高碳鋼連鑄坯碳偏析控制技術(shù)

賈建明

（河鋼宣鋼二鋼軋廠(chǎng)，河北 宣化 075100）

高碳鋼，如SWRH82B、C72DA等鋼種，由于碳含量高，鑄坯凝固過(guò)程易出現(xiàn)較嚴(yán)重的碳偏析現(xiàn)象，易造成盤(pán)條拉拔加工時(shí)斷裂[1]。本文針對(duì)宣鋼連鑄坯生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，分析了影響鑄坯碳偏析指數(shù)的因素，并逐一制定了有針對(duì)性的措施，提高了高碳硬線(xiàn)類(lèi)產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 工藝流程及裝備特點(diǎn)

1.1 工藝流程

河鋼宣鋼（以下簡(jiǎn)稱(chēng)宣鋼）目前的高碳鋼產(chǎn)品主要是以SWRH82B為代表的的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)產(chǎn)品和以C72DA為代表的胎圈鋼絲產(chǎn)品。其生產(chǎn)工藝流程與設(shè)備如下：

鐵水KR脫硫—150 t轉(zhuǎn)爐（雙渣）—LF精煉爐—2號(hào)連鑄機(jī)（結(jié)晶器電磁攪拌、凝固末端電磁攪拌、150 mm2方坯）—二高線(xiàn)軋制。

1.2 裝備特點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐出鋼量達(dá)到195 t，1.8 m/min恒拉速條件下，連鑄拉鋼周期52 min；鑄機(jī)為12機(jī)12流連鑄機(jī)，流間距1 200 mm；連鑄機(jī)初設(shè)裝備有輕壓下設(shè)備，配套矩管結(jié)晶器。對(duì)于高碳鋼生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，裝備的特點(diǎn)也就成為了碳偏析控制的難點(diǎn)，拉鋼周期長(zhǎng)澆鑄過(guò)程溫降大，平均10℃；流數(shù)多，流間距小，設(shè)備故障在線(xiàn)處理難度大。

2 降低高碳鋼連鑄坯C偏析的理論依據(jù)

2.1 精準(zhǔn)的碳含量

一般以分配系數(shù)K來(lái)表征元素在液體和固體中溶解度差異。K值小，則為易偏析元素，常見(jiàn)元素的K值見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)元素K值

由表1可見(jiàn)C元素強(qiáng)偏析的元素。因此若想減輕C元素的偏析程度，需在C元素含量可滿(mǎn)足盤(pán)條性能要求的前提下，降低C元素含量，即要求做到C元素的精準(zhǔn)控制[2]。

2.2 中包鋼水過(guò)熱度

中間包鋼水的過(guò)熱度是影響高碳鋼等軸晶區(qū)大小的重要參數(shù)之一。生產(chǎn)過(guò)程中為了擴(kuò)大鑄坯內(nèi)部等軸晶比例，抑制柱狀晶的形成，可以采取中間包低過(guò)熱度澆鑄。中間包過(guò)熱度較高時(shí)，鑄坯內(nèi)部柱狀晶區(qū)域便會(huì)擴(kuò)大，在中心產(chǎn)生柱狀晶搭橋的概率相應(yīng)增大，容易形成中心疏松和縮孔，同時(shí)鑄坯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的中心偏析[3]。

2.3 適宜的二冷強(qiáng)度

合適的二冷強(qiáng)度對(duì)提高高碳鋼的內(nèi)部質(zhì)量是有利的。比水量增加，中心碳偏析減輕。這是由于枝晶間距小，富集溶質(zhì)所占的體積分?jǐn)?shù)小，形成細(xì)密的枝晶結(jié)構(gòu)，使枝晶間殘余液相被枝晶網(wǎng)格阻隔不易流動(dòng)，從而減小了中心偏析。但是二次冷卻強(qiáng)度過(guò)大，鑄坯坯殼快速冷卻，坯殼內(nèi)部液態(tài)區(qū)域向外傳熱效率有限，導(dǎo)致斷面溫度梯度增大，鑄坯柱狀晶區(qū)域擴(kuò)大，易形成中心縮孔和裂紋等缺陷。

2.4 可發(fā)揮作用的凝固末端電磁攪拌

F-EMS攪拌固液兩相區(qū)，通過(guò)電磁力打碎的樹(shù)枝晶碎片可作為等軸晶的核心，增加兩相區(qū)局部傳熱，消除搭橋，減輕樹(shù)枝晶間富集溶質(zhì)液體的流動(dòng)，使心部偏析金屬趨于均勻，同時(shí)產(chǎn)生較多的結(jié)晶核。這樣能擴(kuò)大等軸晶區(qū)、細(xì)化晶粒，形成較寬的細(xì)小等軸晶帶，獲得良好的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

