不锈钢圆管坯的连铸工艺

不锈钢方圆坯的连铸机工艺上海重矿连铸技术工程公司李百炼摘要：本文主要介绍了不锈钢方圆连铸机的工艺特性以及设计，为不锈钢方圆坯在质量控制及生产工艺的开发积累了经验。ProcessTechniqueofbloomandroundstainlesssteelcontinuouscasterLIBaiLianSHANGHAIMETALLURGY&CONTINUOUSCASTINGTECHNOLOGIESCO.,LTD.Abstract:Thepapermainlyintroducetheprocesscharacteristicanddesignwhichmainlypointofbloomandroundstainlesssteelcontinuouscaster.Itcansupplymoreexperiencefordevelopingthequalityandproducingprocessofbloomandroundstainlesssteel.浙江青山特钢是一家专生产不锈钢的民营企业，年产不锈钢60余万吨，原穿管车间坯料均为台湾进口，2005年5月上海重矿连铸技术公司设计制造的连铸投产后，不锈钢圆管坯完全替代了进口，进而又在该铸机上开发了不锈钢矩坯，扁坯，及小方坯，做到了一机多用，满足了企业对市场的需求。1）工艺条件钢种：奥氏体不锈钢圆管坯奥氏体及铁素体不锈钢方，矩坯奥氏体及铁素体不锈钢扁坯断面：Ф160～Φ240mm（圆管坯）220Χ260mm140Х140mm（棒，线材）140Χ345mm140Х310mm（中，宽带）工艺路线：ICF（30t感应炉）-AOD-VOD-LF-CCM不锈钢圆管坯及方，扁，矩坯的基本质量要求表（1）基本质量要求圆管坯方，矩，扁坯.表面质量无裂纹，夹杂，翻皮，凹陷等振痕＜1mm.无裂纹，夹杂，翻皮，凹陷等振痕＜1mm.内部质量无裂纹，夹杂气泡＜1.5级缩孔及疏松。无裂纹，夹杂气泡＜1.5级缩孔及疏松。公差直径及外形尺寸±2.0mm±4.0mm椭圆度公差直径的0.75倍平直度＜5.0mm/m2）钢种奥氏体系不锈钢（一般为18%Cr-8%Ni,C≤0.1%）,常称18-8钢，其基体组织为奥氏体（γ铁），牌号为300系列，市场需求为不锈钢的～70%，典型钢种为304。铁素体系不锈钢（一般为13～30%Cr,微碳，其基体为铁素体，牌号为400系表（2）钢的热物理性能钢种收缩%0～500℃线膨胀系数a/℃-1导热系数λ/w·(m·k)-1800℃1000℃不锈钢7.51.836Х10-522.825.4碳钢3-41.17Х10-539.230.0纯铁--43.332.8不锈钢的导热系数比碳钢小，而凝固收缩量比碳素钢大，在二冷区内铸坯的凝固是通过坯壳散热，而坯壳的传热主要取决于钢的导热系数，不锈钢的凝固速度比较慢，钢的凝固速度与导热系数成正比。由于钢的导热系数不同，凝固结构也有区别。铁素体不锈钢比奥氏体不锈钢导热系数大20～30%，因而铁素体完全凝固后形成柱状晶+等轴晶的结构，奥氏体不锈钢的凝固则是贯穿的柱状晶。高温性能：表（3）1300℃时的抗拉强度奥氏体不锈钢(Cr-Ni系)～0.12Mp铁素体不锈钢（16%～18%）～0.0245Mp3)冶金考虑鉴于圆坯均为奥氏体不锈钢，方扁坯既有奥氏体又有铁素体。奥氏体不锈钢为主要考虑方面，结晶器的设计由于涉及液/固二相至关重要，钢水在结晶内形成初生坯壳，其在结晶器中的凝固过程决定表面质量，对于正好接近凝固结束时发生δ-γ相变的钢种，要达到均匀的坯壳生长是困难的。图（1）凝壳不均匀出结晶后造成的凹坑[1]由于铸坯在结晶器中传热受诸种因素影响，计算坯壳厚度的公式也有多种，通过热流值来控制坯壳厚度是一种有效的方法。