基于高质量铸坯的连铸夹杂物及偏析控制技术的研究与应用

基于高质量铸坯的连铸夹杂物及偏析控制技术的研究与应用
发布时间：2023-03-13T00:48:56.716Z 来源：《中国科技信息》2022年10月20期作者：于腾腾吴会翔李庆军
[导读] 为进一步实现铸坯质量提升，改善铸坯心部质量及成分偏析问题，对铸坯夹杂物、铸坯偏析进行系统分析，对连铸工艺进行现场调研，查找影响铸坯质量的关键因素及控制环节，并根据分析结果研究确定电磁感应加热技术、中间包低氧浇铸复合控制技术、超大规格圆坯凝固偏析控制技术，从而实现工艺技术和产品质量升级的目的。

于腾腾吴会翔李庆军
（山钢股份莱芜分公司特钢事业部，山东济南 271104）
摘要：为进一步实现铸坯质量提升，改善铸坯心部质量及成分偏析问题，对铸坯夹杂物、铸坯偏析进行系统分析，对连铸工艺进行现场调研，查找影响铸坯质量的关键因素及控制环节，并根据分析结果研究确定电磁感应加热技术、中间包低氧浇铸复合控制技术、超大规格圆坯凝固偏析控制技术，从而实现工艺技术和产品质量升级的目的。

关键词：连铸偏析电磁感应应用
1 问题的提出
100吨电炉炼钢连铸生产线于2013年8月份投产，其产品断面主要有Φ500mm、Φ650mm、Φ700mm、Φ800mm，定尺长度4.0～9.0m。

产品定位以汽车、造船、石油化工、铁路、军工、核电及风电等高端制造业用钢为主，其中主要包括优质碳素钢、合金结构钢、管坯钢、轴承钢等。

而铸坯夹杂物超标，铸坯偏析等实际生产问题制约着生产提效，客户满意度较低。

因此，特钢事业部针对以上问题组织开展攻关，制定优化提升改进技术措施
2 主要工作
2.1 总体思路
针对超大规格连铸坯生产和质量的制约因素，从提质增效方面进行专题研究。

对铸坯夹杂物、铸坯偏析进行系统分析，对连铸工艺进行现场调研，查找影响铸坯质量的关键因素及控制环节，并根据分析结果研究确定电磁感应加热技术、中间包低氧浇铸复合控制技术、超大规格圆坯凝固偏析控制技术。

根据工艺优化后实际运行情况，对不满足实际生产的工艺进行改善，取得了较好的效果。

2.2 目标指标
（1）夹杂物总级别稳定在4.5级以下；
（2）低碳钢铸坯碳极差≤0.03%，中碳钢铸坯碳极差≤0.05%；
（3）偏析指数0.95～1.05。

3 具体技术研究
3.1电磁感应加热技术研究与应用
为了同时消除或减少连铸坯内的偏析和夹杂物等缺陷，必须将中间包内的钢水温度控制在很窄的范围内，并且中间包钢水的过热度降低，可以使LF炉的出钢温度相应降低，减少耐火材料侵蚀，降低钢中夹杂物。

（1）复合冷却技术
由于电磁感应加热装置在使用过程采用变频设计，容易导致电磁感应线圈温度过高影响加热效率及使用寿命。

为保证电磁感应装置使用效率及备件寿命，线圈采用内部气雾冷却和外部风冷的复合冷却方式，通过采用变频技术，独立闭环循环净化水冷却技术及空芯铜管水内冷结构，使线圈体积减小，冷却充分无死角，热交换效率高。

（2）新式中间包设计
首先通过数学模拟，确定中间包设计的基本方案，然后采用物理模拟的实验手段对选中方案进行实验，按照1:2模型制作实验用中间包模型，利用中间包水力模型研究平台进行流场测试，进而做出分析。

数值模拟过程拟对中间包流场、温度场进行数值模拟研究，通过优化中间包内控流装置，模拟中间包加热过程，获得中间包的停留时间分布曲线及流场状况，通过分析平均停留时间、RTD曲线和流场，得到合理的中间包优化方案，最终确定最佳设计方案。

具体实施方案如图1.
（3）关键耐材应用技术
通过根据产品不同部位损毁方式和特点、浇铸钢种及冶炼工艺的不同，针对性地研发新材料将是连铸用功能耐火材料发展的现实要求。

而中间包包衬是实现高效连铸的关键功能耐火材料，其使用性能直接影响连铸效率和钢坯质量，可有效降低中包内衬对钢液的污染，提升其浇钢过程的生产的稳定性。

（4）应用效果
对比中间包增加感应加热通道的情况与原有的中间包实际使用结果看，中间包增加感应加热器后，A类、B类夹杂物级别降低。

中间包温度稳定，温度调控能力满足目标温度±3℃要求。

3.2中间包低氧浇铸复合控制技术
（1）大包长水口优化设计与应用
新式大包长水口采用吹氩设计，铝碳吹氩大包长水口见图2，氩气流量控制在4-6m3/h，在保证大包长水口碗部氩气氛围、减少吸氧的同时减轻大流量氩气造成的大包注流大翻卷渣情况，大包长水口长度由1050mm增加至1250mm，保证大包长水口插入液面以下300mm，防止浇铸过程中低液面卷渣及大包注流大翻卷渣，减少对钢水的二次污染。