3 針對(duì)性措施

3.1 精準(zhǔn)控碳技術(shù)

3.1.1 干式除塵轉(zhuǎn)爐高拉碳技術(shù)

為避免靜電除塵器卸爆，干式除塵轉(zhuǎn)爐普遍采用冶煉過(guò)程不起槍?zhuān)粯尩降椎拇禑挿绞剑撹F水w（P）普遍在0.120%左右，若想實(shí)現(xiàn)高拉碳，必須實(shí)現(xiàn)過(guò)程起槍?zhuān)M(jìn)行雙渣操作。

二次下槍過(guò)程中，CO+[O]=CO2的冶金反應(yīng)進(jìn)程最先進(jìn)行，當(dāng)熔池?cái)嚢璩潭燃ち野l(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生后繼的冶金反應(yīng)進(jìn)程，[C]+CO2=2CO。即干式除塵轉(zhuǎn)爐避開(kāi)泄爆的核心機(jī)理是實(shí)現(xiàn)吹煉初期的弱攪拌。

實(shí)際操作中二次下槍后，首先采用氮?dú)馊砼懦龎m管道內(nèi)的氣體，通過(guò)前燒期的氧氣流量控制實(shí)現(xiàn)熔池弱攪拌，達(dá)到前燒期的φ（CO2）由發(fā)生逐步上升到15%、φ(CO)保持在小于3%的水平，即可避免卸爆的發(fā)生。前燒期熔池弱攪拌控制時(shí)CO2、CO及O2的含量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 前燒期氣體含量對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐裝料和前期造渣制度，選擇適宜的開(kāi)吹槍位和流量，解決了留渣發(fā)前期煙氣中CO上升較快，靜電除塵器泄爆的難題；基于轉(zhuǎn)爐供氧流量與轉(zhuǎn)爐煙氣中CO含量數(shù)學(xué)模型的建立，發(fā)明出干式除塵轉(zhuǎn)爐二次下槍吹煉的方法；實(shí)現(xiàn)了干式除塵轉(zhuǎn)爐雙渣留渣操作零泄爆，噸鋼白灰消耗降低5 kg，在確保終點(diǎn)低w（P）≤0.012%的同時(shí)，出鋼w（C）達(dá)0.35%以上。

3.1.2 精煉精確控制出站C含量

精確控制精煉出站C含量，主要包括以下措施：

1）精1樣取樣時(shí)鋼水溫度確保1 520℃以上，嚴(yán)禁低于此溫度取樣，在吹氬點(diǎn)處取樣，取樣深度≥300 mm，確保精1成分具有代表性。

2）加合金、碳粉時(shí)，必須開(kāi)大氬氣4 min，并小氬氣送電3 min后才可取樣，出站w（C）控制精度±0.005%。

3）精2后不加任何渣料、合金料及脫氧劑，以保證鋼水凈化度。

4）軟吹開(kāi)始后，嚴(yán)禁補(bǔ)碳，避免鋼包內(nèi)鋼水C含量不均，軟吹必保20 min，軟吹開(kāi)始后嚴(yán)禁隨意調(diào)整氬氣量。

轉(zhuǎn)爐高拉碳配合精煉精確控C措施，以SWRH 82B鋼種為代表，精煉出站w（C）可精準(zhǔn)控制在0.805%~0.815%之間，如圖2所示。

圖2 SWRH82B精煉出站C含量分布

3.2 全流程精確控溫技術(shù)

3.2.1 鋼包全程加蓋技術(shù)

鋼包的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到冶煉工藝操作和鋼水冶金質(zhì)量，尤其是鋼包的溫度，而通過(guò)在鋼包上實(shí)現(xiàn)全程加蓋，輻射熱損失可顯著減少。由于目前二鋼軋廠(chǎng)廠(chǎng)房布局的限制，二鋼軋廠(chǎng)無(wú)法采用插齒式鋼包加蓋結(jié)構(gòu)，因此開(kāi)發(fā)了一種新型鋼包全程加蓋技術(shù)。具體設(shè)備包括：移動(dòng)小車(chē)、電液推桿、卷?yè)P(yáng)裝置、鋼絲繩、定滑輪組、動(dòng)滑輪組、車(chē)輪、軌道、包蓋專(zhuān)用吊具、包蓋。其加揭蓋吊運(yùn)原理為：電機(jī)、減速機(jī)、卷筒、定滑輪安裝于移動(dòng)小車(chē)上，移動(dòng)小車(chē)通過(guò)電液推桿進(jìn)行前后移動(dòng)，包蓋專(zhuān)用吊具通過(guò)傳動(dòng)裝置和鋼絲繩進(jìn)行上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用吊具的上下前后移動(dòng)進(jìn)行包蓋的加揭蓋，專(zhuān)用吊具上下升降限位依靠安裝于卷筒軸端的限位器控制。鋼包加揭蓋設(shè)備示意圖如圖3所示。

