電渣重熔大型板坯的質(zhì)量控制

耿 鑫，姜周華

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004)

電渣重熔大型板坯的質(zhì)量控制

耿 鑫，姜周華

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004)

電渣重熔大型板坯的內(nèi)部質(zhì)量問題主要是氫含量的控制和偏析的控制;電渣重熔大型板坯的表面質(zhì)量問題主要為波紋、重皮或漏渣以及凹陷或鑄錠不飽滿等表面缺陷.本文旨在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際探討電渣重熔大型板坯的質(zhì)量控制方法.

電渣重熔;大型板坯;質(zhì)量控制

電渣重熔大型板坯技術(shù)作為冶煉優(yōu)質(zhì)特厚板的一種手段，以其優(yōu)良的冶金反應(yīng)條件及特殊的結(jié)晶方式有著其他煉鋼方法所不能替代的優(yōu)越性.但由于大型板坯電渣重熔爐的溫度場及冷卻條件的不均勻性，導(dǎo)致了電渣重熔大型板坯的質(zhì)量控制與傳統(tǒng)電渣重熔存在著較大區(qū)別.因此，如何能有效地控制電渣重熔大型板坯的內(nèi)、外部質(zhì)量就顯得尤為重要.

1 內(nèi)部質(zhì)量控制

1.1 電渣重熔大型板坯氫含量的控制

M.Nishiwaki等［1］指出在電渣重熔截面為510 mm×2 400 mm的板坯錠時，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1×10－6即可出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼板經(jīng)探傷后經(jīng)常出現(xiàn)點(diǎn)狀密集型缺陷，也有學(xué)者認(rèn)為這種探傷缺陷即為白點(diǎn)缺陷，尤其在雨季來臨后，這種探傷缺陷出現(xiàn)的頻率明顯增大.所以我們采用了嚴(yán)格的渣料烘烤制度(見表1)以及將經(jīng)干燥處理后的壓縮空氣輸入到渣池上方來控制鑄錠中的氫含量.經(jīng)過上述措施后，鑄錠的探傷合格率明顯得到改善.

圖1 氫含量對白點(diǎn)缺陷的影響［1］Fig.1 Effect of hydrogen content on flake defects［1］

1.2 電渣重熔大型板坯偏析的控制

與其他方法生產(chǎn)的鋼錠相比，電渣重熔大型板坯錠更易產(chǎn)生偏析.例如新日鐵八幡廠在電渣重熔厚度為510 mm的板坯時發(fā)現(xiàn)，熔速快時，鑄錠冷卻速度不足，易出現(xiàn)類似于連鑄坯中“V”型偏析的帶狀偏析.

表1 渣料烘烤制度Table 1 Slag baking system

有文獻(xiàn)［2］指出低熔化率和深渣池操作都有利于降低金屬熔池深度和液態(tài)金屬的運(yùn)動，利用低熔化率的方法可以顯著降低偏析的出現(xiàn)，但當(dāng)熔速過低時錠表面會出現(xiàn)波紋等嚴(yán)重的表面缺陷.利用深渣池操作可降低偏析的程度，但不能完全去除.

圖2 八幡廠沒有采用二次噴霧冷卻510 mm板坯的縱剖面低倍圖［2］Fig.2 Macrograph of longitudinal 510 mm slab ingot with non secondary cooling［2］

圖3 渣池深度及熔化速度對偏析密度的影響［2］Fig.3 Effect of the depth of slag pool and remelting rate on Segregation density［2］

八幡廠［2］采用二次噴霧冷卻來加強(qiáng)冷卻效果的方法去除偏析的出現(xiàn)，實(shí)踐證明利用此方法可完全去除偏析的出現(xiàn).圖4是采用二次冷卻板坯的縱剖面低倍組織圖，從圖中可以看出，對鑄坯采用二次冷卻后，熔池深度及兩相區(qū)寬度都有大幅度下降.

圖4 八幡廠采用二次噴霧冷卻510 mm板坯的縱剖面低倍圖［2］Fig.4 Macrograph of longitudinal 510 mm slab ingot with secondary cooling［2］

在實(shí)際生產(chǎn)中我們采用了二次噴氣冷卻的方法，即對已抽出的鑄錠表面噴吹壓縮空氣來加強(qiáng)鑄錠的冷卻效果.為考察鑄錠成分的均勻性，我們待鑄錠按頭尾方向經(jīng)軋制后，在板坯的頭尾3個不同位置取條狀試樣，具體取樣位置如圖5所示，每個位置取一條全厚度試樣，進(jìn)行成分偏析情況分析.