钢包到中间包使用长水口保护浇铸，长水口碗口由凹型设计改为T型设计，钢包与水口接触面由线性增加至面型，增大钢包下水口与长水口接触面积，减小气隙，在连接处通入氩气密封，防止空气吸
入，提高了连铸坯的质量。

图2 水口改进前后对比
（2）双层覆盖剂保护浇铸技术
为了更进一步的发挥中间包覆盖剂的作用，项目采用“低钛空心颗粒覆盖剂+低钛碱性覆盖剂”，具有良好的吸附上浮非金属夹杂物的作用；且低钛碱性覆盖剂含有较高的固定碳，可以利用其化学反应产生的热量来弥补进一些钢的热损失，提高保温效果；低钛空心颗粒覆盖剂熔点适宜，能够迅速形成三层熔融结构，可还原氧化物含量低，可以防止钢水二次氧化。

（3）试验结果
对比改进前后中间包增氮量，改进后钢液增氮量范围在2ppm～6ppm，平均为4ppm，减少了过程增氮量，改善钢液洁净度。

3.3超大规格圆坯凝固偏析控制技术
从“凝固晶桥”理论来看，要保证铸坯的内部质量，减少成分偏析就必须增加铸坯内部等轴晶组织，凝固过程中稳定铸坯传热，限制柱状晶生长，避免柱状晶发达而产生中心疏松、缩孔和偏析。

3.3.1恒拉速浇铸技术
拉坯速度是影响柱状晶生长的重要因素。

拉坯速度大，铸坯在结晶器内停留时间短，铸坯液芯延长，这不但推迟了等轴晶的形核和长大，扩大柱状晶区，而且发生铸坯鼓肚的危险系数加大，因此通过实验确定合适的拉坯速度，保证浇铸过程中的拉速恒定，是改善或消除铸坯偏析和缩孔缺陷的重要手段。

另一方面，铸坯拉速也影响着结晶器液面钢水的更替速度，影响热流量的更替，直接影响铸坯液相穴长度，从而影响到铸坯内溶质元素的扩散、析出和聚集。

为此，在确保满足生产条件需求的情况下，保证拉速的恒定，以满足铸坯凝固过
程中的径向自补缩，改善铸坯内部偏析缺陷。

800mm断面拉速控制目标见表2。

建立拉速波动报警系统，波动超过±0.02m/min，自动报警，也可以通过主控电脑在线画面对拉速时时监控，发现异常波动及时处理，见图3。

（2）二冷超弱冷动态配水技术
二次冷却技术包括二冷区分段、二冷区喷嘴选择及配置、配水模型（流量、压力等）的确定。

100吨连铸机二冷水冷却系统水量主要分配在足辊、活动段A区和活动段B区共三段区域，其中足辊采用水冷却，活动段均采用气雾冷却。

各区域喷嘴布置采取环形错位布置，使
钢坯出结晶器后冷却均匀，各区域喷嘴数量如表3。

图4 铸坯凝固传热模型
二次冷却制度确定后，考虑圆坯圆周方向冷却的差异，铸坯内外弧的总配水比稳定在2.2:3。

（3）二段式组合电搅工艺优化技术
100吨电磁搅拌为结晶器加末端电搅两段式组合方式，通过电磁搅拌试验确定超大规格连铸圆坯最佳电搅工艺。

800断面试验4组方
案，见表4，试验结果见表5
（4）应用效果
通过结晶器电搅和配水参数以及控温缓冷坑的工艺优化等措施，提高了铸坯组织均匀性，低碳钢铸坯碳极差≤0.04%，中碳钢铸坯碳极差≤0.05%，偏析指数0.95～1.05，为进一步提高产品质量奠定坚实的基础。

3.2.2 电炉炉门氧枪参数优化设计与应用
5 结论
（1）通过采用电磁感应加热技术，设计新式中间包，对大包、中包保护浇铸工艺进行研究优化，中间包浇铸过程实现恒温控制，增强钢水流动性，促进夹杂物充分上浮，提高钢水洁净度，降低了铸坯夹杂物含量。

（2）通过优化设计中包密封吹氩保护装置、中间包密封吹氩保护浇铸技术、双层覆盖剂保护浇铸技术，实现浇铸过程低氧保护浇铸，浇铸过程增氮量范围在2ppm～6ppm，平均为4ppm。

（3）通过结晶器电搅和配水参数以及控温缓冷坑的工艺优化等措施，提高了铸坯组织均匀性，低碳钢铸坯碳极差≤0.04%，中碳钢铸坯碳极差≤0.05%，偏析指数0.95～1.05，为进一步提高产品质量奠定坚实的基础。

（4）项目的实施，提高了钢水洁净度，夹杂物总级别稳定在4.5级以下，铸坯内部质量明显改善，满足了用户要求，实现了大规格圆坯的稳定、批量生产，提升了公司利润空间。

作者简介：
参考文献
[1]常镇韬,魏占山,李壮,陈亮,邵振遥,于涛,李朝华.低碳钢连铸坯质量缺陷分析及改进[J]. 铸造技术. 2017
[2]孙海波,闫博,张家泉.连铸中间包通道式感应加热设备设计与应用现状[J]. 上海金属. 2012
[3]张琦,吴滟帮,李欢.内置式搅拌磁场对连铸空心铸坯内夹杂物分布影响[J]. 铸造技术. 2018。