特殊钢连铸--讲义

王龙

特殊钢连铸




蔡燮鳌  承江








一．前言
特殊钢的涵义及理解世界各国很不一致，各有各的解释，即使是国内也不完全相同，暂且我们作模糊处理，现把较为认同的观点介绍给大家。
1．        特殊钢：一般指有特殊的化学成份，特殊的组织和性能，满足特殊需要的
钢种。它广泛应用于航天航空、汽车、机械、化工、石油、电力、国防军工等各个经济部门。我国特殊钢 (简称八大类)主要为合金钢，其中包括：合金结构钢、合金工具钢、轴承钢、合金弹簧钢、不锈钢、耐热钢、高速工具钢等。经过近几年的发展，我国特殊钢生产虽然有了一定的基础，目前我国特殊钢产量，除日本外，己居世界第二，2003年产量2000万吨左右，约占总量的8%。但国企特钢仍困难重重，后来掀起的民企和合资特殊钢企业虽然发展迅速，但绝大多数企业品种不齐、产品质量差、能源消耗高、劳动生产率低、成本高，一些高附加值产品仍然依赖进口。每年尚有几百万吨的进口量，虽有少量出口，但也是低档次、低价格甩卖，为占国外市场。造成这种现象的根本原因之一是我国特殊钢连铸生产的工艺、技术、装备与国际先进水平相比差距较大。与普碳钢连铸相比，我国特殊钢连铸技术明显落后。虽然我国的连铸比己达到93%，但特殊钢连铸比却只有60%，与发达国家的距离较大。国外特殊钢生产企业，除了在生产少量用于特殊用途目前连铸无法生产的个别钢种仍采用模铸工艺外，其它大部份都采用连铸工艺来生产，有些国家的特殊钢连铸比己达到95%以上。
降本和提高质量是企业永恒的主题，连铸给特殊钢生产提高10%左右的成材
率，将带来可贵的经济效益，目前要靠降低消耗来取得是十分困难，因此国内各特殊钢生产企业对连铸都十分重视，解决特殊钢连铸的技术问题使最终产品满足用户要求，作为降低成本，提高特钢核心竞争力进行攻关。
    2．连铸特点：
    (1)可以避免二次氧化(采用全保护浇注)，减少二次污染(模铸有汤道中注管等耐火砖浇注过程钢流对它有冲刷作用)。
    (2)连铸实现连续化、机械化生产，可以实现自动化操作，提高生效率，改善工人劳动条件和劳动强度。
(3)钢水收得率高(无汤道中注管，多炉连浇铸余少)，钢坯成材率高(铸坯没有帽口，成材率约提高10%左右)。
(4)浇注时，钢水过热度低(模铸下注在80℃左右，而连铸水平高的在 10℃~l5℃) 因此，钢液中气体溶解度低，气体含量低。
    (5)连铸钢水注入方式对结晶器内流场，温度场不合理。
    (6)由于连铸的特殊凝固条件，容易产生"小钢锭效应"(搭桥)形成中心疏松、缩孔，容易产生成份偏析和结构偏析。
    (7)若工艺参数选择不当，保护渣选择不合理，会产生边裂、角裂、内裂、皮下气泡、皮下夹杂、表面结疤、振痕、低倍夹杂等缺陷。
    3．特殊钢连铸特点:
    大包一上回转台，标志着连铸开始，同时也标志着炼钢的化学冶金过程基本结束，以后主要是物理冶金过程，这个阶段对炼钢而言十分重要，目前许多新的冶金理论在这一阶段都有所体现 (凝固理论、场论、传质传输、中间包保冶金、结晶器冶金、保护渣的吸附夹杂能力和控制传热等)。                                       
①        由于特殊钢中的合金元素较多，含量较高，碳含量范围大 (0.02~2.3%C)，
因此其凝固特性与普钢有所不同。
②        特殊钢质量要求比普钢高，如纯洁度、均匀性、气体含量、低倍组织，夹
杂物形态等等。
③        有些特殊钢中含有Cr、V、Ti、Nb、Al等活泼元素，极易与氧、氮反应生
成高熔点化合物，给铸坯质量带来一定危害。有些合金元素与钢中碳生成碳化物，给最终产品组织均匀性带来一定困难。
④        由于连铸过程的特殊冷却凝固条件使"小钢锭效应"成份偏析和结构偏析更
为突出。
因此，特殊钢在生产过程中，为保证最终产品的质量，除了在炼钢、精炼过程中尽量提高钢液纯洁度、减少夹杂物，改善夹杂物形态外，在连铸过程中，必须采取必要的措施，否则会前功尽弃。这些措施的目的归结起来主要是防止钢液二次污染，提高钢的洁净度，提高连铸坯的均匀性，减少连铸坯的表面及内部缺陷。减少凝固过程中产生的成份和结构的偏析(当然最后一个题目是最难解决的问题)。
二．目前国内外主要采取的技术措施:
