連鑄坯凝固性能的研究

連鑄坯凝固性能的研究

在2冷帶中，鑄造棒的厚度和硬化結(jié)束位置是連鑄生產(chǎn)的重要參數(shù)。特別是連鑄生產(chǎn)的比例體積和拉速尺寸直接影響著鑄造板的內(nèi)部質(zhì)量。應(yīng)在連鑄生產(chǎn)中進(jìn)行適當(dāng)控制。由于河南濟(jì)源鋼鐵(集團(tuán))有限公司一煉鋼廠(以下簡(jiǎn)稱濟(jì)源一鋼廠)連鑄設(shè)備工作已較長(zhǎng)時(shí)間,原工藝操作結(jié)果與實(shí)際工藝參數(shù)之間的匹配出現(xiàn)偏差,對(duì)當(dāng)前濟(jì)源一鋼廠生產(chǎn)的小方坯取樣觀察低倍組織,發(fā)現(xiàn)鑄坯中心凝固組織出現(xiàn)疏松和縮孔等問題。因此,2013年5月至9月課題組開展了凝固系數(shù)測(cè)定和連鑄工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),主要采用鑄坯射釘法對(duì)2種不同斷面鋼種82B鋼(150u3000mm×150u3000mm)和60Si2MnA鋼(165u3000mm×165u3000mm)在不同拉速和比水量下進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)出了濟(jì)源一鋼廠2號(hào)連鑄機(jī)的鑄坯凝固坯殼厚度,并計(jì)算其液相穴長(zhǎng)度和鑄機(jī)綜合凝固系數(shù),確定最佳的電磁攪拌位置,為優(yōu)化二冷配水、改善鑄坯質(zhì)量、降低中心凝固組織缺陷,實(shí)現(xiàn)150u3000mm×150u3000mm以下小方坯拉速達(dá)到3.0m/min,同時(shí)鑄機(jī)作業(yè)率和鑄坯無缺陷率分別大于等于85%和90%的高效連鑄提供了方法和依據(jù)。1u3000測(cè)試原理和方法1.1鑄機(jī)的綜合凝固系數(shù)根據(jù)凝固定律,鑄坯厚度、鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)、液相穴長(zhǎng)度和拉速之間的關(guān)系見式(1)。式中,D為連鑄坯厚度,mm;K為鑄機(jī)綜合凝固系數(shù),mm/min1/2;L為液相穴的長(zhǎng)度,m;v為拉速,m/min。鑄機(jī)的綜合凝固系數(shù)公式見式(2)。式中,d為實(shí)際測(cè)得的鑄坯凝固坯殼的厚度,mm;l為射釘位置到彎月面的距離,m。將綜合凝固系數(shù)代入式(1)可以計(jì)算出液相穴的長(zhǎng)度值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,射釘位置選擇在電磁攪拌下方距彎月面距離為9.63u3000m的位置。1.2凝固坯殼厚度的確定采用射釘法判斷連鑄坯凝固坯殼厚度主要有2個(gè)判據(jù):1)以釘子形貌來判斷;2)以硫印示蹤作為判斷。如圖1所示,通過觀察釘子在鑄坯中的熔化情況,即可確定凝固坯殼的厚度,并分為3個(gè)區(qū):a區(qū):釘子形狀與原來相比無變化,和鑄坯具有不同的組織,則為固相區(qū);b區(qū):釘子周邊有毛刺,說明釘子有少許熔融,則為固液兩相區(qū);c區(qū):釘子形狀發(fā)生變化,直徑變細(xì)或全部熔化,說明釘子周圍有明顯熔化現(xiàn)象,則為液相區(qū)。2u3000硬化系數(shù)的測(cè)定和影響分析2.1u3000材料根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,改變鑄坯生產(chǎn)的拉速和比水量,82B鋼拉速1.6、1.8u3000m/min,比水量0.6、1.0L/kg;60Si2MnA鋼拉速1.5u3000m/min、比水量0.43u3000L/kg。表1為濟(jì)源鋼廠進(jìn)行射釘試驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分。上述鋼種均是等拉速穩(wěn)定以后進(jìn)行射釘操作,并且鑄坯澆鑄的過熱度控制在20~30℃,每種工況下進(jìn)行至少2次有效射釘試驗(yàn),2號(hào)連鑄機(jī)的弧形半徑為10u3000m。2.2鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)對(duì)所得到的試樣在濟(jì)源一鋼廠機(jī)械加工廠進(jìn)行酸浸處理,以釘子形貌變化為測(cè)量依據(jù),對(duì)同一工藝下的幾次射釘試樣多次測(cè)量,取測(cè)量的平均值作為鑄坯坯殼厚度。