S～0.155H00.5（1）从结晶器冷却水的温升直接测量结晶器热流对监控结晶器内的初期凝固过程非常有用的，为定量说明，热流与铸坯表面区关系为：H0=PTVQ（2）[2]H0—热流kcal/m2Q----结晶器冷却水量l/minΔT---冷却水温升0СV---拉速m/minP---结晶器周边长,m当然，热流值还与下列因素有关：a)结晶器的材质及壁厚b)结晶器的表面涂层c)结晶器的长度及几何形状d)结晶器的冷却强度（水速）e)保护渣的粘度及消耗量f)浇铸钢流的形态g)钢水的过热度h)钢中残余元素的含量以304为例平均热流为1329kw/m2，结晶器导出的热流最小，Ni’/Cr’当量比为0.55～0.60奥氏体不锈钢相当于～0.10%C碳钢的热流。如图（2）所示。图（2）碳对结晶器平均热流的影响[3]图（3）振痕深度与含碳量及Ni′/Cr′关系F%=5.21(0.74-NI’/Cr’)(3)[5]Ni’=Ni+0.31Mn+22C+14.2N+1Cu(4)Cr’=Cr+1.5Si+1.37Mo+3Ti+2Nb(5)如果F%值高于100%，则表示铁素体稳定性增加，如果F%值低于100%则表示奥氏体稳定性增加。Ni′/Cr′为0.55处于转折点。处于此状态的不锈钢坯由于热流导出小，坯壳厚度不均匀，而收缩的不均匀性会导致皱折严重，如图（1）甚至在坯壳薄弱之处产生凹陷，在热应力和机械应力作用下容易断裂，是裂纹的潜在位置。304型奥氏体不锈钢的成分（Ni′/Cr′比为0.55）对凝固裂纹非常敏感，因为正好凝固终点进行δ-γ相转变。不仅横向凹坑达到最大且纵向凹坑和裂纹达到峰值，304钢比321或316出现横向凹坑机会要高的多。4.)结晶器及铜管的设计我们的目的不在于使热流最大而使其达到最佳，较弱的结晶器冷却可以保证裂纹及凹陷敏感钢的坯壳非常均匀的生长，另一方面，无论是纯铁素体凝固的，还是奥氏体在凝固的钢，或者许多铁素体-奥氏型的其他钢种，他们在凝固的时候，基本上都经过δ-γ的转变，这些钢种的坯壳生长都相当均匀，在结晶器内其凝固系数在22~25mm·min-0.5范围内。图（4）奥氏体不锈钢和普碳钢结晶器内的凝固K的范围[6]a)稳定的浇铸条件b)不稳定的浇铸条件在结晶器设计时，窄水缝高水速不适宜浇铸不锈钢，水逢的定位精度要保证，铜管的几何尺寸和相对锥度很重要。图（5）a）上左为直线型铜管b)上右为双锥度型铜c)下左为抛物线型铜管d)下右为：“鼓肚“(convex)型铜管图（5）为常用的四种方，圆坯锥度曲线，根据实际不锈钢的导热情况，最终方坯选取上左直线型，而圆坯选取下左抛物线型。(6)对根据不同的断面圆坯来说相对锥度为1.4-1.7%/米，Ф240mm壁厚20mm,对于新的结晶器，其内部尺寸公差应达到±0.1mm.对于不锈钢，由于Cu-Ag合金有较高的导热率及较长的使用寿命，我们选择Cu-Ag合金材质铜管。表(4)铜管磷脱氧铜和银-铜合金材质性能对比配备内置式结晶器电磁搅拌，弯月面距搅拌线圈200mm，根据断面不同，浸入式水口插入深度不同如图（6），奥氏体不锈钢特别是304这样的钢种M-EMS对于夹杂物上浮，均匀温度等有其一定的好处，在过热度40℃的条件下等轴晶率除321外似乎不是很明显，后改在二冷条件下S-EMS取的了明显的效果图（6）不同圆坯断面浸入式水口最佳插入深度图（7）S-EMS的使用效果图（8）M-EMS搅拌大小与没搅拌对缺陷的关系5.)二冷段的设计奥氏体不锈钢有导热系数低和柱状晶发达的特点，如冷却强度大会促进柱状晶生长，造成严重的中心疏松和偏析，并会促使微量元素在奥氏体晶界沉淀从而增加裂纹敏感性，因此要用弱冷方式，即小比水量。然而，铁素体的问题是在很高的温度下，它们的蠕变强度特别低，其抗拉强度仅为单一奥氏体的1/5，需较强冷却大比水量，为此采取如下措施：图（9）各钢种冷却强度趋势图（10）大范围调节流量喷嘴的特性曲线5.1采用大范围调节比水量，相应的采用大调节范围的喷嘴（上图为1︰10气-水喷嘴特性曲线图）5.2对于铁素体二冷支承采用密排辊5.3动态配水抛物线形模型6.0拉矫系统由于不锈钢不同于一般碳钢，其变形抗力大，要注意二方面，一是要保证大圆坯的椭圆度，平直度，拉矫布置不能按碳钢来考虑。