63改善304不锈钢板坯表面质量工艺实践10-6

第四届发展中国家连铸国际会议（CCC’08）”改善304不锈钢板坯表面质量工艺实践孙铭山、邹勇、范光伟、王立新（太原钢铁(集团)有限公司技术中心，山西省太原市030003）摘要：太钢通过采用低振幅高振频振动方式、精确控制结晶器液面、优化水口插入深度、低熔点保护渣、恒拉速等连铸工艺技术，大幅提高了太钢304不锈钢铸坯表面质量，使304不锈钢在高拉速条件下的铸坯无修磨比例超过60％，冷板表面质量也得到进一步的提升。关键词：连铸工艺、表面质量、无修磨PracticeonImproving304StainlessSteelSlabSurfaceQualityinTISCOSUNMingshan,ZOUYong，FANGuangwei,WANGLixin(TechonolgyCenter,TISCO，taiyuancity,shanxiprovince030003)Abstract:Thehighoscillationfrequencyandlowoscillationswingofmould,accuratelycontrolledmeniscusfluctuation,optimizingSENdepth,constantcastingvelocity,andlowcoolingwaterofmouldwereadoptedduringthecontinuouscastingof304stainlesssteelinTISCO,ratioofthestainlesssteelslabswithoutgrindinggotupto60percentandthesurfacequalityofthecoldrolledcoilswasimproved.Keywords:Continuouscastingprocess,Surfacequality,Non-grinding1前言太钢150万吨新不锈钢生产线投产以后，产能达到200万吨/年，其中304型不锈钢产量超过4万吨/月。新不锈钢冶炼系统拥有世界上最先进的不锈钢生产线，其连铸是在高拉速条件下进行浇注，具备无修磨的条件。因此，在新不锈钢生产线实现304型不锈钢铸坯无修磨轧制对提高生产效率和降低成本有非常重要的意义，而实现铸坯无修磨的关键是必须生产出表面无缺陷的铸坯。本文基于新不锈钢冶炼系统的连铸设备及钢种特点，针对当时304铸坯表面存在的凹陷和振痕深等质量问题进行技术攻关，经过大量的试验和研究，得出影响铸坯表面的凹陷和振痕等表面缺陷的原因并提出相应解决措施。通过这些技术的实施使太钢304不锈钢铸坯表面质量得到大幅改善，无修磨比例超过60％，取得了明显的成效。2生产工艺概况新不锈钢系统采用160吨BOF→180吨LF→180吨AOD→连铸→修磨→热轧→冷轧的工艺路线生产304型不锈钢冷板，连铸工艺参数如表1所示。表1连铸机参数Table1:continuouscastingparameters项目参数类型垂直弯曲型铸坯规格180－250mm×1000－2150mm铸机半径9000mm冶金长度27396mm结晶器类型直结晶器，长度900mm中包最大30吨MLACCo－60振动条件75－180次/分钟拉速0.8－1.6m/min3304不锈钢的凝固特点304是亚稳定奥氏体不锈钢，在不同温度下有不同的相组成，图1为Fe-Ni-Cr三元相图的垂直截面图[1]。304凝固过程为：L→L＋δ→L+δ＋γ→δ＋γ→γ。凝固时，首先从液相析出δ铁素体，第四届发展中国家连铸国际会议（CCC’08）”而周围成为富Ni、贫Cr的区域。温度降低到一定程度，发生L＋δ→γ包晶,δ铁素体周围形成γ奥氏体，然后δ铁素体和γ奥氏体同时向液相生长。当温度下降到1400℃左右，液相逐渐消失。到1300℃以下，δ铁素体转变为γ奥氏体，成为γ奥氏体钢[1]。304不锈钢在凝固过程中除发生1％液态收缩、3~4％凝固收缩、7~8％的固态收缩外，还有3.8％包晶反应收缩，属于收缩敏感性钢种。