提高連鑄坯質量的技術改造分析

董德平

隨著經濟的發展，鋼鐵冶煉技術在不斷創新，鋼鐵連鑄產量提升速度加快，增加技術含量。在建設經濟時，各種類鋼材在行業中得到有效使用，比如圓坯、方坯等連鑄機在投入使用，使用過程加速鋼鐵冶金技術設備信息進程，同時節省冶煉鋼材的物力和財力、人力，但連鑄方坯技術仍有待優化，我國鑄坯技術目前有進步空間。科學技術的快速發展使得鋼鐵行業中連鑄工藝設備的發展進程不斷加快，想要提高連鑄工藝就需要不斷的推進連鑄技術的科技性和科學性，這樣才能提高連鑄坯的質量和生產效率。

1 當前冶金行業急需提高連鑄坯質量的背景因素

1.1 軟件發展跟不上鋼鐵工業的需求

我國鋼鐵工業模型的沉淀能力較弱，軟件水平難以和工業應用需求相匹配。迫切需要建立一個數字封裝的工業模型庫，以支持鋼鐵行業的知識傳承和工業互聯網平臺的建設。行業模型旨在通過軟件技術實現虛擬制造、數字過程仿真、數字過程設計、制造輔助和過程診斷決策的模塊化和代碼化。每個模型都是一個基石，工業軟件開發人員可以靈活地使用它來促進工業知識的積累、推廣和重用。如果工業互聯網平臺想要集成人員、工藝、數據和事件，則必須具有足夠的行業知識和經驗，并封裝成數字模型將其存儲在相應系統平臺中。

1.2 工業模型的線下應用難以轉向線上模型開發，用于開發工業模型的工具不夠多

我國工業軟件的發展緩慢，迫切需要為符合我國鋼鐵行業的工業模型部署集成開發環境，并增強將工業模型從離線轉換為在線的能力。在20 世紀80 年代和20 世紀90 年代，算力的提高推動了仿真技術的發展。如今，在各個行業的生產制造中，設計和決策過程都用到了建模仿真技術，同時，一些復雜的工程系統也要用到建模仿真技術，仿真技術在整個的生產成品生命周期起到了主要作用，仿真技術慢慢開始成為制造執行系統中不可或缺的部分。在仿真技術領域，工業行業的專家經驗、專業知識、重要技術和生產過程在現實中都能通過計算機語言以形成數字模型的方式進行表達、存儲和應用。

1.3 鋼鐵行業面臨技術的沖擊

在全球制造業智能化轉型和貿易保護主義抬頭的背景下，我國鋼鐵行業正面臨潛在的技術沖擊和新一輪的技術封鎖。迫切需要提高工業模型的模塊化和組件化能力，并全面覆蓋過程設計和控制系統研發的鋼鐵工業模型庫，并掌握工業互聯網時代鋼鐵行業的核心技術。我國的工業軟件比較落后，很難將線下功能快速遷移到線上模型中。中國絕大部分的工業軟件都不是自主研發的，我國在工業軟件知識化領域的經驗知識沉淀不足，大大制約了行業知識代碼化和模型化。另一方面，我國的工業類別非常復雜，建立完整的工業模型庫需要時間。我國每個行業都有自己獨特的行業知識，把關鍵技術、核心基本組件、專業行業知識等封裝成數字化模型無疑是大規模工程，因此迫切需要提高模塊化的能力。鋼鐵工業作為我國過程工業的重要組成部分，其迫切需要提高工業模型模塊化能力，進而建立一個涵蓋控制系統研發和運營管理的鋼鐵工業模型庫系統，掌握工業互聯網時代鋼鐵行業的核心技術。

2 鋼鐵連鑄坯在生產時容易出現的問題和成因分析

2.1 夾渣問題

在鋼材的生產中會出現夾渣的情況，這種情況產生的原因之一是由于容器內的殘留的具有高自燃點和流動性差的浮渣導致的，在鑄坯的過程中沒有清理掉這些雜質。另外的原因也有可能是浸水式水口發生的剝落和溶損的情況、生產時的中間包和鋼包的耐火材料內襯以及覆蓋劑這些都有可能成為雜質。盛放生產原料的容器沒有清理干凈時也會使得器具上的殘留進入到生產連鑄坯中，這就會使得生產的鋼水變得純度降低，對鋼材的質量就產生了影響。

