国内外高级钢连铸技术进展与趋势(一)

国内外高级钢连铸技术进展与趋势（一）1连铸技术的进步1.1中间包技术进步1.1.1中间包钢水温度控制钢包中的钢水注入中间包后，通过塞棒或滑板机构从水口流入结晶器。中间包内的钢水温度控制对作业稳定性、提高成坯率和铸坯质量具有很大作用。为此，开发出等离子加热和感应加热的中间包钢水温度控制方法。此外还有结合双枪等离子加热法，对中间包堰的形状进行优化设计。双枪等离子加热不需要浸入式电极，可适应高生产效率的要求。1.1.2去除夹杂物提高洁净度中间包钢水氧化污染的主要原因是钢水的空气氧化。其他原因还有，钢包钢渣的流入、钢水与中间包耐火材料内衬发生反应等。为减少中间包钢水的氧化污染，推进了与钢水不发生反应的中间包保护渣和吸收氧化铝保护渣的使用，并采取Ar气保护以及使用钢包浸入式长水口稳定钢水和中间包大型化等措施。为实现节能、降低耐火材料消耗并提高钢水洁净度，实施了中间包热循环使用操作法。在浇注结束后将中间包立起，把包内的熔渣和残铁全部倒掉，然后不用预热继续使用（图1）。有报告报导采用该方法中间包连续浇注560炉钢水。在用燃气对中间包进行加热时，为防止罐内残铁氧化，采用了H2和N2混合气体的还原性气体加热方法。中间包的结构设计取得了很大进步，利用热流体计算和水模型解析，对中间包形状、挡墙数量、位置进行了优化设计，提高了去除夹杂物的能力。此外，还开发出对钢包流入中间包的钢水实施电磁搅拌，利用电磁力使夹杂物聚集上浮排除从而降低夹杂物含量的方法。高碳轴承钢等洁净度要求高的钢种，经LF-RH冶炼、用带有Ar气保护和电磁搅拌的中间包进行浇注，防止二次氧化，使钢的总氧量小于5ppm，并可批量生产。LF炉冶炼的高Al含量TRIP钢，采用带有Ar气保护和电磁搅拌的中间包，可使总氧量保持在5ppm的水平下进行浇注。此外，中间包钢水夹杂物含量直接测定技术也有了提高。1.2结晶器技术进步1.2.1结晶器浸入式水口夹杂物堵塞防止技术钢水中的氧化铝夹杂物附着在结晶器浸入式水口，使水口堵塞。堵塞的夹杂物脱落和钢水偏流引起结晶器保护渣卷入钢水，形成钢的缺陷或造成连铸中断，因此防止夹杂物附着在中间包和结晶器水口的接缝、水口滑板、水口端头等部位是结晶器操作中的重要问题。钢水流在水口内以1m/s的速度流入结晶器，钢水流与大气接触会发生二次氧化，向水口内吹Ar可防止二次氧化。降低夹杂物含量的方法有LF-RH脱气精炼提高钢的洁净度，和向钢水中喂Ca线对氧化铝夹杂物进行变性处理等。实际上，在炼钢阶段已经是高洁净度的钢水，在多炉次连浇中，水口也常常发生逐渐堵塞的情况。在适宜的Ca处理条件下，Ca处理对氧化铝夹杂物变性具有明显的效果，但Ca的回收率常常发生波动，不适宜的Ca量反而会促进水口堵塞。而水口熔损对钢水的污染和钙铝酸盐夹杂物本身有时就会成为钢中的缺陷。所以Ca处理并不是万能的方法。因此对结晶器浸入式水口夹杂物附着机制和对策进行了深入研究，通过对水口/钢水界面上化学反应的分析和脱落夹杂物在钢水中运动轨迹的计算，加深了对夹杂物附着机制的认识。实际对策有：提高水口滑板滑动部位的气密性、防止钢水流动引起负压和从水口滑板滑动部位吹入混有石墨粉的Ar气防止钢水氧化等方法。从与钢水反应和与钢水的浸润性方面，对结晶器浸入式水口的材质也进行了多次改进。