 為了控制保護(hù)渣的熔化速度，通常都在保護(hù)渣內(nèi)配入一定量的炭質(zhì)材料（炭黑或 石墨等），但是絕大部分的不銹鋼是低碳或超低碳，很容易引起增碳，特別在振 痕部位容易岀現(xiàn)碳的正偏析現(xiàn)象；如果不銹鋼表面修磨，一般該種缺陷不會(huì)影響 下道工療:。但未經(jīng)修磨的鑄坯進(jìn)行軋制時(shí)，情況就不相同，我們?cè)?jīng)檢測(cè)到如下 缺陷，在

12、規(guī)格為63的304不銹鋼連鑄管坯上，經(jīng)穿孔酸洗后發(fā)現(xiàn)荒管表面出 現(xiàn)螺旋狀缺陷，如下圖：電子探針面分析結(jié)果表明，荒管缺陷區(qū)域內(nèi)的黑色溝槽中聚集C元素，如 下圖:電子13像1ImfnIminCKal 2無(wú)獨(dú)有偶，在一個(gè)低碳不銹鋼連鑄坯橫向低倍的試樣上，對(duì)其中心疏松部位 做掃描電鏡時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了碳質(zhì)材料的痕跡，如下圖：詰國(guó)6滿呈程 5157 CtS 光祝:9.745 (0 CiS)keV為此，有些要求高的無(wú)碳不銹鋼保護(hù)渣，采用超細(xì)微的金屬粉末取代碳質(zhì)材 料，用來(lái)控制保護(hù)渣的熔化速度，所以在保護(hù)渣的選擇上，應(yīng)多方面的考察和試 驗(yàn)，才能找到符合不銹鋼各鋼種質(zhì)量要求的保護(hù)渣。3.1.2結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)振痕的產(chǎn)生

13、機(jī)理長(zhǎng)期以來(lái)一直存在很多理論，如撕裂-愈合機(jī)理、機(jī)械變 形機(jī)理、二次彎月面機(jī)理、保護(hù)渣作用機(jī)理等等，但直到今天還沒有一個(gè)理論能 夠完整的解釋所有的現(xiàn)象。不過有一點(diǎn)LI前已達(dá)成了共識(shí)：即振痕的深度主要與 負(fù)滑脫時(shí)間、負(fù)滑脫量有關(guān)。因此，研究振動(dòng)參數(shù)控制負(fù)滑脫時(shí)間對(duì)連鑄坯表面 質(zhì)量的提高有著非常重要的意義。早期，負(fù)滑脫時(shí)間一般認(rèn)為在0.5s左右對(duì)防止粘連及順利脫模有利，如果 超過這個(gè)值，就會(huì)影響振痕深度，過深的振痕會(huì)導(dǎo)致鑄坯表面橫裂紋的產(chǎn)生。但 山于Ll前連鑄設(shè)備與澆鑄水平提高很快，鑄坯與結(jié)晶器的脫模已經(jīng)不再成為主要 矛盾，相反隨著連鑄坯表面質(zhì)量要求的提高。Ll前，已有連鑄機(jī)將負(fù)滑脫時(shí)間控 制在0

14、. IS的水平。山于負(fù)滑脫時(shí)間對(duì)振痕的深度影響較大，為減小振痕的深度，減少負(fù)滑脫時(shí) 間是一行之有效的方法,在傳統(tǒng)連鑄過程中，結(jié)晶器振動(dòng)的模式為正弦振動(dòng)模式, 為減小負(fù)滑脫時(shí)間，只有通過高頻小幅振動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在高頻小幅振動(dòng)條 件下，將會(huì)在一定程度上減少保護(hù)渣的消耗，影響保護(hù)渣的流入與渣膜的均勻形 成，破壞了初生坯殼和結(jié)晶器壁的潤(rùn)滑，從而增加了表面裂紋其至拉漏的可能。 因此應(yīng)用高頻小幅振動(dòng)減少負(fù)滑脫時(shí)間的描施雖然有效，但仍然存在一定的隱 患，應(yīng)用上受到限制。而在非正弦振動(dòng)條件下，不改變頻率，也能達(dá)到減小負(fù)滑脫時(shí)間的Ll的，這 種情況下，與正弦振動(dòng)模式相比，它的正滑移時(shí)間更長(zhǎng)，振痕的深度也相應(yīng)