2.2 氣泡問題

所謂的氣泡問題是因為在生產鋼材的時候鑄坯在凝固冷卻的過程中生成的壓力大于大氣壓力和鋼水靜態時壓力總和導致的，或者使用的原材料含水量較高也會導致這種問題的出現。如果在生產中不及時的發現并解決，氣泡就會被遺留下來。想要解決氣泡的問題是需要在生產時嚴格的執行材料的脫氧工藝的，因為鋼材中的碳和硅的含量能夠影響氣泡的生成

2.3 表面裂紋缺陷

鑄坯出現表面的裂紋是由于在鑄坯斷面尺寸、工作環節的把控狀況以及鋼材結晶器結構、鑄機澆注條件、冶煉工藝條件、澆注鋼種具備的化學成分等環節出現。另外就是生產時增加或者減小鋼材連鑄坯的厚度時，也極易出現鋼材表面的裂紋。鋼材的生產會受到原材料中化學元素的影響，當鋼材中有碳、硫、磷時就容易出現鋼材表面的裂紋。而且鋼材中的P 和 S 的含量過高時會使得強度和塑性都會一定幅度的減弱。原材料中磷元素含量高于0.017% 時，也會使得鋼材的強度和塑性降低。

2.4 其他缺陷問題

鋼材在生產環節的質量把控只是其中的一個步驟，在運輸鋼材時也會出現一些問題，比如運輸時產生的一些機械損傷就會使得鋼材表面產生凹坑、刮痕、劃痕。如一些外部環境發生突發狀況使得生產中斷就會產生雙澆的情況，這種情況多數是由于不可控的因素，比如鋼水供應不足、水口堵塞、設備故障以及操作失誤等都會出現雙澆的情況，這種狀況下生產的鋼材多數會有接縫。鋼材有時會出現內部的裂紋，發生這種情況的原因大概有以下幾種：鋼水供應不足、水口堵塞、設備故障以及操作失誤等。內部的裂紋一般多發生在鋼材的接口或者是凝固界面連接的連接點，這部分比較脆弱，再經過澆筑時的拉應力就會沿著這個部位產生內部的裂紋。

2.5 鋼材的中心疏松和偏析問題

在生產的環節如果凝固鋼坯時沒有穩定的前沿，會使得鋼材的局部發生柱狀晶產生高于周圍柱狀晶生長的速度，這個時候就容易出現柱狀晶組織產生搭橋問題。凝固的環節柱狀晶發生兩面都生長的情況夾帶有搭橋現象，會出現凝固橋會使得液相穴內的鋼液出現分離，在冷卻凝固時就容易產生鋼材的收縮，這會導致后期很難進行鋼水的補充，這種情況就會使得鋼材出現中心縮孔或者鋼材疏松的問題，有的還會同時伴隨中心偏析的問題。出現上述問題的原因多是因為鑄坯時產生了鼓肚的情況，鼓肚會使得鋼材生產時流動的夾渣和合金元素產生局部聚集的情況進而產生搭橋的問題，而當較高濃度的鋼水流經搭橋的部位時就出現了鋼材的偏析問題。

3 對鋼材的連鑄坯技術改造分析

3.1 想要提高生產環節的脫硫水平，就要控制好鋼水的溫度

生產環節是對溫度有很嚴格的要求的，所以想要使得產品中磷、硫等雜質的含量，就要把控好生產時鋼水的溫度。對鋼水進行精煉操作，控制好鋼水的含水量，對于鋼水中含有的硅、鎂、鋁等化學元素也要特別關注，然后再進行鋼水的脫氧、脫氫操作，上述的條件都滿足后才能進行鋼材的真空熔煉。值得注意的是，除了要控制好鋼水在合適的溫度之外鋼材質量的好壞還體現在生產的鋼材是否有均勻的表面，而想要完成這一步就需要進行鋼水的吹氫工藝。總之，生產的過程是關乎鋼材質量的重要環節，所以要把控好生產時的鋼水質量，符合標準的鋼水才能允許被送進鑄造廠進行澆筑生產。目前我國大多數的噴射脫硫廠的生產情況可以知道，符合標準的鋼水含硫量是不能高于0.01%的。一般情況下鋼材的加工前的脫硫環節都要交給專業的脫硫廠進行的，因為對于企業來說控制好生產環節的成本是很重要的，這個環節交給專業的脫硫廠去處理是符合節約成本的訴求的。對于脫硫廠來說，攪拌脫硫的環節也是需要不斷優化創新的，因為當前的社會整個大環境都是在追求節能減排的。