采用的改进方法有，利用无硅氧化铝石墨、氧化镁、白云石、氧化锆石灰、钛酸盐石灰等耐火材料将氧化铝溶解或吸收，从而防止氧化铝夹杂物附着的方法。使用硅酸铝质水口，使硅酸铝质耐火材料与钢水反应生成液态氧化物相，提高钢水的浸润性，从而防止夹杂物附着等方法。1.2.2防止漏钢和铸坯纵裂的初期凝固均匀化技术提高连铸速度是提高连铸生产效率最有效的手段，为此进行了大量的研究开发工作。在结晶器方面采取的措施有：采用均匀强冷却结晶器薄壁铜板、利用非正弦高频短冲程振动促进保护渣膜的润滑作用、使用熔融性均匀流入性良好的结晶器保护渣、使用多孔浸入式水口控制浸入深度、使用窄面多锥度结晶器提高铸坯质量、利用结晶器热电偶散热监控漏钢预报系统防止漏钢等。在二冷区采取的措施有：大通量散热、二冷辊间距不等化、液面高精度控制、电磁制动抑制钢液流股等。通过这些措施减少了漏钢和铸坯的非正常鼓肚。结晶器保护渣投入在钢水液面上，被钢水熔化浮在钢水表面。其作用是，降低钢水的热辐射损失和在结晶器振动过程中进入凝固壳与结晶器间隙内，通过润滑作用防止铸坯与结晶器发生热粘结。保护渣在钢水凝固起点弯月面的厚度约为1mm，在弯月面以下形成几百纳米厚的渣膜起绝热层的作用。在包晶钢连铸时，由于钢水在凝固后立即进行δ-γ相变，体积收缩。在铸坯宽度方向上产生很小的不均匀凝固，凝固壳发生局部变形，形成几十纳米的气隙，导致散热缓慢，使铸坯产生纵向裂纹或发生漏钢。增加保护渣渣膜厚度，降低铸坯冷却速度，可以减轻上述现象。保护渣低黏度化、降低连铸速度、减低振动频率、增大振幅可以增加渣膜厚度，但这会使生产效率下降和增大铸坯振痕深度，并成为最终产品的缺陷。因此保护渣的设计方向应是，使熔融的渣膜发挥缓慢冷却铸坯的作用，即在玻璃质渣膜上生成固相晶体质渣膜，降低铸坯的热辐射。一般是以生成枪晶石相作为固相晶体质渣膜，并对此进行了热力学稳定性和结晶速度的研究。此外，也有以黄长石相做晶体质渣膜的设计。碱度为1.2-1.4时黏度可达5Pa*s的高碱度高黏度的无氟黄长石相，对防止卷渣是有效的，已经应用在圆铸坯连铸中。Al、Ti、Mn等活性元素含量高的钢种在连铸中，由于夹杂物析出和钢水与结晶器保护渣的反应，生成了钙铝黄长石和钙钛矿等高熔点固相，使润滑不良，导致连铸困难。对这个问题进行了许多研究，开发了高Al电工钢连铸用结晶器保护渣和高Mn钢连铸用结晶器保护渣，使这些难生产的钢种实现了稳定连铸。为防止由于氢产生的漏钢事故，提出了新型结晶器保护渣设计方案。钢水中H浓度高、连铸速度快，容易发生漏钢事故。因此要对钢水进行真空脱氢处理，并对结晶器保护渣的水分进行严格控制。研究结果表明，大气中的水分溶解在保护渣中，保护渣在结晶器和铸坯急冷层之间的间隙中冷却析出氢气泡，导致散热不良，这是硅脱氧钢漏钢的一个原因。为此，提出了通过控制保护渣中的OH离子溶解度来防止氢气泡析出的保护渣设计方案，采用这种保护渣使硅脱氧钢连铸顺行。根据环境保护的要求，对无氟结晶器保护渣进行了开发。研究了无氟条件下Na、B气化损失机制，由于气泡是以不溶性ZrO2为核心生成的，所以使ZrO2不饱和化是抑制Na、B气化损失的有效方法。1.2.3控制结晶器内钢流、防止卷渣、促进夹杂物上浮进入结晶器的夹杂物一旦到了钢坯急冷层，就会成为最终产品的缺陷。