連鑄中間包異鋼種連澆生產實踐*

楊麗梅， 鄭力寧

(1.江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司技術中心， 江蘇 淮安 223002；2.江蘇省軌道交通用特殊鋼新材料重點實驗室，江蘇 淮安 223002)

引 言

某鋼廠生產的大斷面坯料特殊鋼品種多，涉及到各類管坯鋼、鋼球鋼、軌道用鋼、汽車用調制/非調制鋼、彈簧鋼、軸承鋼等；因為這些鋼用途特殊，常出現小批量一、兩百噸的訂單，給生產組織帶來困難。如果1個中間包只生產1-2爐鋼，產品質量難以保證，而且慢換中間包的時間將近4 h，影響生產節奏，增加生產成本。

異鋼種混澆就是在同一中間包澆次中進行2種或2種以上成分差異較大鋼種的多爐次連澆，這不僅可以縮短熱停工時間，提高連鑄機的生產效率和連鑄坯成品率，而且可以很大程度上節約生產成本，以及利于保證產品質量的穩定。根據統計，1個中間包連澆5爐以上與只澆1-2爐再慢換中間包澆鑄相比，中間包輔材成本節約2萬元，連鑄機日產量提高約40%。

近年來關于方坯連鑄中間包異鋼種混澆的數值模擬和生產實踐的文獻不少[1-5]，但關于大圓坯尤其是斷面為Φ380-800 mm的圓坯異鋼種混澆的文獻鮮有報道。為了提高生產效率、保證產品質量、確保性能穩定、降低生產成本，某鋼廠對大圓坯異鋼種混澆進行了工業生產實踐及研究。

1 生產實踐與結果討論

某鋼廠有2臺大圓坯連鑄機，生產連鑄坯斷面最小Φ380 mm，最大Φ800 mm。此次分別在Φ380 mm和Φ600 mm兩個斷面進行異鋼種混澆工業生產試驗。中間包及連鑄機澆鑄的一些基本參數如表1所示。

表1 中間包和澆鑄相關工藝參數

異鋼種混澆試驗時，根據現場實際生產澆鑄情況先對混澆坯進行初步的劃分，并做跟蹤標識，待連鑄坯入坑緩冷結束后，在標記的混澆區域鑄坯上不同位置取橫向低倍樣，對低倍樣進行鉆屑或制樣，使用CS3000型高頻紅外碳硫分析儀分析碳含量，使用SPECTROL AB M11型直讀光譜儀分析其他元素含量。低倍樣化學成分分析位置圖1所示。

圖1 鑄坯橫截面化學成分分析位置示意圖

1.1 Φ380 mm斷面混澆試驗及數據分析

對Φ380 mm斷面進行了SCr15和20Cr兩種鋼種的混澆試驗，兩鋼種的化學成分如表2所示，兩鋼種的化學成分主要是C，Mn兩元素有所不同。兩鋼種混澆生產試驗采用了兩種方案。

1.1.1 方案一

方案一為中間包先澆鑄20Cr，然后異鋼種澆鑄SCr15。成分設計上，將中間包最后一爐20Cr碳含量和錳含量按偏下限進行控制；混澆爐SCr15碳含量和錳含量按偏上限進行控制。在SCr15大包開澆時，對那一刻出結晶器的各流鑄坯進行標記，初步劃分混澆坯。

表2 20Cr和SCr15化學成分/%

對初步劃分的混澆坯及附近區域的鑄坯取橫截面低倍試樣，在試樣的不同位置進行取樣分析C、Mn含量；不同鑄坯橫截面上各位置點的化學成分變化如圖2所示。可以明顯看出，混澆區域鑄坯橫截面上的C，Mn含量有明顯的變化；剛開始混澆區域的鑄坯橫截面上邊緣到中心碳含量快速減少，即使在混澆區域后段鑄坯，邊緣到中心成分變化緩慢，中心的成分與SCr15的也有相差。