二是即使坯料材质相同Ф200mm的大圆坯的弹性模量大于同样厚度的方矩坯。图（11）不锈钢的变形抗力对比[7]为此采用四机架，多点矫直分散布置，各机架独立可调，对每一断面每一钢种在一定的拉速下均要满足（5）式的表面变形率1.0%和液/固二相变形率0.10%（7）ADR：表面变形率RA:铸机半径BD:铸坯直径（8）ID:由矫直引起的液/固界面变形率BD:铸坯直径SD:坯壳厚度RA:铸机半径连铸机的基本参数半径：10m弧型流间距1.4m振动正弦（四连杆机械振动）铜管长度0.85m结晶器搅拌内置式浇铸方式全密封钢流控制塞棒自动控制结晶器润滑保护渣中包液面800mm拉矫机四机架三点矫直（10，14，26.5m）二冷全气-水冷却断面Ф160-Ф240mm140Х140mm220Χ260mm140X340mm7).0工艺控制7.温度控制表5工艺参数控制模式钢种出AOD的温度℃到达铸机的温度℃中间包的温度℃液相线温度℃过热度（△）℃SUS304,304L154015251500145050SUS316,316L152515101485144045SUS321153515201495145045SUS310S148514701445139550SUS410L160015851560150555双相（23Cr-5NI）1545153015051455507.2保护渣的成分(热调试)表（6）渣号SCD-1SCD-2SCD-3CaO28～32%35～39%33～37%SiO233～37%36～40%40～44%Al2O3≤5.0%≤5.0%≤5.0%MgO3～6%3～6%3～6%Fe2O3≤3.0%≤3.0%≤3.0%F－3～6%2～5%2～5%Na2O+K2O5～8%4～7%5～8%B2O33～6%Li2O0～2%C3～7%11～15%10～14%CaO/SiO20.90±0.100.95±0.100.85±0.10T半，℃1100±201150±201150±20η1300℃，Pa.S0.30±0.100.45±0.100.45±0.10消耗量Kg/T钢0.4～0.70.4～0.70.4～0.7渣型预熔空心颗粒预熔空心颗粒预熔空心颗粒钢号304,430,20CrMnTi2Cr13,420J2,拉坯速度所有拉速所有拉速所有拉速表（7）注：以上仅提供工艺控制模式，不作为生产参数依据。7.3)321不锈钢矩坯钢种：321断面：220Х260mm化学成分%C0.06Mn1.2Si0.55P0.010S0.013BTi0.30Ni8.20Cr18.8MoAlV炉号.8662流号.1过热度39℃拉速0.65m/min坯号.3M-EMSON频率.3Hz电流280A钢种（断面）不锈钢Φ240钢号304液相线温度(℃)1455钢包温度(℃)第1包1550下一包1540中间包温度(℃)1500工作拉速(m/min)0.9保护渣型号中间包PO5结晶器SCD-1振动参数（工作拉速下）振幅(mm)4振动频率(次)123负滑脱时间(s)0.165结晶器电磁搅拌M-EMS(S-EMS)电流(A)300频率(Hz)3HZ拉速与中间包温度的关系拉速(m/min)0.850.900.95中间包温度(℃)151015001490每流结晶器水量(t/h)130二冷比水量(l/min)0.35二冷配水各段系数(L)K1K2K30段17.6611.6I段455II段266拉矫机压力(Mpa)冷压10.0热压1#辊2.02#辊2.03#辊2.5钢号化学成份%CSiMnPS0.080.451.60.030.0028CrNiMoCuN16.558.57.4)304不锈钢圆坯钢种：304断面：Ф200化学成分%C0.070Mn2.0Si0.75P0.010S0.010BTiNi8.20Cr19.20MoAlV炉号.5870流号.1过热度39℃拉速0.85m/min坯号.3M-EMSON频率.3Hz电流320A8.0