包晶鋼液面波動的原因分析與控制實踐

王聲齊 柳風林 陳安慶 段樹彬 孫靜波

（河鋼集團邯鋼公司）

0 引言

近年來，為了滿足市場上不同用戶對產品的需求，河鋼邯鋼對產品的使用規格和用途進行了細分，并進行了定制化、差異化精準開發和生產，特別是[C]在0.09%～0.15%的含Nb、Ti 微合金包晶高強鋼占比較大，主要在西區煉鋼廠冶煉生產。西區煉鋼直弧形連鑄機于2008 年建成投產，該連鑄機由DANIELI 公司設計，設計產能520 萬t/年。自投產以來，通過技術改進、工藝優化，各項經濟技術指標不斷攀升，實現了連鑄機“高質量、高效率、高拉速、高作業率”的目標。但是，在生產微合金包晶高強鋼過程中，連鑄結晶器液面波動的問題嚴重制約了鑄機的高效生產。面對生產過程中出現的液面波動問題，通過對鑄機設備、冷卻參數、保護渣等不斷進行優化改進，最終消除了生產微合金包晶高強鋼過程中出現的液面波動問題，實現了鑄機的高效化生產。

1 連鑄機現狀

西區煉鋼廠配備有兩臺雙機雙流直弧型板坯連鑄機，兩臺鑄機機型相同，均由DANIELI 公司設計，其主要工藝參數見表1。

表1 DANELI 連鑄機主要工藝參數

2 存在問題

一段時期以來，弧形連鑄機在澆注低合金包晶高強鋼時經常出現結晶器液面波動加劇的問題，波動幅度達±15 mm 以上，通過采取對塞棒機構檢查緊固、吹氬系統調整、水口質量檢查、水口插入深度調整、扇形段鎖定控制等一系列常規手段后，液面波動未得到的明顯改善，最終只能通過降低澆注拉速和加大冷卻水量的方式來減小液面波動。

2.1 典型鋼種的主要化學成分及生產情況

（1）低合金包晶高強鋼典型鋼種的主要化學成分見表2。

表2 低合金包晶高強鋼典型鋼種成分 %

（2）煉鋼工藝路徑：倒罐站—鐵水預處理—轉爐—LF 爐精煉—連鑄。

（3）液面波動情況。通過生產跟蹤，連鑄在澆注斷面為1 500 ～1 700 mm，厚度為230 mm、拉速在1.0 ～1.2 m/min 過程中出現的液面波動實時曲線如圖1 所示。實際液面波動最大時達±15 mm，制約了連鑄高拉速生產。

圖1 連鑄結晶器液面波動實時曲線

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3 結晶器液面波動原因分析

3.1 結晶器初生坯殼的不均勻性

結晶器中初生坯殼的不均勻性是造成包晶鋼液面波動的根本原因，鋼種成分[C] 在0.09%～0.17%的鋼液在凝固過程中會發生包晶轉變L+δ=γ，發生約0.38%的體積収縮，在澆注過程中，由于結晶器冷卻速度大，一般[C]在0.12%左右的鋼種凝固收縮量最大[1]，其次，由于鋼中添加了其他微合金元素，對包晶成分點會有影響，不同鋼種發生包晶反應的實際[C]含量也不完全相同。在結晶器中，坯殼會因收縮過大而與結晶器壁銅板脫離形成氣隙，影響坯殼的傳熱，從而使坯殼的凝固生長變慢，坯殼變薄，造成包晶鋼結晶器坯殼不均勻生長[2]，如圖2 所示。

圖2 包晶鋼結晶器初生坯殼生長

3.2 鑄坯在扇形段內的鼓肚

在連鑄澆注微合金包晶鋼時，二次冷卻通常采用弱冷制度，造成二冷區鑄坯坯殼生長減慢，坯殼表面溫度相對較高，而這又是加劇鑄坯鼓肚傾向的因素。理論上，鑄機二冷段中的坯殼由于受鋼水靜壓力的作用會在兩對輥之間產生鼓肚（如圖3 所示），其鼓肚量與坯殼厚度的三次方成反比[3]。包晶鋼不均勻生長的坯殼中的薄弱部分在扇形段兩對輥之間的鼓肚變形要遠大于坯殼正常部分的，從而引起液面的明顯下降，而坯売經過下一輥時又存在一個再壓回的過程，此時液面就會上涌，至此，液面波動已完全形成。

圖3 扇形段鑄坯鼓肚

3.3 其他因素

連鑄坯凝固過程的特點是邊運動、邊放熱、邊凝固，整個扇形段系統的矯直驅動和支撐

輥剛度顯得尤為重要。目前西區煉鋼廠所生產的高強品種鋼種類繁多，強度范圍跨度大，在澆注高強鋼過程中鑄坯矯直困難，實際生產中往往存在扇形段輥子變形、不轉、兩輥間積渣等問題，導致拉坯阻力增大，致使矯直段驅動輥壓力無法保證，這些設備因素也會導致結晶器液面波動，嚴重時會導致停澆事故。