此外，304的凝固坯壳具有生长不均匀的趋势[1-2]。因此，与其它不锈钢相比，304铸坯易产生边部纵向凹陷且生成深的振痕。图1Fe-Ni-Cr三元相图的垂直截面图Fig.1TheverticalsectiondiagramofFe-Cr-Niternaryphasediagramatw(Cr)=19%4影响304铸坯无修磨的主要缺陷4.1铸坯边部凹陷4.1.1铸坯边部凹陷形态新炼钢当时生产的304不锈钢连铸坯宽面距边部100~200mm处存在约150mm宽、0.5~2mm深纵向凹陷，而这一部位的振痕明显深且紊乱，因此，在振痕底部容易产生裂纹。为此，在凹陷部位切取40×40mm的试样，通过在显微镜下观察结果发现底痕根部存在微裂纹，具体相貌如图2所示。图2金相显微镜下连铸坯纵向凹陷部位表面微裂纹Fig.2Surfacecrackinlongitudinaldepressofslabinmicroscope4.1.2铸坯边部凹陷形成机理在结晶器中，连铸坯的角部是二维冷却，冷却强度最高。由于304不锈钢是强收缩钢，这样角部先收缩而与结晶器之间产生间隙，就会在邻近角部的宽面和窄面各产生一个凝固坯壳最薄的拐点，即热点。考虑实际的温度场分布，在结晶器弯月面宽面边部温度比较低，先处于这类钢包晶反应温度区，这样弯月面处铸坯窄面与结晶器产生较大的间隙，另一方面宽面热点处的坯壳没有窄面的厚。随着凝固的进行，在钢液静压力的作用下，就会将窄面的坯壳压向结晶器，正是由于这一静压力以及宽面收缩的作用，就会使铸坯角部产生扭动，从而在宽面两边部形成凹陷，其形成过程示意图见图3。图3304铸坯宽面纵向凹陷示意图Fig.3Scheduleoflongitudinaldepressonthe304slab4.2铸坯振痕4.2.1铸坯振痕对表面质量的影响振痕的深度是衡量铸坯表面质量的重要标准，为了提高铸坯表面质量，应尽量降低振痕深度[3]。振痕深会导致其底部存在微观裂纹、偏析带以及夹渣等缺陷。因此，目前普遍认为浅而规则的振痕是铸坯表面质量优良的体现。与碳钢相比，不锈钢铸坯在热轧加热过程表面产生的氧化铁皮薄，深振痕下的裂纹、夹渣、偏析带等不能通过氧化除去。因此，304不锈钢进行铸坯无修磨要求其振痕深度小于0.25mm[4]，新不锈钢冶炼系统连铸投产初期，铸坯表面振痕深度基本在第四届发展中国家连铸国际会议（CCC’08）”0.6~0.9mm左右，对最终冷板产品的表面质量影响很大。4．2．2振痕形成机理结晶器振动是为了改善润滑、避免粘结、提高拉速，但在铸坯表面形成振痕。目前振痕的类型基本分为钩状和凹陷状两种[7]。关于振痕形成的机理，先后提出多种理论。目前，被广泛引用的是Tomono的理论，它解释了钩状和凹陷状两种振痕的形成原理。该理论认为[6]，结晶器中的钢水受到表面张力的作用形成弯月面，在结晶器相对于坯壳向下运动时，即在负滑脱时间里，指向铸坯中心的压力使弯月面边沿的初始凝固壳向里运动，负滑脱即将要结束和正滑脱将要开始时，弯月面初始凝固壳开始向结晶器移动，负滑脱时间越长，弯月面坯壳的厚度和长度越大；当结晶器向上运动时，液面压力释放，钢水回流向结晶器壁盖住弯月面，所以在铸坯表面形成一个横向的凹下振痕，如果溢流从铸坯的初始凝固壳破裂而出，此时就会产生钩状振痕；如果不溢流出来，就形成凹陷状振痕。由于保护渣的润滑作用，减小了初始凝固坯壳和结晶器内壁的摩擦力，减小了拉裂的可能性，因此，凹陷型振痕出现的机会更大。5改善铸坯表面质量工艺措施针对太钢304不锈钢表面纵向凹陷和振痕深的质量问题，基于其形成机理分析并结合现场工艺装备条件，从水口插入深度、保护渣粘度、拉速、结晶器振动参数等工艺方面进行了改进。5.1水口插入深度的影响浸入式水口的插入深度对流股冲击深度、液面波动、表面流速和卷渣均有重要影响，特别是在高拉速条件下影响更加显著。