圖5 板坯取樣示意圖Fig.5 Sketch map of plates for sampling

對圖5所取得的各條試樣進(jìn)行了宏觀成分分析，并應(yīng)用公式(1)計算了鋼錠的宏觀偏析率指數(shù).

從計算結(jié)果看，除了個別元素的某些位置達(dá)到宏觀偏析率在0.86～1.12范圍外，大部分元素的偏析率都能夠控制在0.95～1.05范圍內(nèi).

2 表面質(zhì)量控制

2.1 電渣重熔大型板坯表面質(zhì)量的主要缺陷

2.1.1 波紋

熔化速度不夠大時或功率不足時出現(xiàn)波紋，并伴有渣皮過厚.對于截面尺寸較小的鑄錠，主要發(fā)生在鑄錠下部，如圖6所示;對于截面尺寸較大的鑄錠，則整支鑄錠從上至下都有，如圖7所示.

圖6 620 mm×1 950 mm鑄錠下部典型表面質(zhì)量Fig.6 Typical surface quality of 620 mm×1 950 mm slab ingot

圖7 950 mm×2 000 mm典型表面質(zhì)量Fig.7 Typical surface quality of 950 mm×2 000 mm slab ingot

2.1.2 重皮或漏渣

重皮或漏渣主要出現(xiàn)在鑄錠中上部，當(dāng)渣－金界面溫度過高時出現(xiàn)，如圖8所示.主要原因?yàn)?重熔后期，渣金界面溫度過高從而導(dǎo)致渣皮破裂或完全熔化，鋼液或渣液從中流出;渣系熔點(diǎn)較低，渣系的塑性及強(qiáng)度較差，在結(jié)晶器移動過程中，由于受到滑動摩擦力而破裂;結(jié)晶器錐度較小，鑄錠與結(jié)晶器間隙過大，結(jié)晶器對鑄錠冷卻不良;充填比過大，自耗電極與結(jié)晶器距離較小，在靠近結(jié)晶器側(cè)，滴落的熔滴帶入大量熱量;另外，渣量過小導(dǎo)致渣池溫度升高，也易出現(xiàn)重皮或漏渣.

圖8 典型鑄坯重皮、漏渣缺陷Fig.8 Typical surface defect of double skin or bleed

圖9 典型鑄坯凹陷缺陷Fig.9 Typical surface defect of dent marks

2.1.3 凹陷或鑄錠不飽滿

這類缺陷在渣系中Al2O3含量較高時出現(xiàn)，與結(jié)晶器接觸的渣皮中幾乎全為高熔點(diǎn)的純Al2O3，如圖9所示.

2.2 影響電渣重熔大型板坯表面質(zhì)量的主要因素

2.2.1 渣系對鑄坯表面質(zhì)量的影響

(1)渣皮厚度及其變化對錠表面質(zhì)量的影響關(guān)系

渣皮厚度是影響電渣重熔錠表面質(zhì)量的重要因素之一.當(dāng)渣皮厚度保持不變或變化很小，則錠表面成型較好且光滑;當(dāng)錠表面的某一部分渣皮厚度發(fā)生劇變時，則在該部位發(fā)生渣溝、重皮和漏渣等鑄錠表面缺陷.

在大型板坯電渣重熔過程中，由于鑄錠與結(jié)晶器作相對移動容易產(chǎn)生渣池中溫度場的波動，這種溫度場的頻繁變化將對渣皮厚度的均勻性產(chǎn)生不利影響，這就要求在大型板坯電渣重熔過程中要使用具有適當(dāng)?shù)偷酿ざ燃傲己玫酿ざ确€(wěn)定性的渣系.渣系黏度低而穩(wěn)定性好的渣，可獲得厚度均勻的渣皮，從而有利于鋼錠表面質(zhì)量的提高.反之，渣黏度隨溫度變化產(chǎn)生突變，當(dāng)渣池中溫度場變化時，渣皮就會突然增厚或變薄，錠表面則易出現(xiàn)渣溝、波紋、重皮和漏渣等表面缺陷.