4 改進措施和實施效果

4.1 結晶器冷卻改進

根據微合金包晶高強鋼凝固特性，優化結晶器寬面、窄面的水量配比，提高結晶器寬面、窄面傳熱的一致性和穩定性，促進彎月面區初生坯殼的均勻生長，從而有效改善液面波動和縱裂問題。在保證足夠的出結晶器坯殼厚度的前提下，將生產過程中結晶器寬面水量的目標值由4 300 L/min減小至4 000 L/min，窄面水量530 L/min 不做調整，水流速度由8.0 m/s 降到6.0 m/s，結晶器進水溫度控制在35～40 ℃。同時，在操作工藝上采取低過熱度（10～25 ℃）恒速澆注、水口注流嚴格對中等措施。

一段時間以來的數據統計顯示，結晶器熱流傳導趨緩且穩定，調整后四個面的平均熱流較之前降低了約1 340 kW/m2，≤±3 mm 的液面波動占比提高了11%，因液面波動導致的降速比例明顯下降，鑄坯縱裂率下降了1%。統計1 550 mm斷面時結晶器熱流、液面波動、恒速率及縱裂情況，結果分別見表3 和表4。

表3 改進后結晶器熱流統計結果

表4 改進后液面波動等統計結果

4.2 保護渣優化改進

針對低合金包晶高強鋼凝固收縮的特點，對現用的保護渣進行了優化改進，采用較高堿度、粘度和熔點的保護渣，增加結晶器銅板與初生坯殼間的渣膜中的結晶相，減少玻璃相，可降低結晶器與坯殼間的熱傳導，減小坯殼溫度梯度，減少坯殼所受熱應力，使坯殼凝固更均勻[4]。同時，在操作工藝上要求均勻添加、“黑渣”操作，保證三層機構總厚度在50 mm 左右、液渣層在10 ～15 mm。

采用改進后的包晶鋼專用保護渣，澆注過程中結晶器鋼液面穩定，保護渣消耗均勻，液渣層平均在12 mm。跟蹤近兩個月以來，鑄坯質量較改進前有了較大改善，表面縱裂的發生率降低了10 個百分點，保護渣特性及鑄坯表面縱裂發生率見表5。

表5 保護渣的技術指標及縱裂發生率

4.3 二冷配水工藝制度優化改進

帶液芯的鑄坯在鑄機運行過程中，由于鋼水靜壓力作用，鑄坯寬面中心高溫坯殼在兩支撐輥之間會出現鼓肚情況，微合金包晶鋼因初生坯殼的不均勻生長使鼓肚情況更為明顯，鼓肚量隨凝固坯殼厚度的增加而減小[4]。

為減少該類鋼種在澆注過程中鑄坯鼓肚的發生，對二冷配水進行優化改進，冷卻強度由原來的0.47 L/kg 優化為0.62 L/kg，并對二冷配水冷卻曲線進行改進，在二冷區前4 個回路采用強冷設計。同時，在設備維護上，要求定期檢查清理二冷噴嘴，保證噴淋正常、均勻。

參考凝固后鑄坯鼓肚量可知，二冷配水改進后鑄坯寬面鼓肚量明顯減少，平均減少了約0.53 mm。澆注過程結晶器液面波動明顯平穩，未出現周期性的較大的波動，整澆次液面波動在±3 mm 以內的占比在95%。凝固后鑄坯鼓肚量抽測情況及液面波動統計見表6。

表6 鑄坯鼓肚量抽測情況及液面波動統計

4.4 其他措施

生產這類高強鋼前對鑄機扇形段進行全面的檢查維修，建立產前檢查確認機制，對出現的問題及時解決，確保扇形段液壓控制系統正常運行，保證扇形段設備精度和驅動輥壓力。

通過以上優化改進措施的實施，一年以來，在澆注[C]在0.09%～0.15%含Nb、Ti 等的微合金包晶高強鋼系列時，結晶器液面平穩，鑄坯表面質量良好，縱裂發生率大幅下降，由之前的7%較低至4% 以下。以490CL 為例，在澆注斷面為1 550 mm、厚度230 mm、拉速在1.1 ～1.2 m/min 過程中液面波動曲線如圖4 所示。

圖4 澆注過程塞棒和液面波動實時曲線

5 結語

通過現場生產跟蹤分析，確定了導致西區煉鋼廠連鑄生產微合金包晶高強鋼時出現液面波動的原因，針對性地采取了保護渣改進調整、二冷配水制度優化及強化扇形段設備精度等具體的措施。實踐表明，措施實施后基本消除了低合金包晶高強鋼的液面波動現象，恒速率穩定在98%以上，同時鑄坯裂紋發生率降低至4%以下。為提高鑄機產能、提高鑄坯質量和增加經濟效益發揮了巨大的作用。