亚包晶钢板坯高拉速生产实践
摘 要：为解决亚包晶钢浇铸的炉机周期匹配问题、提 高 生 产 效 率，对亚包晶钢结晶器冷却、振 动 模 式及结晶器保护渣等进行优化。优化后，结晶器冷却水流速由7.27m/s提高至8.45m/s，结晶器振动模式的负滑脱时间由0.112～0.128s稳定控制 在0.151s，结晶器保护渣碱度由1.28提 高 至1.29，1300 ℃黏度由0.13Pa·s下调至0.12Pa·s。实现了亚包晶钢高拉速的稳定生产，最高工作拉速为1.6m/min;铸坯表面纵裂纹发生率小于0.3 %，中心偏析质量稳定。
刘启龙; 曹成虎; 邓勇; 郑晴; 张敏; 罗霄， 炼钢 发表时间：2021-07-26
关键词：亚包晶钢;高拉速;铸坯质量
随着汽车轻量化的快速推进，越来越多的高强钢得到广泛的应用，终端客户对高强钢的质量与成品规格要求日益多样化与个性化，现有的高强钢成分体系普遍采用碳处于包晶区范围与铌、钒、钛等微合金化组合方式[1]，尤其是成品宽度不大于1400mm的需求量急剧上升，板坯亚包晶钢小断面铸坯需求量的急剧增加，导致炼钢与连铸生产节奏的不平衡，制约了高效生产，其核心问题表现在板坯亚包晶钢拉速偏低环节。赵紫峰[2]等针对230mm×1200mm断面亚包晶钢在某厂板坯铸机上进 行 了1.5m/min拉 速 的工 业 试 验，结果表 明：拉 速 由1.3m/min提 高 至1.5m/min，平均热流增加约0.1MW/m2，宽面弯月面区域局部热流增加约0.13MW/m2，结晶器窄/宽面平均热流比超过0.9，宽面坯壳厚度平均减少4mm;因存在诸多风险，板 坯 亚 包 晶 钢1.5m/min工 作 拉速没有得到工业推广应用。本文重点对亚包晶钢板坯高拉速技术进行了研究与工业实践，高拉速(不低于1.5m/min)成功应用于现场，最高工作拉速达到1.6m/min，取得了显著的成效。
1 亚包晶钢板坯工作拉速现状
该厂生产亚包晶钢的工艺流程为：铁 水 预 处理(KR)→300t顶 底 复吹 转 炉 → 吹 氩 站 →LF→ 230mm×(950～2150)mm 板坯 连铸 机，板 坯 连铸机为直弧型，主半径为9.59m，配 置 FC-Mould电磁装置;共有19个扇形段，其中1与2段为机械固定式，3～19段为带位置传感器油缸浮动式，可以依据位 置 传 感 器 设 定 值 进 行 压 下 与 抬 起，1段为垂直段，2段为弯曲段，9段为矫直段，10～19段为水平 段，冶 金 长 度 为42.6m;典型亚包晶钢 的化学成分如表1所示。
在 正 常 生 产 过 程 中， 工 作 拉 速 为1.25m/min;生产230mm×1300mm断面时，浇铸周期 为53.2min，与钢水供应周期40min相 比严重不匹配，限制了生产效率的提升，为解决炉机周期不匹配问题，提高生产效率，进行了亚包晶钢高拉速实验，目标工作拉速1.6m/min;试验钢种成 分 如 表 1 所 示，浇 铸 断 面 为 230 mm × 1300mm。
2 亚包晶钢板坯高拉速技术优化
2.1 结晶器冷却制度优化
在结晶器内，钢液和凝固坯壳的绝大部分热量是通过垂直于拉坯方向传递的，主要由3部分构成：铸坯液芯与坯壳间的传热、坯壳与结晶器壁间的传热、结晶器壁与冷却水之间的传热。结晶器内的传热过程较为复杂，与坯壳和结晶器之间的传热系数、拉速、保护渣特性、钢的高温强度、结晶器锥度、长度和凝固坯壳的表面温度等多种因素有关，一般采用结晶器热流密度q 来衡量结晶器的热工作状态，它对亚包晶钢铸坯表面裂纹的发生有着重要的影响。
板坯结晶器热流密度q 可以定义为：q=ωcΔT/S (1)式中：ω 为 冷 却 水 流 量，m3/s;c 为 水 比 热 容，J/(kg·℃);ΔT 为进出水温差，℃;S 为结晶器有效传热面积，m2。
对不同拉速下亚包晶钢结晶器宽面平均热流密度进行统计，见图1所示。可以看出，拉速与结晶器平均热流之间呈线性关系，平均热流密度随着拉速的增加而增加，拉速为1.30m/min时热流密 度 为 1.17 ～ 1.56 MW/m2， 平 均 为1.37MW/m2，拉速增加至1.40m/min时平均热流密 度 为1.48 MW/m2，拉 速增加 到1.50m/min时平 均 热 流 密 度 为1.55 MW/m2，拉 速 增 加 到1.60m/min时平均热流密度为1.58MW/m2。
在一定的过热度条件下，热流密度的增加，结晶器内钢液凝固推迟，凝固坯壳减薄或坯壳表面温度升高[3]，在应力不变的情况下，坯壳表面温度向第I脆性温度区(熔点 Tm ～1300 ℃)移动，铸坯的表面纵裂纹倾向增加，恶化铸坯的表面质量;甚至还会造成结晶器膜态沸腾，影 响 生 产 安 全，Kanazawa等通过实验表明，当结晶器热流密度高于1.70MW/m2时，亚 包晶钢 铸 坯 表 面 纵 裂 纹 发生几率将大幅提高[4]。