3.2 注重鑄機生產的質量，針對澆筑環節進行嚴格的質檢

針對生產的鑄機改造，需要注意的是要根據當前我國現行的行業生產的標準進行改造。在實施工作中，必須改造原有的彎票連鑄機，改造新的票連鑄機，以優化煉鋼質量，提高冶煉工藝。對于電弧鑄造機的實際需要調整時，需要關注生產的管理、生產情況和企業的資金運轉方面的因素，因為一個企業的發展是要考慮生產的成本最優化，以及質量的好壞才能綜合的認定這個改造方案是否是可行的。同時，所選擇的鑄造機必須滿足優良性能的要求。從當前常用的鑄造機分析對比結果可以看出，板材兩個區域的外延載荷影響了板材的內裂紋，因此必須在較低的水平上檢查外延載荷值。如果未經檢測的直彎機投入生產，可能會出現直彎機的外殼不合格，生產時易出現機殼薄出現彎曲開裂的情況，真的出現這種情況時可以采取分段輥精彎或者連續排列多點彎曲矯直的方式補救。除了生產設備的因素之外，我們還要知道影響澆筑環節還有澆注溫度、澆注速度、型粉等環節。鋼水澆注溫度的控制對連鑄質量控制具有重要作用。鋼支架內夾雜物較多，因此鋼材內外的裂紋、中心的偏斜角度以及生產時的操作是否穩定都是影響生產鋼材質量的關聯因素。鋼水的溫度是決定性的因素，當鋼水的溫度低于要求時會使得鋼坯的內部由于低溫出現裂紋和中心偏斜，但可以改變這種現象，使鑄坯組織均勻，減少晶粒。如果鋼水溫度低，則會產生負面影響。一般來說，低溫會阻止鋼中的雜質上升，同時會堵塞中間包水口。如果鋼水溫度高，通常會發生噴發，同樣會導致鋼坯內部發生裂開的情況，有的會出現中心的偏斜，生產出不符合質量標準的鋼材。正因為如此生產時需要仔細檢查鋼包內鋼水的溫度，檢查在1600 攝氏度。中間包內鋼水溫度必須控制在1550 攝氏度。模具內鋼水溫度控制在1500 攝氏度最為適宜，并且需要控制好不同區域鋼水的溫度差在10 攝氏度以內。

3.3 生產環節控制好連鑄坯的內部質量

根據產生經驗看，連鑄坯質量的質量問題一般有結構不合格，材料的中心松散成分偏析和鋼材出現裂紋的問題等。連鑄坯在生產時會經歷高溫的環節，這個環節中有的鋼材的小問題會經過高溫處理沒有，有的則會出現變形的問題。提高鋼材內部質量的具體方法是：加強對成型板結構的控制，先擴大包含成型板中心的軸向晶區，然后限制柱狀曲率的生長效率，從而減少中心偏差或松動。具體可采用鋼水低過熱的方法或電磁攪拌技術來改善鋼材質量。生產時還要注意二次冷卻的質量把控，借助電腦對于二次冷卻區域進行精準的調控，保證冷卻水分配符合生產標準，使得生產的鋼水溫度在900 攝氏度。另外需要注意的是要檢查好鑄板的變形和強度問題，因為在二次冷卻的環節出現這種情況會使得鋼材出現裂縫。想要避免以上的問題，就要在生產時優化壓縮的距離和鋼材彎曲的方向，控制好鋼水的流動問題，使夾雜物上升，使墊塊分布均勻，優化浸入式水口的設計。

3.4 對鋼內部裂紋進行控制

（1）二次冷卻采用弱冷，盡量延長二次冷卻段，減少鑄坯熱應力。降低中間包澆注鋼水過熱度, 將過熱度盡可能控制在10℃-30.9℃。

（2）在鋼水S 含量偏高的情況下適當的提高鋼水Mn 含量，提高Mn/S ；調整生產節奏, 轉爐口采用雙渣操作降低硫含量,連鑄口適當降低硫高爐次鋼水的拉速。

（3）利用停機和檢修時間對二冷噴嘴進行清理疏通, 將偏斜變形噴淋管校正，確保鑄坯二次冷卻效果，同時對二冷配水進行優化, 保證二冷各段溫度均衡。

（4）穩定生產節奏，盡可能的將拉速穩定在2.4-2.8m/min。

（5）加強設備管理, 保證對弧精度。如廠房空間允許，建設緩冷坑，或盡量將鑄坯熱送。對鋼內部裂紋控制需要提高錳含量, 鐵水硫過高時啟動《高硫鐵水應急預案》, 其他冶煉條件惡劣時采用雙渣操作，控制錳硫比大于15, 將拉速控制在合理范圍,是改善鑄坯內部質量缺陷的有效措施。其次是生產中要降低過熱度, 優化比水量( 保證矯直溫度在990C 左右), 穩定二冷水壓,均勻二冷各段配水以保證鑄坯冷卻均勻，可在很大程度上改善小方坯中心縮孔等內部缺陷。