圖3 鋼包加揭蓋設(shè)備

解決了由于現(xiàn)場(chǎng)空間限制不能使用傳統(tǒng)插齒式鋼包加蓋設(shè)備的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了適合宣鋼條件下的卷?yè)P(yáng)提升式鋼包加蓋技術(shù)，項(xiàng)目實(shí)施后，鋼包加蓋率完成率100%，澆鑄過(guò)程鋼水溫降降低3℃。

3.2.2 開(kāi)發(fā)溫度查詢(xún)系統(tǒng)

在原二級(jí)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用VS2010的C#編程語(yǔ)言，采用C/S模式，建立精煉溫度查詢(xún)系統(tǒng)和連鑄鋼水過(guò)熱度和恒拉速管理系統(tǒng)，具有用戶(hù)登陸、權(quán)限管理、溫度管理、包況管理、溫度報(bào)表管理等功，為降低過(guò)熱度和實(shí)現(xiàn)恒拉速提供信息化管理平臺(tái)。精煉溫度查詢(xún)系統(tǒng)和連鑄鋼水過(guò)熱度管理系統(tǒng)界面圖如圖4。

圖4 精煉溫度查詢(xún)系統(tǒng)界面

精煉溫度管理查詢(xún)系統(tǒng)連鑄鋼水過(guò)熱度和恒拉速管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，極大的方便了崗位操作人員隨時(shí)了解各節(jié)點(diǎn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，可及時(shí)根據(jù)鋼包情況及溫度流變化趨勢(shì)，精確調(diào)整精煉出站溫度，從而嚴(yán)格控制過(guò)熱度，保證恒拉速，降低鑄坯偏析指數(shù)。生產(chǎn)高碳硬線(xiàn)時(shí)過(guò)熱度按20～30℃，連鑄機(jī)恒拉速率由之前的86%提升至95%。

3.3 連鑄機(jī)設(shè)備升級(jí)改造

3.3.1 矩管結(jié)晶器改方管結(jié)晶器

之前2號(hào)連鑄機(jī)生產(chǎn)高碳硬線(xiàn)系列鋼種時(shí)，使用的結(jié)晶器銅管仍是開(kāi)產(chǎn)時(shí)所設(shè)計(jì)的適用于動(dòng)態(tài)輕壓下的矩形銅管，銅管上口尺寸153 mm×157 mm，該銅管使用到后期極易出現(xiàn)鑄坯脫方甚至漏鋼現(xiàn)象，根據(jù)鼓肚理論，坯殼鼓脹，造成枝晶間富集溶質(zhì)液體的流動(dòng)，從而導(dǎo)致中心偏析。

因此，在2018年4月，將結(jié)晶器上口尺寸為153 mm×157 mm的矩管結(jié)晶器，全部更換為結(jié)晶器上口尺寸為152 mm×153 mm的方管結(jié)晶器。

改造完成后，鑄坯外觀形狀規(guī)矩，未出現(xiàn)脫方、漏鋼現(xiàn)象，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量也有所改善。使用矩管結(jié)晶器和方管結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯低倍如圖5、圖6所示。

使用矩管結(jié)晶器時(shí)，高碳鋼碳偏析指數(shù)均值為1.12，更換為方管結(jié)晶器后，碳偏析指數(shù)下降至1.09，使用兩種結(jié)晶器時(shí)鑄坯碳偏析的分布情況如圖7所示。

3.3.2 增加3段全水冷卻

提高冷卻強(qiáng)度，降低過(guò)熱度，小方坯中心可以獲得精細(xì)的顯微組織，由于增大了冷卻率，局部凝固次數(shù)減少，改善了宏觀偏析。適當(dāng)增大二冷比水量，會(huì)使二次枝晶間距減小，形成細(xì)密的枝晶結(jié)構(gòu)，阻礙枝晶間殘余液相的流動(dòng)，從而降低中心碳偏析。

圖5 矩管結(jié)晶器生產(chǎn)的鑄坯低倍

圖6 方管結(jié)晶器生產(chǎn)鑄坯低倍

圖7 使用兩種結(jié)晶器時(shí)碳偏析的分布情況

將3段水流量分別設(shè)定為0，1.97 m3/h，3.3 m3/h，對(duì)應(yīng)比水量分別為0.52 L/kg，0.63 L/kg，0.70 L/kg。對(duì)相應(yīng)比水量條件下的鑄坯凝固組織進(jìn)行模擬，結(jié)果如下頁(yè)圖8所示。