随着亚包晶钢拉速的提升，考虑到其增加的传热量，将结晶器水流速从当前的7.27m/s增 加 到8.45m/s，即 窄 面 冷 却 水 由430L/min提 升 至500L/min。调整结晶器冷却强度后，当拉速提升至1.50m/min 以 上 时，热 流 密 度 在 1.45 ～1.50MW/m2，拉速提升过程中热流密度更为平稳，更有利于生产安全和产品质量的控制，见图2所示。
2.2 结晶器振动模式优化
优化前的结晶器振动参数见图3所 示，可 以看出，优化前所使用的振动参数，振动幅度一定，振动频率与拉速呈正比，随着拉速的增加，负滑脱时间逐渐降低，增加了粘结漏钢的风险[5];因此考虑到改善铸坯表面质量和降低粘结漏钢的风险，对现有振动参数进行优化，采用振动频率随拉速呈反向变化，即振动频率随拉速提高而降低，振幅随拉速提高而增加，从而使正滑脱时间增加，增加保护渣消耗量，改善润滑，防止粘结漏钢，而同时保持负滑脱时间稳定不变，使振痕深度变浅，改善铸坯表面质量。
表2为优化前后结晶器振动参数的对比。可以看 出，优 化 后 亚 包 晶 钢 拉 速 提 升 至1.40～1.60m/min，负 滑 脱时 间 基 本 控 制 在0.151s，负滑脱率控制在36 %左右，与优化前相 比，负 滑 脱时间 分 别 增 加17.97 %、25.83 %、34 .82 %，降低了粘结漏钢的风险，提高了生产的安全性。优化后的振动参数见图4所示。
2.3 结晶器保护渣性能优化
亚包晶钢拉速提升后，吨钢消耗的保 护 渣 量降低，凝固坯壳与结晶器铜板之间的液渣流入不足，增加拉速阻力，易发生粘结 报 警[6]，因 此在高拉速条件下，保护渣应具备较好的传热性能，适当提高碱度，减轻纵裂纹风险;同时还应具备较好的润滑性能，适当降低黏度，基于此开展保护渣物性参数优化，见表3所示。
由表3可以看出，优化后的高拉速保护渣1，适当增加了保护渣碱度，提高保护渣传热能力，防止拉速提升后出现纵裂纹等问题，同时考虑到拉速提升后保护渣消耗量降低的问题，适当降低保护渣黏度，增加保护渣的流入量，经过实践发现，高拉 速 保 护 渣 1 使用过程中保护渣消耗量约0.50kg/t，液渣 层厚 度10～12mm，未 发 现纵 裂纹等质量问题。
考虑到铸坯表面振痕对角部质量的 影 响，将拉速提升到1.50m/min以上时，进一步优化调整保护渣物性参数，优化后的高拉速保护渣2，略降低了保护渣的碱度，提升了保护渣的黏度，既能一定程度上控制保护渣传热，防止纵裂纹的出现，也能通过提升黏度减少保护渣的流入量，使得振痕变浅，一定程度上改善了铸坯的角部质量，通过实践，高 拉 速 保 护 渣2渣 耗 量 在0.45～0.50kg/t，液渣层厚度8～12mm，未发 现纵 裂 纹 等 表 面 质量问题。
通过生产实践，在满足实际生产需求的保护渣传热、润滑等需求基础上，对保护渣物性参数进行了优化调整，目前将高拉速保护渣2应用于拉速提升至1.40m/min以上，将常规保护渣应用于拉速小于等于1.40m/min时。
3 亚包晶钢高拉速对铸坯质量的影响
3.1 对铸坯中心偏析质量的影响
对不同拉速下典型亚包晶钢中心偏析质量进行统计，见表4所示。不同拉速下铸坯的宏观低倍照片见图5、图6所示。
由 表 4 和图 5、图 6 看出，在拉速小于等于1.3m/min下，典型 钢种1与 典 型 钢 种2铸 坯 的中 心 偏 析 集 中 在 B0.5～ B1.0;在 拉 速 大 于1.4m/min拉速下，典型 钢 种1与 典 型 钢 种2铸坯的中心偏析集中在B0.5～B1.0;随着拉速的增加，并未恶化铸坯的中心偏析质量。
3.2 对铸坯表面纵裂纹发生率的影响
经统计，不同拉速下铸坯表面纵裂纹发生率(裂纹长度大于4mm)如表5所示，针对典型钢种1，通过检查1089块铸坯，其表面纵裂纹平均发生率为0.16 %;针对典型钢种2，通过检查736块铸坯，其表面纵 裂 纹 平 均 发 生 率 为0.18 %;表 明 经连铸工 艺 优 化 后，1.5～1.6m/min拉 速 条件 下，微合金亚 包 晶 钢 铸 坯 表 面 纵 裂 纹 发 生 率 控 制 较好，都小于0.30 %。
结 论
1)从亚包晶钢结晶器冷却、振动模式及结晶器保护渣等方面对亚包晶钢板坯工艺技术优化，结晶器冷却水流速由7.27m/s提高至8.45m/s，结晶器振动模式的负滑脱时间由0.112～0.128s稳定控制在0.151s，结 晶 器 保 护 渣 碱 度 由1.28提 高 至1.29，1300℃黏度由0.13Pa·s下调至0.12Pa·s。
2)实现了亚包晶钢高拉速的稳定生产，最高工作拉速达1.6m/min，解决了炉机周期匹配问题。
3)亚包晶钢高拉速生产工况下，铸坯表面纵裂纹发生率小于0.3 %，中心偏析质量稳定。