当水口插入深度过于浅时，结晶器表面的流速和液面稳定性差，因而容易发生卷渣，形成皮下夹杂；当水口插入深度过于深时，钢流在边部和弯月面的温度降低，弯月面凝固及保护渣熔化不良，导致连铸坯边部纵向凹陷加重，容易产生铸坯表面质量问题。研究发现[5]，浸入式水口的插入深度对铸坯缺陷的影响会随板坯尺寸的变化而变化。通过产品试验及数据统计分析了水口插入深度的影响，发现304不锈钢窄坯凹陷随浸入式水口的插入深度的减少而减少，而宽坯随浸入式水口的插入深度的增加而减少，试验结果见图4。因此，针对连铸坯宽度规格相应调整水口插入深度，可减轻铸坯表面凹陷。图4水口插入深度与铸坯凹陷指数关系Fig.3RelationbetweenSEMdepthandslabdepression5.2结晶器保护渣的影响连铸结晶器保护渣不仅能为结晶器钢液面提供化学保护及绝热保障，而且能够在结晶器－钢液界面提供润滑作用以及在结晶器和铸坯(流)之间提供均匀的传热，同时能吸收上浮的夹杂物。因此，选用合适的保护渣对提高铸坯质量非常重要。图5保护渣对冷板冶金缺陷的影响Fig.5Influenceofpowderoncoldrolledsheetsmetallurgydefects粘度是保护渣非常重要的指标，粘度与渣膜的厚度和均匀度有很大关系。粘度太大或太小，会造成渣膜厚度过薄或过厚，使润滑、传热不良。根据研究[4]，人们把粘度和拉速结合，将ηv2值作为形第四届发展中国家连铸国际会议（CCC’08）”成稳定渣膜的判定标志，选择最佳的ηv2值，保持保护渣消耗稳定，此时液渣膜厚度、结晶器传热、结晶器温度波动最小。新连铸生产304不锈钢时，根据浇注规格及拉速试验了A和B两种保护渣，物性见表2。A渣消耗量为0.40~0.45kg/t，B渣消耗量为0.35~0.40kg/t。对比两种保护渣，A保护渣更适合新连铸的浇注条件，能明显降低冷板冶金缺陷比例，试验结果见图5。表2结晶器保护渣物性Table2PhysicalpropertiesofthetwomoldpowdersA渣B渣碱度1.101.15粘度（泊1300℃）1.101.50熔点（℃）112011305.3拉速的影响浇注过程拉速变动使结晶器液面波动增加,当液面波动超过高度极限值(渣池厚度+结晶器振幅)时，造成保护渣渗入不足和结晶器保护渣渣层不稳定，从而使坯壳冷却不均匀和润滑不好，易造成铸坯裹渣、振痕不均匀、凹陷等缺陷。图6拉速波动对冷板冶金缺陷的影响Fig.6Influenceofcastingspeedfluctuationoncoldrolledsheetsmetallurgydefects通过实际生产数据分析，结果也也证实了这一点，恒拉速浇铸能明显减少304不锈钢冷板冶金缺陷，试验结果见图6。因此，根据铸坯规格制定相应的拉速，并在浇注过程中保持恒定。5.4结晶器振动参数的影响结晶器振动的最主要参数是振幅和频率，提高振动频率、减少振幅可降低负滑脱时间。振痕和负滑脱时间可用公式12/ndkt表示[4],d为振痕深度，k为比例常数，nt为负滑脱时间，为保护渣粘度。根据上述公式和设备状况对振动频率和振幅进行了优化，将振幅减少至4.0mm,频率提高至150，使负滑脱时间小于0.2秒。采用上述工艺措施后，铸坯振痕深度明显降低并且均匀。5.5其它影响因素结晶器冷却制度：结晶器采用弱冷，同时控制结晶器窄面与宽面平均热流的比值。结晶器弱冷可减轻坯壳收缩，同时减少坯壳的热应力。结晶器液面波动：控制结晶器液面波动≤±3mm，当结晶器液面波动高于±3mm时，铸坯表面形成深而乱的振痕。6铸坯表面质量改善效果通过以上工艺措施的改进，304不锈钢铸坯表面凹陷和振痕深度明显减轻，铸坯质量显著改善，见图6，无修磨比例超过60％，且无修磨铸坯冷板表面质量与修磨铸坯的冷板表面质量无明显差别。图7铸坯表面质量对比Fig.7Comparingofslabsurfacequality7结束语304是亚稳定奥氏体不锈钢，其在不同温度下由不同相组成，属于强收缩钢，铸坯表面易产生缺陷。针对新不锈钢冶炼系统连铸设