渣－金界面的溫度分布決定了結(jié)晶器內(nèi)壁附近的溫度場，進(jìn)而影響到渣皮厚度.有文獻(xiàn)［3，4］指出，渣皮厚度是渣池溫度和渣系的函數(shù)，在渣系一定的情況下，則渣皮厚度為渣池溫度的函數(shù)，而渣池溫度值在其他條件相同時，可通過輸入功率(U和I)來控制.

圖10 爐渣溫度對渣皮厚度的影響［5］Fig.10 Effect of slag temperature on skin thickness

褚海明［5］研究了爐渣溫度對渣皮厚度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.從圖中可以看出，要達(dá)到2～3 mm厚的渣皮，爐渣的溫度要大于1 580℃，提高爐渣溫度，能獲得較薄的渣皮和較光滑的鋼錠表面.渣溫高也會使熔化速度加快，金屬熔池加深，導(dǎo)致電渣鋼錠冶金缺陷的產(chǎn)生.爐渣溫度在1 540～1 580℃之間，渣皮厚度可達(dá)3～6 mm，隨著熔化速度的降低，渣皮厚度也可達(dá)8～9 mm.

(2)渣系力學(xué)性能對錠表面質(zhì)量的影響

在大型板坯電渣重熔生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器與鑄錠作相對移動，固態(tài)渣皮承受著來自結(jié)晶器壁和鋼錠表面兩方面的摩擦阻力.在這個阻力作用下，渣皮容易發(fā)生脆性斷裂，使鋼液或渣液從熔池中流出，形成重皮、漏渣等表面缺陷，導(dǎo)致鑄錠表面質(zhì)量惡化.因此，要求固態(tài)渣皮在高溫下應(yīng)有合適的摩擦系數(shù)、強(qiáng)度及塑性.

梁連科［8］給出了渣系成分對含CaF2渣系與結(jié)晶器間的靜摩擦力和動摩擦力的影響.結(jié)果指出，當(dāng)SiO2含量增加時，摩擦阻力減少;當(dāng)Al2O3含量增加時，摩擦阻力增大.

于仁波［9］等指出，渣的組成和巖相結(jié)構(gòu)對渣的高溫力學(xué)性能有較大影響，當(dāng)渣中加入適當(dāng)?shù)腁l2O3和MgO后，渣中存在高硬度、高熔點(diǎn)礦相，如尖晶石和黃長石.這類礦物在高溫下(1 200℃)不易變形，可在渣中起強(qiáng)化作用，提高渣的強(qiáng)度;同時，渣中這些強(qiáng)化相的分布形態(tài)也很重要，只有當(dāng)它們均勻分布且尺寸較細(xì)時，才能使渣強(qiáng)度提高.

同時文獻(xiàn)［9］還指出當(dāng)向渣中加入SiO2時，容易生成易發(fā)生塑性變形的礦物、非晶質(zhì)礦物和低熔物相，這些物相在高溫應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生變形或軟化，從而提高了渣的塑性變形能力.而且SiO2可以抑制其他礦物的長大，使一些高硬度質(zhì)點(diǎn)的以細(xì)小形式彌散分布在基體中，改善了渣的高溫強(qiáng)度和塑性.

2.2.2 熔池的輸入功率對鑄坯表面質(zhì)量的影響

熔池的輸入功率不足(特別是工作電壓過低)，導(dǎo)致渣池溫度偏低，將影響渣皮的厚度及其均勻性.電渣重熔過程中，電流對鑄坯表面質(zhì)量的影響是復(fù)雜的.一般認(rèn)為電流、電壓過低，熔渣溫度降低，渣皮過厚造成鋼錠表面凸凹不平.電流電壓的波動都會引起鑄坯表面質(zhì)量的變化，但電流與電壓相比，一般電壓對鑄坯表面質(zhì)量的影響更為明顯.圖11為電壓對鑄坯表面質(zhì)量的影響統(tǒng)計圖.從圖中可以看出，電壓相差5V，鑄坯表面質(zhì)量將變化一級;而電流即使波動1/10，一般鑄坯表面質(zhì)量也不會有明顯的變化(低碳高合金鋼例外).