    1．保护浇铸技术
    绝大部份的特殊钢对钢水洁净度有严格要求(如轴承钢、齿轮钢、弹簧钢对[O]硬线82B  B钢对[N]，大部份特殊钢对夹杂物有要求)，因此防止浇铸过程中钢水与空气接触产生二次氧化及吸氮非常重要，采取措施是钢包至中间包，中间包至结晶器的全过程保护浇铸。钢包至中间包的保护，是将钢包的钢水流经一个较长的耐火材料保护管进入中间包内称长水口，保护管的下口浸入中间包的钢水中，长水口与钢包下水口的连接处，通入氩气并使之保持正压，防止空气进入。中间包至结晶器采用浸入式水口也采用相似方法进行保护。但浸入深度不宜过深和过浅，要根据铸坯断面而定。此外，中间包开浇前充惰性气体排除空气，浇铸过程中中间包采用复盖剂保护或采用密封并充惰性气体保护，结晶器采用保护渣。
    2．中间包冶金技术
    中间包冶金技术对特殊钢任何钢种都很重要，目的是使温度场和流场更为合理，大颗粒夹杂物去除。
①        中间包加热。为了提高铸坯等轴晶率，减轻中心偏析，在连铸过程中尽
量保证低的钢水过热度。但低的过热度浇铸又易造成中间包水口冻洁等事故，破坏正常的生产节奏，为了保证中间包内钢水温度稳定，防止开浇初期换钢包、换中间包，浇铸末期时温度过低，采用中间包加热，目前广泛采用电磁感应加热或等离子加热技术对中包补充热能。
②        中间包流场优化设计。中间包内钢水流动状态对夹杂物上浮，各铸流间
温度的均匀有重要影响，为了增大夹杂物在中间包内的上浮机会，特殊钢连铸一般采用大容量深溶池中间包，钢水在中包停留时间要在 10分钟以上，液面高度最好在 650mm以上，以防旋流作用。包内砌有挡墙和坝，采用计算机仿真模型试验和现场试验相结合的方法对中间包内腔形状及挡墙和坝的位置，高度等参数进行优化设计，得到最佳的流场和温度场，使夹杂物在中间包内充分上浮，各流结晶温度均匀，提高钢水净洁度。
③        中间包过滤技术。对于纯洁度要求较高的钢种，如轮胎钢丝(钢帘线)、
轴承钢等，中间包采用多孔的耐火材料作为过滤器以进一步去除钢水中的Al2O3夹杂物的方法应引起广泛的重视。在多种过滤器中，陶瓷泡沫器具有比表面积大、压力损失小、高温力学性能好等优点，不仅能去除大颗粒夹杂，而且能够去除小于50微米的夹杂。
   3．电磁搅拌技术
    电磁搅拌能改善结晶器内温度场和流场，减小中心到凝固前沿的温度梯度，提高铸坯等轴晶率，降低中心偏析、疏松等缺陷消除皮下气泡及针孔，去除夹杂物等在特殊钢连铸中己被广泛采用。国外特钢连铸机大部份采用结晶器，二冷区，凝固末端的三级联合搅拌而国内大部份特钢连铸机只采用结晶器电磁搅拌，少数连铸机采用结晶器和末端搅拌几乎没有采用多级联合搅拌的铸机(对大方坯而言，更为重要)。
    4．凝固末端轻压下技术。用拉矫机的压下辊或用专门的压下装置在连铸坯的凝固末端进行适量压下(轻压下)，把高浓度含碳钢液往上挤，能够较好地减轻铸坯的中心偏析及疏松。如高碳钢硬线轴承钢等高碳钢种对中心偏析要求极为严格，采用轻压下是控制中心偏析的有效措施之一，国外新建和改造的大方坯铸机大多采用此项技术，国内大方坯连铸机凝固末端轻压下技术仅进行试验(西宁钢厂)，但由于连铸操作工艺不稳定(铸温、拉速、钢种)液芯位置选择不当，压下率设定不合理等原因，效果不甚理想。这项技术要取得满意的效果，必须由稳定的工艺参数作保证 。
5．特钢连铸专用覆盖剂，保护渣技术
覆盖剂、保护渣覆盖在中间包和结晶器钢液表面，起到钢液保温和阻止空气与钢液的直接接触，避免钢液的二次氧化和吸但氮，液渣层具有吸附钢液中上浮夹杂物不再回到钢液达到清洁钢液的作用。同时，保护渣的液渣是润滑结晶和铸坯表面作用，减少拉矫阻力，又是铸坯与结晶器之间散热的中间层，控制传热能改善铸坯的结晶组织，因此，保护渣的性能对特殊钢连铸坯的质量有至关重要的影响，尤其是铸坯的表面质量与保护渣有直接关系。保护渣的理化性能取决于它的配方(化学成份)和物理特性。国外对特殊钢专用保护渣的开发非常重视，保护渣配方要根据具体钢种浇铸断面，拉速，结晶器振动参数等工艺因素综合考虑，并根据生产实际适当调整。而国内不管钢种碳高、碳低，含什么合金元素，元素含量多少，断面大小;拉速快慢，振幅高低，频率高低甚至只采用一种所谓"通用保护渣"。这能得到良好的铸坯表面吗?