經(jīng)過熱酸洗后可得到圖2中的82B鋼和60Si2MnA鋼的典型射釘試樣。同時(shí),根據(jù)以上凝固定律式(1)和式(2),可分別計(jì)算以上幾個(gè)鋼種的液相穴長(zhǎng)度和鑄機(jī)綜合凝固系數(shù),結(jié)果見表2所示。從表2中可以看出,拉速在1.6~1.8u3000m/min,比水量在0.60~1.00L/kg變化時(shí),82B鋼綜合凝固系數(shù)在28.03~29.76mm/min1/2,對(duì)應(yīng)液相穴長(zhǎng)度在10.16~12.71u3000m,說明拉速和比水量對(duì)82B鋼的綜合凝固系數(shù)和液相穴長(zhǎng)度影響均較大;拉速在1.5u3000m/min,比水量為0.43u3000L/kg時(shí),60Si2MnA鋼綜合凝固系數(shù)的平均值為27.58u3000mm/min1/2,對(duì)應(yīng)液相穴長(zhǎng)度的平均值為13.43u3000m。2.3過熱力對(duì)綜合凝固系數(shù)的影響根據(jù)凝固定律,鑄機(jī)的綜合凝固系數(shù)與鑄機(jī)的拉速、二冷區(qū)的比水量、澆鑄的過熱度、拉速穩(wěn)定的時(shí)間以及環(huán)境因素均存在一定的關(guān)系,試驗(yàn)研究中控制澆鑄過熱度在20~30℃變化。圖3是通過ProCAST凝固模擬軟件對(duì)濟(jì)源一鋼廠60Si2MnA鋼進(jìn)行的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果,通過軟件模擬出鋼水過熱度和液相穴長(zhǎng)度之間的關(guān)系,通過計(jì)算得出過熱度對(duì)綜合凝固系數(shù)的影響。在過熱度由10℃提高到50℃,液相穴長(zhǎng)度隨澆鑄過熱度的增加而增加,凝固系數(shù)隨澆鑄過熱度的增加而減小。過熱度在20~30℃變化時(shí),液相穴長(zhǎng)度在10.20~10.50u3000m變化,綜合凝固系數(shù)在30.98~31.44u3000mm/min1/2變化,從而可看出試驗(yàn)過熱度的變化區(qū)間對(duì)鑄坯凝固變化影響相對(duì)較小。在實(shí)際操作中,連鑄鋼水的過熱度要合理控制,過小易使水口發(fā)生堵塞甚至凍結(jié),導(dǎo)致連鑄過程難以進(jìn)行,過大則會(huì)加重鑄坯中心偏析,使坯殼變薄增加裂紋出現(xiàn)幾率,甚至導(dǎo)致拉漏事故的發(fā)生。3u3000f-ms安裝位置的確定電磁攪拌可以打斷柱狀晶的搭橋,有利于鋼液的及時(shí)補(bǔ)充,在鑄坯中心液體完全凝固之前,使用F-EMS來攪動(dòng)糊狀區(qū)以減輕元素的中心偏析,改善中心凝固組織和疏松缺陷,消除中心區(qū)等軸晶滑移和塌落引起的V形偏析。末端電磁攪拌器安裝的位置與鋼種、鑄坯斷面大小、二冷強(qiáng)度和拉速等因素有關(guān),攪拌器位置放置不當(dāng)不僅會(huì)使效果不明顯造成投資浪費(fèi),還會(huì)加重鑄坯中心的偏析,應(yīng)安裝在凝固末端稍前方固液兩相區(qū)的位置。對(duì)一般小方坯(斷面不超過220u3000mm×220u3000mm)電磁攪拌來說,F-EMS安裝位置的要求主要有以下幾種:1)鑄坯中液芯厚度為40~55u3000mm的位置處;2)安裝在固相率為fs=0.2~0.7;國(guó)內(nèi)沙鋼集團(tuán)有限公司根據(jù)射釘試驗(yàn)和多次試驗(yàn)結(jié)果提出末端電磁攪拌的位置在液芯面積占鑄坯橫截面積的25%~35%時(shí)為最佳。試驗(yàn)對(duì)82B和60Si2MnA小方坯選擇鑄坯中液芯厚度40、45、50u3000mm進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)凝固定律及上述原則,計(jì)算的凝固末端電磁攪拌(F-EMS)位置如表3所示。表3中給出了不同的拉速和比水量對(duì)F-EMS最佳安裝位置的影響,濟(jì)源一鋼廠2號(hào)連鑄機(jī)生產(chǎn)82B和60Si2MnA鋼,推薦選取鑄坯中液芯厚度45u3000mm的位置安裝末端電磁攪拌裝置,即末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離5.40~6.93u3000m時(shí),可滿足鑄機(jī)在工作拉速1.5~1.8m/min時(shí)的工藝要求。