從混澆區域鑄坯橫截面不同位置的碳、錳含量變化情況可以看出，越往鑄坯中心，鋼的成分越趨向于混澆鋼種的成分，SCr15鋼液延伸到20Cr鑄坯液芯中，澆鑄過程中鑄坯由邊緣到中心存在明顯的鋼液的液芯補縮。這與方坯的鋼液在中間包內的混合占主要地位[6-7]略有不同，連鑄大圓坯弧形半徑大，鑄坯出結晶器的坯殼薄、液芯大，混澆時的前后兩爐鋼液的混合既發生在中間包內，又發生在結晶器內，且在結晶器及以下的鑄坯液芯內鋼液的補縮混合影響很大。鑄坯鋼液的液芯補縮也是大圓坯與方坯異鋼種混澆的最大區別，是影響混澆坯長度的因素之一。

通過對鑄坯不同位置的橫向低倍樣分析化學成分，最終混澆坯的長度為6500 mm，其中液芯補縮坯的長度在5000 mm左右。

圖2 方案一的不同位置鑄坯橫截面上各點的化學成分

1.1.2 方案二

方案二為中間包先澆鑄SCr15，然后異鋼種澆鑄20Cr。根據方案一的混澆數據結果和鋼液液芯補縮量大的結果，成分設計時，將中間包最后一爐SCr15碳含量按中限、錳含量按下限進行控制；混澆的第一爐20Cr碳含量按中上限、錳含量按上限進行控制，其余元素成分同樣按包含范圍控制。

圖3 方案二的不同位置鑄坯橫截面上各點的化學成分

同時為了確認方案二的液芯補縮長度，在混澆及附近鑄坯多處取樣分析成分，發生鋼液液芯補縮的鑄坯長度由方案一的5000 mm左右縮短至3700 mm左右，同時成分不合格的混澆坯總長度只有4300 mm左右。從結果分析和混澆坯長度情況看，先澆鑄有差異元素成分含量低的鋼種后澆鑄相應成分含量高的鋼種，可以縮短混澆坯長度。

1.2 Φ600 mm斷面混澆試驗及數據分析

對Φ600 mm斷面先后進行了兩次4130X和30CrMo鋼種的混澆試驗，兩鋼種的主要化學成分如表3所示。兩鋼種的化學成分主要是Mn含量相差較大，第一次混澆生產時，采用方案三常規生產。第二次混澆生產時，為研究分析其他連鑄參數對混澆的影響，對4130X和30CrMo兩種鋼種的連鑄混澆試驗制定了方案四。

方案三：澆鑄順序按照先澆鑄低錳含量的30CrMo之后混澆4130X。

表3 30CrMo和4130X化學成分/%

方案四：相關文獻報道，方坯進行異鋼種混澆時，中間包內舊鋼液余量對混合過程影響很大，舊鋼液量越少越有利于混澆時間縮短[8]，以及文獻[4]中指出提高拉速會加快新鋼液到達各流結晶器出口的速度。在實際生產時需要考慮到，如果中間包內鋼液的液位過低，會出現保護渣被卷到鋼液中而污染鋼液，且一旦出現大包不自開，嚴重時會出現中間包低液位澆鑄而停澆。在澆鑄最后一包30CrMo鋼液時，實施中間包30CrMo鋼液重量由30 t降低到20 t時4130X鋼大包開澆，且澆鑄速度由0.33 m/min提高到0.35 m/min；當4130X大包澆鑄20 t后，將中間包液位緩慢提升至正常滿液位澆鑄。

1.2.1 中間包成分變化

采用方案三和方案四混澆生產時，分別在4130X大包開澆后，每間隔5 min在中間包的遠流附近取樣分析鋼液中Mn含量的變化情況，結果如圖4所示。從圖中可以看出，4130X大包開澆后，中間包澆鑄前10 min內，中間包內鋼液的錳含量變化趨勢很快，10 min后中間包內的錳含量變化非常緩慢，澆鑄25 min后成分基本達到新鋼液4130X的錳含量。