由圖8可知，隨著比水量的提高，鑄坯凝固組織柱狀晶區(qū)增大，等軸晶區(qū)減小。對(duì)各比水量條件下的鑄坯進(jìn)行碳偏析分析，結(jié)果表明0.63 L/kg比水量下，鑄坯碳偏析指數(shù)最小。各比水量條件下鑄坯碳偏析的分布情況如下頁(yè)圖9所示。

碳偏析指數(shù)先降低后又上升。是因?yàn)樵龃蠖浔人浚瑫?huì)使二次枝晶間距減小，形成細(xì)密的枝晶結(jié)構(gòu)，阻礙枝晶間殘余液相的流動(dòng)，從而降低中心碳偏析。比水量由0.52 L/kg升至0.63 L/kg時(shí)，二次枝晶間距減小對(duì)中心碳偏析的改善作用要大于中心等軸晶區(qū)比例下降對(duì)中心碳偏析的不良影響，因而總體上呈現(xiàn)中心碳偏析下降的趨勢(shì)；比水量由0.63 L/kg升至0.70 L/kg時(shí)等軸晶區(qū)二次枝晶間距減小所引起中心碳偏析的下降已不能滿(mǎn)足中心等軸晶區(qū)比例下降造成中心碳偏析的增大程度，因而碳偏析情況又加劇。因此在當(dāng)前的連鑄工藝條件下，0.63 L/kg的二冷比水量是最佳的。

3.3.3 末攪線(xiàn)圈上移

利用Procast軟件計(jì)算得知，在拉速1.8 m/min，比水量0.62 L/kg，過(guò)熱度30℃時(shí)，在距彎月面6.4 m處，鑄坯中心固相率為0.2，該位置最適合末攪線(xiàn)圈的安置，因此將末攪線(xiàn)圈位置由目前的距彎月面7.2 m處，上移800 mm。

圖8 各比水量條件下的鑄坯凝固組織模擬圖

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于140~160 mm斷面高碳鋼小方坯，鑄坯凝固前沿液芯一般厚度在35~55 mm時(shí)，末端電磁攪拌才能滿(mǎn)足需要。模擬結(jié)果顯示液芯厚度為50 mm，如圖10所示。末攪位置上移后，進(jìn)行射釘試驗(yàn)，實(shí)測(cè)液芯厚度為48 mm，如圖11所示。

圖9 各比水量條件下鑄坯碳偏析分布情況

圖10 液芯厚度模擬圖

圖11 液芯厚度實(shí)測(cè)圖

以C72DA鋼種為例，末攪線(xiàn)圈上移前和上移后鑄坯內(nèi)弧、中心、外弧處的C元素含量分布二維等高原位分析如圖12所示，上移前，中心處w(C）最高0.82%，上移后，中心處w（C）最高0.77%由圖可知末攪線(xiàn)圈上移后，C偏析程度減輕。

末攪線(xiàn)圈上移和增加3段水前后，鑄坯的碳偏析分布情況如圖13所示，可見(jiàn)末攪線(xiàn)圈上移和增加3段水的改造完成后，碳偏析指數(shù)由1.09下降至1.06。

圖12 末攪線(xiàn)圈上移前后C元素含量分布

圖13 末攪線(xiàn)圈上移和增加3段水前后，鑄坯的碳偏析分布

4 結(jié)論

以上高碳鋼連鑄坯碳偏析控制措施實(shí)施后，高碳鋼生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)均得到顯著提高：

1）在確保終點(diǎn)低w（P）≤0.012%的同時(shí)，出鋼w（C）達(dá)0.35%以上，以SWRH82B鋼種為代表，精煉出站w（C）可精準(zhǔn)控制在0.805%~0.815%之間。

2）生產(chǎn)高碳硬線(xiàn)時(shí)過(guò)熱度按20~30℃，連鑄機(jī)恒拉速率由之前的86%提升至95%。

3）經(jīng)過(guò)實(shí)施結(jié)晶器由矩管改為方管，末攪線(xiàn)圈上移，增加3段冷卻水等一系列優(yōu)化措施后，高碳鋼碳偏析指數(shù)從最初的1.12，下降至目前的1.06。

4）宣鋼的SWRH82B硬線(xiàn)盤(pán)條產(chǎn)品在天津市場(chǎng)口碑良好，多家企業(yè)指定使用宣鋼的產(chǎn)品；宣鋼生產(chǎn)的C72DA，SWRH82A等產(chǎn)品每月穩(wěn)定供應(yīng)巨力集團(tuán)、衡水永利等企業(yè)，并同巨力索具股份有限公司進(jìn)行了戰(zhàn)略合作簽約，每月高碳硬線(xiàn)產(chǎn)量達(dá)到5萬(wàn)t以上。