CONCAST大方坯連鑄機末端電磁攪拌位置的優化

秦鳳婷,劉宗輝,張　琳

(1.濟源職業技術學院冶金化工系，河南濟源459000；2.河南濟源鋼鐵(集團)公司，河南濟源459000)

?

CONCAST大方坯連鑄機末端電磁攪拌位置的優化

秦鳳婷1,劉宗輝2,張琳1

(1.濟源職業技術學院冶金化工系，河南濟源459000；2.河南濟源鋼鐵(集團)公司，河南濟源459000)

針對河南濟源鋼鐵(集團)有限公司煉鋼廠進口CONCAST大方坯連鑄機(5#)典型鋼種低碳鋼(20CrMnTi/H)、中碳鋼(42CrMo/A)、高碳鋼(GCr15-K)進行了射釘實驗，測定了二冷區的坯殼凝固厚度，根據鑄坯凝固定律計算了液相穴長度和綜合凝固系數分別為30.0、29.5、24.5 m和25.3、25.5、27.1 mm/min1/2，對目前CONCAST大方坯連鑄機(5#)的末端電磁攪拌位置進行重新評估，通過計算提出凝固末端電磁攪拌最優安裝位置距彎月面距離在11.88～14.99 m之間

射釘法； 大方坯連鑄； 末端電磁攪拌； 綜合凝固系數

連鑄坯內部中心疏松、中心縮孔和中心偏析是連鑄坯主要的內部缺陷.為了提高液態金屬的補縮能力、解決中心縮孔問題、提高連鑄坯質量，近年來,企業普遍采用鑄坯凝固末端電磁攪拌(F-EMS)技術[1].然而實際生產過程中,很難直接測量出凝固末端位置，電磁攪拌效果不明顯，因此，確定在不同的澆鑄工藝條件下的凝固末端位置成為實施凝固末端電磁攪拌技術的核心問題[2].

濟源鋼鐵公司為了開發高端優特鋼大棒材，于2012年引進一臺CONCAST大方坯連鑄機，于2013年5月順利投產，該鑄機以400 mm×500 mm 斷面為主，同時兼顧300 mm×370 mm和φ600 mm圓坯兩個斷面，為國內第三臺同類型全設備進口連鑄機.配備全保護澆注系統、渦流結晶器液面控制系統、動態配水及輕壓下技術、低碳鋼鑄坯表面淬火技術等.該鑄機自投產以來，整個設備運行良好，所生產鋼種包括低碳鋼和高碳鋼.但低碳鋼內部碳偏析指數一直較高，中心碳偏析指數甚至高達1.2，目前末端電磁攪拌的安裝位置距彎月面距離為14.9 m，為了兼顧低、高碳鋼的生產，有必要對該臺鑄機的綜合凝固情況進行測定.

1　連鑄機主要參數及射釘工藝

1.1連鑄機主要參數

為了準確地掌握鑄機的綜合冷卻特性，濟源鋼鐵公司針對煉鋼廠CONCAST大方坯連鑄機(5#)的部分鋼種末端電磁攪拌(F-EMS)效果不明顯的現象，于 2015年9月采用鑄坯射釘法分別對典型鋼種20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K鋼(400 mm×500 mm，試驗斷面都是該斷面)進行了鑄坯凝固坯殼厚度測定研究.利用測試結果計算液相穴長度和綜合凝固系數，并針對目前的末端電磁攪拌位置進行重新評估，通過計算提出凝固末端電磁攪拌安裝位置的優化數據，CONCAST鑄機主要設備參數見表1.

表1　CONCAST連鑄機主要技術參數

1.2射釘實驗

1.2.1射釘位置的選取

根據理論預測和現場條件，射釘位置選擇在5#連鑄機第3流距離結晶器彎液面11.39 m和18.14 m兩個位置.各鋼種在恒定拉速和比水量條件下開展射釘試驗.分別將射釘試驗三個鋼種編號為1(20CrMnTi/H)、2(42CrMo/A)、3(GCr15-K)，每個鋼種射釘試樣編號為1-1、1-2、1-3；2-1、2-2；3-1、3-2等，取測量的平均值作為該種工況下的凝固坯殼厚度.