6．自动化技术
国外先进的特殊钢连铸机一般都配备钢包下渣检测，结晶器液面自动控制，自动开浇，二冷动态配水，保护渣自动加入，铸坯缺陷自动检测，自动分流分段，计算机质量评价系统(专家判定系统)等各种先进的自动化技术，所有主要功能均实现自动化。这些措施极大地减少人为因素对产品质量的干扰，使产品检查和精整率降低到最小程度。
如此之外，还有结晶器冶金技术，电脉冲孕育、低过热度浇注、钢液流动控制、电磁制动、电磁软接触，控制传热等技术。
当然，上面提到的技术中有些对所有的特殊钢种都是必须的，而有些只对某一类特殊钢来说是必要的，不能一概而论，在实际生产中不可能也没有必要将上述所有技术都应用到同一台连铸机上。而应根据生产的具体钢种和断面的需要选择其中几种关键技术措施。采取上述技术措施，无疑会增加设备的投资及生产成本，但这样做对保证特钢铸坯的质量，开发新的连铸品种都是有益的。
    三．特钢连铸工艺参数:
     特殊钢凝固收缩比普钢大，导热性差，组织应力大，表面质量和内在质量要求高，对中心疏松和偏析要求严，由于上述因素决定了特殊钢连铸的工艺参数有别与碳钢。因此拉速、过热度、二冷配水、结晶器锥度、振频、振幅，除采用理论计算外，还必须结合实践进行调整。
    原则上特殊钢连铸拉速要慢，过热度要低(不锈钢适当高些)，二冷要弱冷均匀;结晶最好采用双锥度浇高碳和低碳钢种最好结晶锥度有区别，振频快，振幅低。
    根据特钢最终产品形状不同，连铸坯可以采用板坯、大方坯、小方坯来生产。由于特钢连铸坯是铸坯不可能完全消除偏析，疏松，缩孔等凝固缺陷。但可以通过轧制过程来加以改善甚至消除，除了高碳钢需要高温扩散和增大压缩比，减轻碳化物不均匀度，更为重要的是轧钢必须转变观念，要从传统的轧钢只是变形得到最终产品形状，转变到如何以连铸为中心，为连铸配套服务，改变传统的孔型设计，在初轧阶段使轧件中心有较大的压缩力。减轻和消除疏松、偏析、缩孔等凝固缺陷。
    四．结束语:
①        特殊钢长形产品和轴承钢等大多采用大方坯的工艺来生产，与国外相比，
我国特殊钢大方坯连铸技术尤为落后，国外目前能够浇铸的铸坯断面可达 600×600mm,而国内可浇铸的最大规格的大方坯也只能达320×4l0mn(大冶R15111350×470mm)。
②        技术装备不配套。我国现有的特殊钢大方坯在连铸机全套或主体设备从
国外引进。但所需的技术软件和装备不能同步配套。例如有的特钢连铸机在引进时只配备了电磁搅拌装置没有其它技术措施，可能由于考虑投资和生产成本，或者在当时技术尚不成熟，或者主管技术人员对特殊钢连铸理解不深不透而没有配备，还有极个别是所有技术都想采用。
③        另一个倾向是个别技术决策者由于对特殊钢了解不透，想把所有技术用
到一台连铸机上，用什么样的技术，采用哪几种是要根据产品要求而定。
④个别铸机投产后，没有注重采用各种成熟的先进技术，加上工艺参数不稳定，因而生产时出现许多质量问题，只能依靠有限的手段来弥补或减轻，在扩大连铸品种方面也受到很大限制。
    总而言之，特殊钢连铸是一项复杂系统的技术，需要在连铸的不同环节采用各种子技术措施来保证连铸坯质量。为了改变我国特殊钢连铸技术的落后现状，对国内特殊钢企业来说，应尽快根据本企业产品大纲选择采用当前先进成熟技术来提高现有特殊钢连铸机的配套装备水平，进一步提高特殊钢连铸坯的质量扩大品种，在消化吸收引进特钢连铸技术装备的基础上不断创新。与此同时，更重要的是，国内特殊钢企业和科研单位应集中优势力量开发具有自主知识产权的特钢连铸装备和工艺，别人也不会把最先进的技术卖给你，跟在别人后面引进总是落后于人，只有创新开发才能立于不败之地，争取在最短的时间内使用我国的特钢连铸技术走在世界前列。