为降低夹杂物，普遍在结晶器使用了旋转磁场和静磁场。在电磁控制方面，从上世纪80年代开发的第1代区域型电磁控制技术，发展到现在的第2代均匀磁场电磁控制技术。结晶器电磁搅拌去除夹杂物的作用不仅表现在单钢包浇注，而且在连浇换包的接头部位也有去除夹杂物的作用。此外，通过施加静磁场对浸入式水口的流股减速，可以缩短异钢种连铸的过度区。采用2段式电磁制动抑制钢水的渗透流股和逆向流动，可以减少夹杂物和保护渣的卷入。利用1T的超强磁场的电磁制动可以更有力地对流股进行控制，提高钢水净化效果（图2）。电磁软接触连铸技术利用交流磁场中产生的罗仑兹力和焦耳热降低铸坯的冷却速度，制造无振痕的镜面状铸坯。该技术提高铸坯表面质量的效果已经在实机实验中得到验证。图3是该技术的原理示意，可以预计电磁软接触连铸技术将会实现商业化应用。结晶器电磁场钢水流动解析技术和设备设计技术有了很大进步。在对铸流中夹杂物聚集现象的观察、流体力学解析方法的开发、对中间包和钢流中夹杂物的聚集现象以及夹杂物进入急冷层行为等方面都取得了进展，并提出了更加定量化的生产指导方案。在浸入式水口流股的稳定性方面进行了许多研究，利用耐火材料叶片、旋转磁场和静磁场对流股进行控制等技术。1.3连铸坯高效生产、高质量化技术1.3.1结晶器下冷却段夹杂物加速上浮技术在结晶器下设置数米长的垂直段对促进夹杂物上浮是有效的，因此，新建连铸机带有垂直冷却段，老铸机改造也设置垂直段。利用这种连铸机并结合电磁搅拌和电磁制动，使夹杂物大大减少，对提高汽车用钢板等高级钢的质量有显著作用。此外，通过基础性研究对夹杂物析出和聚集行为也有更深入的认识。1.3.2防止铸坯横向裂纹技术在弧型连铸机和立弯式连铸机的弯曲部和平直部，铸坯表面会产生拉伸应力。当应变量超过铸坯的裂纹临界应变时，就会产生横向裂纹。在铸坯冷却发生γ-α转变中，如有弯曲应力存在，在γ晶界析出的片状α上就会出现应力集中，这时在局部区域，即使比较小的应变也可能达到α的临界应变，导致裂纹的产生。对钢的成分、应变速度、晶粒直径与钢的宏观临界应变的关系进行了许多测定和研究。通过对铸坯和连铸机支撑辊接触部位的热应力、应变进行3维计算，可以更加定量化判断应变积蓄量是否超过钢的临界应变，对铸坯横裂产生的机制有了进一步的认识。对横裂的试验研究也取得了进展。应力分析结果表明，在铸坯冷却发生γ-α转变过程中，当形成百分之几的少量薄片状α时，容易产生应力集中并发生脆化，并且Al、Nb、V和B等促进裂纹生成元素的碳化物、氮化物粒子尺寸小于13nm、并以小于60nm的间距呈列状在薄片状α内微细密集析出时，是产生横裂的最危险状态。这时如果施加应力，在析出物周围产生的孔洞互相连接，即形成晶界裂纹。对含Al量较高的TRIP钢和含Mn量较高的TWIP钢等新钢种的弯曲高温延性数据也进行了测定。开发了防止高裂纹敏感性钢种产生横裂的表面冷却法，该方法是通过在连铸平直段前对铸坯进行冷却和余热加热，使钢发生γ-α-γ相变、逆相变，细化γ晶粒。结晶器振痕的凹下部分空隙能较大程度上阻碍散热，这里常常形成粗大的γ晶粒。为防止立式小方坯连铸机生产渗碳钢时发生横裂，开发令结晶器高频短行程振动技术，使振痕凹下处的γ晶粒细化，提高钢的裂纹临界应变值，防止横裂的发生。