圖11 電壓對鋼錠表面質(zhì)量的影響Fig.11 Effect of voltage on ingot surfaces’quality

2.2.3 電極直徑(充填比)對鑄坯表面質(zhì)量的影響

在傳統(tǒng)電渣重熔中，一般認(rèn)為，大充填比重熔，電極末端的形狀由圓錐形向平面(甚至凹面)轉(zhuǎn)變.由于渣面輻射熱損失減少，在渣池中向電極的傳熱比例增加，再加上渣池電流分布和溫度分布的均勻化，在相同熔速下，熔池上部圓柱段高度明顯增加，熔池形狀變得淺平，有利于表面質(zhì)量和結(jié)晶質(zhì)量的改善.然而在大型板坯電渣重熔過程中，大充填比重熔導(dǎo)致自耗電極與結(jié)晶器距離較小，在靠近結(jié)晶器側(cè)，滴落的熔滴帶入大量熱量，易出現(xiàn)重皮或漏渣等表面缺陷.Schumann和Ellebrecht［10］指出在移動式結(jié)晶器操作中，建議渣池操作溫度要比靜止方式高25℃，而且要用低的充填比.

2.2.4 抬結(jié)晶器速度控制方式的影響

在大型板坯電渣重熔生產(chǎn)過程中，鑄坯與結(jié)晶器之間總是處于相對運(yùn)動過程中，抬結(jié)晶器速度的穩(wěn)定對鑄坯表面質(zhì)量影響也很大.抬結(jié)晶器速度的突然增加，會使鑄坯與渣殼之間的摩擦力增大，輕則導(dǎo)致渣殼破裂出現(xiàn)重皮或漏渣等表面缺陷，重則會使結(jié)晶器變形.所以，在抬結(jié)晶器過程中要求速度變化平緩.

2.2.5 渣量對鑄坯表面質(zhì)量的影響

渣量過小由于渣池的熱損失減小導(dǎo)致渣池溫度升高，易出現(xiàn)重皮或漏渣等表面缺陷;反之，渣量過大時渣池溫度降低使錠下部表面質(zhì)量惡化.

2.3 實(shí)際生產(chǎn)中的表面質(zhì)量控制效果

根據(jù)以上分析，我們對實(shí)際生產(chǎn)中的填充比、渣系、渣量、供電制度、抬結(jié)晶器速度控制方式等工藝做了優(yōu)化和調(diào)整.電渣坯的表面質(zhì)量明顯改善和提高.圖12和圖13是工藝優(yōu)化的電渣錠表面質(zhì)量.

圖12 16MnR(HIC)鋼典型表面質(zhì)量Fig.13 Typical surface quality of 16MnR(HIC)steel

圖13 WSM718R鋼典型表面質(zhì)量Fig.13 Typical surface quality of WSM718R steel

3 結(jié)論

(1)在實(shí)際生產(chǎn)中，采用了嚴(yán)格的渣料烘烤制度以及將經(jīng)干燥處理后的壓縮空氣輸入到渣池上方可以有效控制鑄錠中的氫含量.

(2)采用二次噴氣冷卻的方法，即對已抽出的鑄錠表面噴吹壓縮空氣來加強(qiáng)鑄錠的冷卻效果，可以有效控制成分偏析情況.從計算結(jié)果看，除了個別元素的某些位置達(dá)到宏觀偏析率在0.86～1.12范圍外，大部分元素的偏析率都能夠控制在0.95～1.05范圍內(nèi).

(3)電渣重熔大型板坯錠主要表面質(zhì)量問題為波紋、重皮或漏渣以及凹陷或鑄錠不飽滿等缺陷.

(4)渣系、渣池的輸入功率、充填比、結(jié)晶器錐度以及抬結(jié)晶器速度控制方式等是影響電渣重熔大型板坯錠表面質(zhì)量的主要因素.

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Quality control of large slab ingot by ESR

GENG Xin，JIANG Zhou-hua

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The main problem of internal quality of large slab ingot by ESR is the control of hydrogen content and segregation.The main problem of surface quality of large slab ingot by ESR is ripples，double skin or bleed and dent marks or not full of ingots.The article aims to summarize previous work，investigate the quality control methods of large slab ingot by ESR with the actual production.

ESR;large slab ingot;quality control

TF 744

A

1671-6620(2011)S1-0077-04

2010-10-15.

耿鑫 (1979—)，男，遼寧本溪人，東北大學(xué)講師，E－mail:gengx@smm.neu.edu.cn.