1.2.2射釘試驗工藝條件

針對CONCAST(5#)大方坯連鑄機，分別對3個典型鋼種(20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K)進行了15次射釘實驗，實驗工藝條件見表2.

表2　射釘試驗工藝條件

2　試驗結果分析

2.1試樣低倍酸洗結果

將所得到的試樣進行酸浸處理，以釘子形貌變化為測量依據，對射釘試樣坯殼厚度進行測量，取兩次測量的平均值作為鑄坯坯殼厚度.對20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K三個鋼種的典型試樣酸洗照片如圖1、圖2、圖3所示.

圖1　20CrMnTi/H鋼現場射釘結果

圖2　42CrMo/A鋼現場射釘結果

圖3　GCr15-K鋼現場射釘結果

其坯殼厚度測試結果見表3.

表3　射釘坯殼厚度測試結果

2.2綜合凝固系數和液相穴長度計算

根據測量得到的凝固坯殼厚度和凝固定律公式計算各個鋼種射釘試驗的鑄坯綜合凝固系數K和液相穴長度見表4.

根據得到的數據可知：

(1)20CrMnTi/H鋼種在距離彎月面 18.14 m 位置的平均凝固坯殼厚度 155.7 mm；平均綜合凝固系數K值為 25.3 mm/min1/2，液相穴長度平均為 30.0 m.

(2)42CrMo/A鋼種在距離彎月面 11.39 m 位置的平均凝固坯殼厚度 124.0 mm；在距離彎月面 18.14 m 位置的平均凝固坯殼厚度 157.0 mm；平均綜合凝固系數K值為 25.5 mm/min1/2，液相穴長度平均為 29.5 m.

(3)GCr15-K鋼種在距離彎月面 11.39 m 位置的平均凝固坯殼厚度 135.7 mm；在距離彎月面 18.14 m位置的平均凝固坯殼厚度 172.7 mm；平均綜合凝固系數K值為 27.1 mm/min1/2，液相穴長度平均為 24.5 m.

表4　各鋼種綜合凝固系數和液相穴長度

3　凝固末端電磁攪拌F-EMS推薦安裝位置計算

鑄坯液相穴末端區域鋼水過熱度已基本消失，處于糊狀區；由于偏析作用，糊狀區液體富集溶質濃度較高，易形成較嚴重的中心偏析和V形偏析.為減少偏析，人們提出在鑄坯中心液體完全凝固之前，使用大功率的F-EMS來攪動糊狀區以減輕元素中心偏析[3,4].

連鑄電磁攪拌的實質在于借助電磁力的作用來強化鑄坯中末端凝固鋼液的運動，從而改變鋼水凝固過程中的流動、傳熱和遷移過程，達到改善鑄坯質量的目的.影響連鑄電磁攪拌的冶金效果的主要因素在于：

(1)電磁攪拌器能否提供足夠大的電磁推力；

(2)不同鋼種的末凝固鋼液需要多大的電磁推力；

(3)電磁攪拌的作用區域是否足夠大；

(4)電磁攪拌的安裝位置是否得當.

第1、第3個因素取決于電磁攪拌器的參數及結構設計水平，而第2、第4個因素則取決于電磁攪拌器的運行工藝.因此，一套電磁攪拌裝置要達到最佳的冶金效果，除了要求其本身性能優良外，與鋼種、鑄坯斷面、拉速和冷卻強度有關.F-EMS安裝位置各廠家經驗不一，根據蔡開科[5]所講，一般認為：

(1)固相率fs為0.3～0.8(從過熱度ΔT=0開始，fs=0)；

(2)凝固率fe為0.7～0.8(從結晶器彎月面凝固開始，fe=0)；

(3)液相穴尾部中心兩相區寬為40～55 mm.

(4)液芯厚度大約是鑄坯厚度的1/3.

