异型坯包晶合金钢质量控制的研究与应用

中国冶金装备网—中国冶金人的网异型坯包晶合金钢质量控制的研究与应用王学新，于铭杰，石磊，王明杰，卢波，陈永生，胡增跃，高山韩传基，高仲，安航航摘要：本文针对莱钢银山型钢炼钢厂异型坯连铸机生产包晶合金钢过程中出现质量缺陷的实际，分析了影响异型坯包晶合金钢质量缺陷产生的主要原因，通过优化钢水生产工艺及成分控制、采用全保护浇注、研发异型坯包晶钢专用保护渣等措施，使异型坯包晶合金钢合格率提高到99.95%以上。关键词：异型坯；包晶合金钢；全保护浇注；保护渣根据市场需求，莱钢银山型钢炼钢厂在异型坯连铸机开发了海洋石油平台用钢SM490YB和Q345EL（-50°耐候钢）等包晶合金钢。这类钢种终点碳含量控制在0.12%-0.16%之间，同时对产品的物理性能要求较高。莱钢银山型钢炼钢厂异型坯连铸机因其断面大，腹板位置宽度窄，长期以来一直采用半保护两点浇注方式，生产过程钢水二次氧化严重，导致钢水内夹杂物多，钢中氧含量高。在生产包晶合金钢时造成铸坯内部夹杂物多和腹板裂纹的发生，严重影响了产品质量的提高，限制了包晶合金钢的生产。莱钢型钢炼钢厂针对异型坯连铸机的特点，在原有生产工艺的基础上，通过优化钢水生产工艺及成分控制、实施全保护浇注、研发异型坯包晶钢专用保护渣等措施，产品表面质量合格率由原来的70%提高至现在的99.95%以上，物理性能合格率达到100%。1异型坯包晶合金钢腹板裂纹产生机理经过长期的分析研究，发现轧材裂纹主要集中在H型钢腹板中部或靠近圆角处，裂纹沿轧制（浇注）方向出现。用放大100倍的高倍显微镜观察，图1裂纹高倍脱碳图（×100）裂纹深度0.2-0.8mm，裂纹宽度0.1-0.6mm，裂纹底部不规则，有些裂纹有延伸（底部扩展），裂纹周围有脱碳迹象（见图1）。电镜观察裂纹周围有夹杂物(硅、锰氧化物)富集的现象。与轧材相对应，铸坯在腹板圆角处和腹板中部也存在表面裂纹，但因热态下较小的裂纹不易发现，有些缺陷铸坯漏检，造成轧材腹板裂纹。从根本上讲，表面纵裂是由于坯壳在结晶器内冷却不均导致应力集中而发生的。引起表面纵裂的具体原因有以下两个方面：①钢中含碳量为0.12%-0.16%时，由于相变造成热收缩差异导致初中国冶金装备网—中国冶金人的网生坯壳的厚度不均性最严重，收缩应力作用于坯壳上的拉应力超过钢的高温允许强度和应变，在薄弱处产生应力集中，导致纵裂，在二冷区继续扩展，这是产生纵裂的内因；②保护渣熔渣层过厚或不稳定，引起液渣流入波动，结晶器热流紊乱，加之结晶器液面波动和钢水过热度较大，共同构成了铸坯产生裂纹的外因，加剧了裂纹敏感性钢种产生裂纹的危险性。因此横向收缩产生的摩擦力与坯壳变形所产生的应力是纵向裂纹产生的根源，从力学分析的角度讲，纵裂产生的最大原因是与其垂直的横向应力。通过对异型坯温度场和应力场有限元分析，结合现场工艺条件实际测量和铸坯低倍、高倍检测，对腹板裂纹进行了深入分析研究，明确了腹板裂纹的产生机理，为从根本上解决腹板裂纹奠定了基础。（1）异型坯断面形状不规则，很难实现均匀冷却，造成铸坯表面温度梯度大，现场实测表明腹板中心温度比腹板圆角部位低120～240℃，且腹板处于低温脆性区，裂纹敏感性强。异形坯低倍组织显示柱状晶分布很不均匀，进一步证明了异型坯冷却的不均匀性。（2）温度的不均匀造成应力分布的不均匀，通过有限元分析法模拟温度场和应力场，结果表明腹板部位应力特别集中，是其他部位的3倍以上，且受异型坯断面不规则性的影响难以消除（见图2）。腹板部位应力集中，且温度处于低温脆性区，裂纹出现的几率增加。图2应力场有限元分析图3异形坯表面应力分布简图（3）异型坯形状的不规则性还决定了凝固时坯壳受力的特殊性。与普通板坯相比，异型坯形状特殊，受力方向复杂（见图3），其最大区别在于：①腹板坯壳收缩受翼缘（结晶器凸出部分）的牵制，形成额外的应力，而板坯宽面坯壳收缩自由收缩；②翼缘的变形使得腹板与结晶器壁之间的摩擦力增加，造成腹板坯壳冷却收缩所产生的应力更大；③在结晶器下部和二次冷却区，翼缘收缩变形使腹板表面裂纹扩展趋势增大。（4）通过裂纹的高倍分析，发现裂纹处夹杂物含量较高，主要是锰、硅氧化物和硫化物，这些夹杂物的存在显著降低了钢的高温力学性能，若腹板夹杂物聚集部位应力集中更易产生裂纹（见图4、图5）。同时，钢种夹杂物较多也是影响异型坯包晶钢产品超低温条件下物理性能不合的的重要原因。