目前濟(jì)源一鋼廠2號(hào)連鑄機(jī)F-EMS安裝位置在距彎月面6.15u3000m左右的位置,處在5.40~6.93u3000m電磁攪拌到彎月面距離的計(jì)算位置內(nèi)。在實(shí)際操作中,由于連鑄機(jī)末端電磁攪拌裝置安裝位置已確定,在生產(chǎn)中可通過改變相對(duì)較容易準(zhǔn)確控制的拉速來滿足工藝要求。表4中結(jié)合實(shí)際計(jì)算出了最佳末端電磁攪拌下所對(duì)應(yīng)比水量的拉速優(yōu)化值,其中凝固系數(shù)是通過多次射釘試驗(yàn)測(cè)試取得的平均值,從而進(jìn)行拉速的反推估算。4u3000試驗(yàn)結(jié)果通過對(duì)鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)的測(cè)定和末端電磁攪拌位置的優(yōu)化,針對(duì)目前濟(jì)源一鋼廠其它連鑄工藝參數(shù)不變的條件下,給出各鋼種不同斷面下的拉速優(yōu)化值,并跟蹤調(diào)研,觀察優(yōu)化后鑄坯的偏析情況和凝固組織形貌,并主要從鑄坯碳偏析的角度來了解中心偏析的大小。根據(jù)濟(jì)源一鋼廠提出的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn):如拉速過低會(huì)導(dǎo)致連鑄時(shí)間延長(zhǎng)、生產(chǎn)效率降低,比水量過低又會(huì)導(dǎo)致冷卻不均效果不明顯。綜合考慮后對(duì)比水量和拉速的優(yōu)化值進(jìn)行微調(diào)以滿足實(shí)際需要。圖4是82B鋼在拉速1.8u3000m/min、比水量0.8u3000L/kg,末端電磁攪拌電流強(qiáng)度為320u3000A,60Si2MnA鋼在拉速1.5u3000m/min、比水量1.0L/kg,末端電磁攪拌電流強(qiáng)度為340u3000A條件下的低倍試樣圖,從圖中可以看出,優(yōu)化后的鑄坯組織表面等軸晶率發(fā)展較好,無明顯中心疏松、中間裂紋等缺陷。將多組試樣圖與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖片進(jìn)行對(duì)比和評(píng)級(jí),中心疏松和縮孔級(jí)別由均原來的1.5級(jí)降到1.0級(jí)。另外,取相同條件下的試樣,在橫向截面的低倍中心(凝固中心和幾何中心)和鑄坯4個(gè)角至中心中間位置(共5個(gè)點(diǎn))用直徑5u3000mm鉆頭提取部分屑樣。用低倍中心的碳含量除以鑄坯對(duì)角線一半處4基點(diǎn)碳平均值計(jì)算中心碳偏析值,或用中心碳含量除以該爐次成品碳含量平均值計(jì)算中心碳偏析值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,得到82B鋼和60Si2MnA鋼的碳偏析值如表5所示。其中82B鑄坯樣來自3爐次試驗(yàn)樣,每爐次取一段100u3000mm左右長(zhǎng)度的鑄坯樣進(jìn)行機(jī)加工,每段切割后可得到7塊厚約10u3000mm的方塊樣,最后共得到21個(gè)用于測(cè)碳偏析值的試驗(yàn)樣品。以4基點(diǎn)碳含量計(jì)算的凝固中心的碳偏析為1.00,鑄坯幾何中心的碳偏析為1.05,以成品碳含量計(jì)算的凝固中心的碳偏析為1.01,鑄坯幾何中心的碳偏析為1.06。60Si2MnA鑄坯樣來自2爐次的試驗(yàn)樣,最后可得到14個(gè)用于測(cè)碳偏析值的試驗(yàn)樣品。優(yōu)化結(jié)果得到的碳偏析值較低,碳偏析值都降到了1.11以下。優(yōu)化前濟(jì)鋼一鋼廠2鋼種的中心碳偏析級(jí)別最高的甚至達(dá)到了4.0級(jí)別,鑄坯中心形成明顯的黑色區(qū),從優(yōu)化后的碳偏析值結(jié)果來看,達(dá)到了中心碳偏析值在1.20以下、中心碳偏析級(jí)別高于2.0級(jí)的控制要求。5過熱對(duì)鑄坯凝固的影響1)通過試驗(yàn)得出濟(jì)源一鋼廠82B鋼和60Si2MnA鋼鑄坯凝固坯殼厚度和鑄機(jī)綜合凝固系數(shù),針對(duì)小方坯生產(chǎn),在鑄坯液芯厚度40~50u3000mm的位置安裝末端電磁攪拌較好。2)通過ProCAST軟件模擬60Si2MnA鋼得出鋼水澆鑄過熱度與液相穴長(zhǎng)度和綜合凝固系數(shù)之間存在一定關(guān)系,過熱度在20~30℃變化對(duì)鑄坯凝固影響較小。3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論和生產(chǎn)數(shù)據(jù),研究得出