3.5 保證電磁攪拌工作質量，模具采用銅板涂層

生產的環節要格外的關注特殊鋼材或者尺寸較厚的生產情況，針對上述兩種鋼材的生產可以采用電磁攪拌的工藝，實現減少生產環節柱狀顆粒的問題，從而避免鋼材出現中心偏斜的質量問題，進而達到提高鋼材質量的目的。電磁攪拌線圈有特殊的線圈排列方式，當線圈與鋼坯表面的距離為20mm 時，線圈的電流才會產生磁力，然后進行運轉使得使鋼水可以沿固定方向移動。這個技術的目的是通過攪拌使得鋼水的各種成分在攪拌中均質化，因為這一過程能分離出硫、磷等雜質元素。如果鋼水通過中間包澆注到模具中，模具中的鋼水就會有冷卻水形成一定厚度的坯殼。在這個過程中，模具鋼的靜壓會限制模具鋼板，產生的摩擦和熱量也會對鋼板產生影響。如果模具在惡劣的條件下連續工作，模具中銅芯的冷卻能力和導熱性會得到提高，同時耐磨性和剛度也會得到提高。在連鑄板工藝的發展過程中，最初仍使用銅板。它具有良好的導熱性，但不足的是它的使用壽命。強度硬度方面不是那么高性能。同時對于企業來說它的生產成本也偏高還會產生一些工業廢料。當鋼水的溫度發生變化，出現了低于1500 攝氏度的時候，鋼水里的銅離子會出現分離的情況，這就降低了鋼材的質量。想要避免上述的問題可以采用有涂層的銅板模具，因為這樣能提高鋼板的耐磨性，減少設備鋼吧板中的銅離子進入到鋼水中。現如今行業中可以采用鍍結晶器銅板帶有鎘鎳鍍層的模具，能更好的控制鋼水的溫度發生變化，不僅能解決鋼材連鑄容易產生的質量問題，還能提高設備的使用壽命。

3.6 采用漏鋼預報技術

在鋼坯的生產連鑄環節，如果出現了冷卻時間不充分和作業過高的情況，會使得生產出現進行連黏附性漏鋼問題。而這種情況下會極大的影響鋼材進行進行連鑄的質量，因為金屬的收得率降低會導致鋼水在澆筑的環節中產生堵塞噴嘴和雙澆問題，嚴重的情況下還會損毀生產的機器。當鋼材鑄坯時因為缺流損毀了二冷裝備，就會出現生產中斷的情況，不僅影響鋼材的質量還影響企業正常的生產。針對以上問題可以采用漏鋼預報技術，對生產的結晶器銅板添加熱電偶，因為熱電偶對于溫度的感知比較靈敏，當生產是出現溫度的變化，操作人員能及時的發現，針對問題環節就能有效的解決，減少漏鋼問題的出現。

3.7 使用動態輕下壓技術

鋼材的生產工藝較為繁瑣，也就使得影響鋼材質量的產生因素很多，各個環節會出現不一樣的問題。針對鋼材的問題進行分析，會發現影響最為嚴重的要數中心發生偏析及疏松問題，因為此問題會使得鋼材在連鑄的過程中產生后續的質量問題。先要預防中心發生偏析及疏松問題，當前可采用輕下壓技術，具體的原理是，在生產的環節中當進行凝固時針對凝固末端施加相應壓下量，讓發生偏析以及疏松位置鋼水能均勻的流動到鋼材的各個部位，同時這一技術的優點還有利于降低連鑄坯的內部收縮縫隙變小，從而避免鋼液朝著鑄坯中心進行橫向活動。這個技術還能使得鋼水的溶質元素發生反向活動，增加了鋼材的元素分布均勻提高鋼材內部組織的緊實度，進一步降低鋼材出現中心偏析的問題。

4 結語

綜上所述，企業想要發展，不僅需要提升冶煉的技術控制好生產的環節，還需要把控好生產的細節，因為生產的各個環節稍不注意就出現影響鋼材質量的問題。隨著全球能源緊張和節能減排的理念大力推廣，冶金行業的發展必須符合當前整個社會發展的趨勢，才能有一個長久的發展，所以，對于冶金行業來說就更要注重鋼材的鑄造工藝，優化生產環節，實現高效環保發展理念。