不同專家學者對于方坯鑄機安裝F-EMS的位置有多種觀點.為了發揮濟源鋼鐵公司連鑄機F-EMS在不同拉速條件下的電磁攪拌作用，選擇固相率0.67、0.70、0.75進行計算.根據上述原則，以 20CrMnTi/H 為例，當固相率為0.70時相應的鑄坯凝固坯殼厚度為 140 mm.編號為1-1的試樣得到的K=25.7 mm/min1/2，以拉速 0.48 m/min、坯殼厚度 140 mm 為例計算液相穴長度，L=(D/K)2*×V=(140/25.7)2×0.48=14.24 m.其他計算以此類推，計算的凝固末端電磁攪拌位置與固相率fs的關系如表5所示.

由此可得：針對5#連鑄機生產 400 mm×500 mm 斷面的鋼坯推薦選取固相率為0.70時的位置安裝末端電磁攪拌裝置(F-EMS)，即20CrMnTi/H鋼種的末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離為14.24～14.99 m；42CrMo/A鋼種的末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離為14.24～14.61 m；GCr15-K鋼種的末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離為11.88～12.25 m.

表5　凝固末端電攪拌位置

4　結　語

(1)通過射釘試驗計算可知，20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K三個鋼種的綜合凝固系數分別為25.3、25.5和 27.1 mm/min1/2，隨著碳含量的增加而增加.

(2)推薦在固相率為0.70時的位置安裝末端電磁攪拌裝置(F-EMS)，目前所安裝位置距離彎月面較后，在不改變末端電攪位置的情況下，應該提高拉速匹配最佳攪拌位置，并且低碳鋼要適當提高電磁攪拌強度.

[1]王浦江.小方坯連鑄[R].北京: 北京鋼鐵設計研究總院、中國金屬學會連鑄分會,1998.

(Wang Pujiang.Billet continuous casting[R].Beijing: Continuous Casting Branch of Chinese Society for Metals Beijing Iron and Steel Design Institute,1998.)

[2]羅森,朱苗勇,張書巖,等.方坯連鑄凝固末端位置研究[J].煉鋼,2008,24(3): 37-39.

(Luo Sen，Zhu Miaoyong,Zhang Shuyan,etal.Study on final solidifying point of continuous casting billet[J].Steelmaking,2008,24(3): 37-39.)

[3]鞏文旭,賀建哲,劉錦強,等.82B方坯連鑄末端電磁攪拌位置優化研究[J].天津冶金,2007(4): 21-24.

(Gong Wenxu,He Jianzhe,Liu Jingqiang,etal.Study on the optimum position of F-EMS in billet of 82B[J].Tianjin Metallurgy,2007(4): 21-24.)

[4]馮軍.高碳鋼連鑄小方坯內部質量及潔凈度的研究[D].北京: 北京科技大學,2006.

(Fengjun.Study on inner quality and cleanliness of continuous cast billets in high-carbon steel production[D].Beijing: University of Science and Technology Beijing,2006.)

[5]蔡開科.連鑄坯質量控制[M].北京: 冶金工業出版社,2010: 233-236.

(Cai Kaike.Controlling on quality of casting slab[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,2010: 233-236.)

Optimum position of F-EMS for the CONCAST bloom continuous caster

Qin Fengting1,Liu Zonghui2,Zhang Lin1

(1.Jiyuan Vocational Technical College Metallurgy & Chemical Industry Department,Jiyuan 459000,China；2.Henan Jiyuan Iron and Steel(Group)Co.,Ltd,Jiyuan 459000,China)

Nail-shooting technique was applied to measure shell thickness of typical low-carbon steel(20CrMnTi/H),medium-carbon steel(42CrMo/A)and high-carbon steel(GCr15-K)produced by the No.5 CONCAST continuous caster in Jiyuan Steel Company.Length of the liquid core and the solidification coefficient were determined by using the solidification law.The values are 30.0,29.5,24.5 m and 25.3,25.5 and 27.1 mm/min1/2.Moreover,the current stirring position of F-EMS has revaluated and the optimum position of F-EMS for the CONCAST bloom continuous caster is 11.88～14.99 m from the meniscus.

nail-shooting method; continuous casting of bloom; F-EMS; solidification coefficient

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.005

TF 777

A

1671-6620(2016)02-0102-05