兩個方案的中間包錳含量變化情況差別不大，前10 min時采用方案四的中間包錳成分相比方案三的要略高一些。方案四的4130X大包開澆5 min內，中間包內的新舊鋼液充分的混勻，錳的質量分數達到0.91%；10 min時錳的質量分數為0.96%，成分已進入4130X的內控范圍。從中間包的澆鑄時間和錳的質量分數變化來推算每流的混澆坯的長度為3000 mm。

圖4 中間包混澆時間與鋼液錳含量變化曲線

1.2.2 鑄坯成分變化

在標記的混澆區域坯每間隔3000 mm左右及合格鑄坯取橫向低倍進行取樣分析錳含量。為了方便兩個方案的比對，將各個鑄坯低倍樣上分析的Mn含量轉換成無量綱濃度Cd(x)[9]來表征混澆爐鋼液在鑄坯中錳成分的補縮程度。

(1)

式中c(x)為鑄坯長度x處鑄坯橫截面上錳元素的含量；c1，c2為前后2爐成品鑄坯橫截面上錳元素的含量。

圖5為不同方案下相同鑄坯定尺位置上錳元素的無量綱濃度，從圖中可以看出，三個位置的混澆坯，從鑄坯邊緣到中心均存在明顯的錳含量無量綱濃度變化，鑄坯存在著明顯的鋼液補縮。越遠離混澆區域的坯，無量綱濃度變化梯度越小，澆鑄的液芯鋼液補縮量越來越少。

圖5 鑄坯橫截面上各點的無量綱濃度曲線

方案三與方案四相比，方案四的混澆坯錳含量的無量綱濃度變化很快，在“混澆坯1”處，方案三的近中心處無量綱濃度不到0.60，而方案四的已達到0.75以上；到“混澆坯3”時，方案三的鑄坯邊緣到近中心處無量綱濃度為0.86-0.97，方案四的鑄坯邊緣到近中心處無量綱濃度為0.94-0.99。

從錳的無量綱濃度對比可以明顯看出方案三的鑄坯液芯補縮長度要大于方案四；通過對鑄坯多個位置再取樣分析，方案三的鑄坯發生鋼液液芯補縮長度為10000 mm，整個不合格坯長度為12000 mm，而方案四的鑄坯發生鋼液液芯補縮長度僅為8000 mm，整個不合格坯長度為9500 mm。通過降低中間包中鋼液量以及提高混澆時的澆鑄速度，鋼中元素的無量綱濃度變化很快，鑄坯液芯補縮長度進一步減少，混澆坯長度減少。中間包取樣分析錳含量變化推算的混澆坯長度只有3000 mm，而通過鑄坯上的成分分析，實際混澆坯長度達到9000 mm，也驗證了異鋼種混澆既發生在中間包內，更多的是發生在結晶器及以下的鑄坯液芯內——中間包內的混澆鋼液以及新鋼液被鑄坯液芯補縮。

2 結束語

(1)不論是先澆鑄高成分鋼還是低成分鋼，連鑄坯均存在著一定長度的鋼液液芯補縮。越遠離混澆區域的坯，元素無量綱濃度變化梯度越小，澆鑄的液芯鋼液補縮量越來越少。

(2)連鑄澆鑄的斷面越大，鑄坯液芯鋼液補縮長度更長，混澆坯長度越長。Φ600 mm斷面異鋼種混澆產生混澆坯長度是Φ380 mm斷面異鋼種混澆產生混澆坯長度的2.7倍左右。

(3)先澆鑄成分低的鋼種后澆鑄成分高的鋼種、降低混澆前中間包中鋼液量、提高混澆后澆鑄的拉速，可以有效減少異鋼種連澆混澆坯的長度；Φ600mm斷面異鋼種混澆產生的不合格坯長度可降低20.8%。