经过分析，我腹板凝固时受自身收缩应力和翼缘拉应力的双重作用结晶器铜板阻碍坯壳收缩中国冶金装备网—中国冶金人的网们认为铸坯夹杂物主要是钢水洁净度不高和钢水的二次氧化造成的。全氧含量对腹板裂纹影响0.0030.0050.0070.0090.012510253005101520253035全氧含量/%腹板裂纹产生率/%图4钢水中全氧含量对腹板裂纹影响钢水中S含量对腹板裂纹的影响0.0150.020.0250.0313.6103005101520253035S/%腹板裂纹产生率/%图5钢水中S含量对腹板裂纹的影响2解决问题处理方案2.1优化钢水生产工艺及成份控制异型坯连铸机因其形状的不规则性导致其对钢水质量要求更加严格，为避免钢水质量引起腹板裂纹的发生，研究转炉滑动出钢口挡渣工艺，实现了转炉的无渣出钢，减少转炉渣对钢水质量的影响；精炼采用智能吹氩模型、前期一次性成渣技术，控制终点硫含量在0.015%以内，保证后期的软吹时间和软吹效果，钢中氧含量大幅降低，钢中氧含量对比如表1所示：表1工艺优化前后钢中全氧含量对比情况炉号T[0](ppm)备注1-246052优化前1-246144优化前2-253855优化前3-258252优化前平均值50.75优化前1-485118优化后1-485217优化后2-495617优化后3-495315优化后平均值16.75优化后采用窄成分控制法则，严格控制钢水中C、Mn成分，减少上下炉次成分的波动。在保证了相同碳当量中国冶金装备网—中国冶金人的网的同时，避开了包晶反应发生的最敏感区域，减少了钢水在结晶器内凝固过程中发生包晶反应导致应力集中产生腹板裂纹的可能性。2.2全保护浇注工艺的实施莱钢异型坯连铸机采用半保护浇注生产海洋石油平台SM490YB和Q345EL（-50℃）钢种时，钢水中的氧含量较高，同时钢水二次氧化严重产生内生夹杂物较多且夹杂物体型较大。莱钢异型坯连铸机断面最大达到1024mm，但腹板位置宽度仅有90mm，给全保护浇注水口设计和均匀结晶器流畅带来困难。莱钢银山型钢炼钢厂结合异型坯连铸工艺特点，设计开发出异型坯专用扁平浸入式水口[1]，采用单支浸入式水口与塞棒系统配合，水口由腹板中心插入获得均匀的结晶器流畅（如图6），实现坯壳的均匀发育。通过采用全保护浇注方式，有效避免了半保护浇注时钢水从中间包注入结晶器过程中大量与空气接触，使钢水二次氧化严重产生大量夹杂物。图6异型坯全保护浇注图2.3研制具有独家配方的异形坯包晶钢专用保护渣2.3.1保护渣粘度度对纵裂的影响坯壳和结晶器之间适宜的保护渣渣膜厚度与保护渣粘度有直接关系，粘度较低时，液态渣会在局部过多形成渣沟；而粘度较大时，液态渣不会顺畅地流入弯月面，就不可能在坯壳和结晶器之间形成厚度均匀的渣膜，从而增加了坯壳的不均匀性。粘度较低或较高的保护渣都使大断面异形坯产生较多的裂纹，特别是粘度高时情况更严重。2.3.2保护渣碱度对纵裂的影响坯壳与结晶器壁之间保护渣渣膜的传热主要有辐射和传导两种方式，保护渣渣膜由液渣态层和固相态层所构成，渣膜中玻璃体和结晶体的比例显著影响保护渣的润滑和传热。渣膜中玻璃体比例高，坯壳润滑好，无粘结和漏钢现象；渣膜中结晶体比例高，一是减少透明玻璃体达到减少辐射传热，二是结晶体内的微孔和界面极大地削弱晶格振动，从而减弱传导传热，达到减缓传热和减少裂纹的目的。2.3.3莱钢近终型异形坯包晶合金钢保护渣的研制针对包晶钢表面质量的要求，分别试验了不同粘度、碱度的保护渣。根据不同钢种表现出的裂纹特点，有针对性的优化保护渣性能：同时考虑锰氧化对粘度的影响；含铌/钒包晶钢侧重控制传热。为此设计了不同碱度、粘度的保护渣，进行了大量的对比试验，部分保护渣对比试验如表2所示。通过大量的试验分析对比，最后确认3#保护渣作为包晶含钢的专用保护渣，使用后裂纹发生率明显减少。中国冶金装备网—中国冶金人的网表2异形坯连铸机包晶钢保护渣试验对比情况保护渣粘度(Poise)熔点(℃)碱度(R)裂纹率(%)保护渣1#7.2511611.0425.01保护渣2#5.0011711.0915.25保护渣3#7.8611841.330.143、应用效果解决了莱钢异型坯连铸机生产包晶合金钢出现的腹板裂纹和物理性能不合等问题，铸坯合格率由原来的75%提高到目前的99.95%，物理性能合格率达到100%，提高了异型坯包晶合金钢的冶炼水平。参考文献：[1]张婕等.近终型异型坯连铸用扁平浸入式水口的设计开发.莱芜.莱钢科技.2009。6（文章来源：中国冶金装备网）