15、地降 低。目前的液壓振動(dòng)控制設(shè)備，已成為實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)的保證。多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定證明，采用了非正弦振動(dòng)方式后，結(jié)晶器保護(hù)渣的渣耗量 并沒有因?yàn)樨?fù)滑脫時(shí)間的降低而下降，反而略微有所上升。這在一定程度上證明 了保護(hù)渣的液渣基本上是在正滑脫期內(nèi)流入的機(jī)理（Ll前世界上一直存在有正、 負(fù)滑脫時(shí)間流入的兩派爭(zhēng)論，前者以韓國(guó)浦項(xiàng)為代表，后者以S. TakaUChi為代 表）。而隨著拉速、AS值的提高，保護(hù)渣的耗量有降低的趨勢(shì)，因此選取連鑄 保護(hù)渣要以連鑄機(jī)正常工藝的拉速范圍為依據(jù)。至于振動(dòng)頻率的選擇，按照流體力學(xué)理論，液體表面波動(dòng)存在一個(gè)本征頻率, 它與材料本身、斷面、深度、液體表面張力等因素相關(guān)，相關(guān)領(lǐng)域

16、(有色金屬) 的研究表明，如果實(shí)際振頻接近系統(tǒng)固有頻率時(shí)，容易產(chǎn)生共振，此時(shí)渣膜通道 最大，拉坯阻力最小，鑄坯表面最光滑。雖然這個(gè)工作不見連續(xù)鑄鋼領(lǐng)域報(bào)道， 但對(duì)我們選擇合適的振動(dòng)參數(shù)又多了一個(gè)考慮方向。3. 2.連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量不銹鋼的內(nèi)部質(zhì)量很大程度上取決于鋼種的特性，鋼的凝固行為在一定程度 上決定了連鑄坯內(nèi)部的鑄態(tài)組織。根據(jù)加藤等人的研究結(jié)果，根據(jù)含傑不銹鋼的 Cr/Ni當(dāng)量比，在鑄坯凝固過程中發(fā)生如下相變反應(yīng)：CreqNieq>2. 0： L*L÷ ( ) ( ) ÷ Creq/Nieq 在 1. 6 1. 9： Lf L+ -L÷ + ( ) + C

17、req/Nieq 在 1. 26 1. 46： L-*L+ Y -*L+ + -* + (CI) CreqNieq<l. 2： L*L÷ Y-kY一般可以按Cri當(dāng)量比1.5為界，初晶分別為相和Y相。初晶相的差別 對(duì)于微觀偏析的程度有著影響，因?yàn)槿苜|(zhì)元素在相的擴(kuò)散速度約為在Y相中的 100倍。所以初晶為Y相時(shí)，一般存在明顯的微觀偏析。微觀偏析，特別是P、S 的偏析和聚集，對(duì)鑄坯裂紋的形成存在著很大的隱患。因此，鑄坯的低倍組織與鑄坯凝固時(shí)的鑄態(tài)組織存在著一定的區(qū)別，有時(shí)很 難復(fù)原分析；對(duì)于上列第4種單相組織相變，做金相的微觀分析還比較容易。不 同的不銹鋼鋼種表現(xiàn)出不同的宏觀組織特

18、性，比較典型的方坯低倍組織如下：7G鐵素體不銹鋼的低倍組織b）奧氏體不銹鋼的低倍組織C)雙相不銹鋼的低倍組織針對(duì)不銹鋼方坯的質(zhì)量要求，山于各種鋼種的差異較大，這里就不詳細(xì)分析 了。但通常用來(lái)控制提高內(nèi)部質(zhì)量鑄態(tài)組織要求的是電磁攪拌和二冷控制。3. 2.1.電磁攪拌對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響對(duì)于不銹鋼，電磁攪拌選用的參數(shù)與特鋼相比變化還是比較大的。下式表示在鋼水中產(chǎn)生感應(yīng)電流與該處磁場(chǎng)作用產(chǎn)生電磁力的大小可用下 式表示：f = J × B = (E + v × B)× B上式中：J為電流密度；為鋼水電導(dǎo)率；V為磁場(chǎng)和鋼水相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度速度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；7為電磁力；為真空磁導(dǎo)

19、率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。通過上式，我們可以認(rèn)為在相同磁場(chǎng)條件下，電磁力的作用取決于材料的 電導(dǎo)率水平，通常不銹鋼的電導(dǎo)率略小于特鋼，但相差并不大。而對(duì)于一般的金 屬當(dāng)其溫度大于760°C時(shí)以及液態(tài)的鋼水通常都是不導(dǎo)磁的，這方面特鋼和不銹 鋼的特點(diǎn)是一致的。試驗(yàn)證明，作用于鑄坯中心液相的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不銹鋼反而要比特鋼強(qiáng)一 些，這可能是由于不銹鋼的合金含量高，液芯的粘度較大，運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力也 大；其次，由于不銹鋼導(dǎo)熱率低，凝固時(shí)，其柱狀晶生長(zhǎng)傾向，大大地高于一般 的特鋼，因此，如果我們?yōu)榱诉_(dá)到相同的電磁攪拌效果，一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于不銹鋼 無(wú)論是M-MES或F-MES工作電流的設(shè)定應(yīng)高一些。對(duì)于方坯而言，電磁攪拌的Ll