水平连铸拉坯稳定度与钢水过热度对铸坯质量影响

水平连铸拉坯稳定度和钢水过热度对铸坯质量

的影响

张广军李占春

Effect of Constant-Rate of Drawing and Superheat of Liquid

Steel

on Quality of Strand by Horizontal Continuous Casting

Zhang Guangjun and Li Zhanchun

(Beiman Special Steel Co Ltd, Qiqihaer 161041)▲

北满特殊钢股份有限公司的水平连铸机自1997年8月30日试生产圆管坯以来，始终未能走上正常生产轨道，只生产了45、20和27SiMn 3个钢号计7炉212 t Φ150管坯。从试生产中发现铸坯质量受设备状况、管理方法和工艺控制水平的影响，而工艺水平的高低是影响铸坯质量的直接因素，其中最重要的工艺指标就是钢水过热度和拉坯稳定度。

1 铸坯质量及工艺控制情况

为了说明钢水过热度和拉坯稳定度与铸坯质量的关系，将7炉拉坯工艺参数及相应管坯宏观检验结果列于表1。

表1 拉坯工艺参数和管坯宏观检验结果

Table 1 Controlling index of drawing parameters for billet casting and examination results of tube blank

注：① 指在钢包开浇后大约5 min时测得的温度；② 指结晶器出口直径在150.6 mm条件下，铸坯平均收缩率和椭圆度的综合指标；③ 指每炉管坯产生表面裂纹的重量比率。

从表1中可以得出以下结论：

(1) 收缩椭圆度的大小与过热度的大小密切相关，即：收缩椭圆度随着过热度的增高而增大。只有87494炉次与此不符，这是由于收缩椭圆度还受到拉坯稳定度的间接影响；此外，27SiMn钢还有其自身的凝固特点，后面加以介绍。

(2) 表面裂纹发生率直接受拉坯稳定度的影响，拉坯稳定度越高，表面裂纹发生率越低；拉坯稳定度越低，表面裂纹发生率则越高。

(3) 铸坯低倍中心疏松和内部裂纹级别高低的走向基本与钢水过热度的大小走向一致。过热度越大，级别越高；过热度越小，级别越低。而与拉坯稳定度关系不大。

2 原因分析

2.1 水平连铸的特点

水平连铸采用了“拉—停—推—停”作为一个周期反复进行的拉坯方式，铸坯表面存在着冷隔和热隔，工艺参数控制不当会产生冷隔裂纹和热隔裂纹。结晶器为一冷和二冷相结合，由铜套和石墨套组成，这种结晶器的水冷系统具有水量小、温差大、背水压、传热强度高和前部平均热流密度大于后部几倍的特点［1］。

水平连铸的这种冷却特点使结晶器前部初生坯壳要承受比弧形连铸初生坯壳大得多的凝固速度和热应力。另外，结晶器呈水平布置，冷却水进出口都在下面，热量集中向上释放，所以上部水温要高于下部，铸坯在圆周方向下部冷却传热要好于上部。一般情况下，坯壳厚度在圆周内下部要大于上部，下部气隙也要小于上部气隙［2］。图1是水平连铸的坯壳形态示意图。

图1 水平连铸坯壳形态

Fig.1 Morphology of strand shell during horizontal continuous

casting

2.2 钢水过热度对铸坯质量的影响

水平连铸结晶器的平均热流密度一般要比同规格的弧形连铸机的结晶器高一倍左右，另外铸坯也不经过顶弯和矫直，所以水平连铸铸坯承受高温钢水而不拉漏的能力比较高，钢水过热度可以放宽到30～80 ℃，甚至达到100 ℃也不会造成拉漏。但从铸坯质量和保证钢水顺利拉完的角度考虑，宜将中间包内钢水过热度控制在中限，即20～40 ℃之间［3］。

钢水过热度低(5～20 ℃)时，水口易冻死，使连铸生产失败或中间包内钢水拉不完，钢水收得率低，不能多炉连浇。表1中的87509炉次未能拉完并不是由于钢水温度低造成的，而是由设备故障所致。但钢水温度接近液相线时，连铸坯易获得较大的等轴晶区，组织致密，铸坯质量好。

从表1可以看出有6炉次的中间包开浇钢水过热度高于40 ℃，导致了铸坯椭圆度、中心疏松、内部裂纹等质量缺陷，其主要原因有：

① 钢水过热度过大，钢水凝固需要放出大量的过热热量，使得结晶器出口处坯壳厚度减薄，液相穴增长。铸坯冷却过程中的冷凝收缩(液态收缩和凝固收缩)和固态收缩的总和增加，导致铸坯的外径尺寸减少，这就是有的管坯直径小于150 mm的原因。另外，坯壳内包有过热的钢水液芯，出结晶器后坯壳表面回温较大，使坯壳软化，强度下降，在拉坯辊的压力作用下，极易形成铸坯的椭圆变形。

② 钢水过热度增大，还会使坯壳厚度不均匀度加大，如图1所示，

不均匀度Δδ=δ

下-δ

上

，一般Δδ在结晶器出口处达到最大值［4］。坯

壳厚度不均会导致管坯下部收缩好于上部，形成局部收缩应力。此应力易于在坯壳较薄，强度较低的圆管坯上部产生表面裂纹和椭圆度变形。表面裂纹和椭圆度往往相伴而生。连铸坯坯壳厚度不均一旦形成，就会引起铸坯变形，将导致冷却和坯壳厚度的进一步不均。生产中所发现的管坯椭圆变形或表面裂纹的长度达十几米就证明了这一点。

③ 钢水温度高，铸坯表面激冷层厚度减小，中部柱状晶区加大。铸坯出结晶器后表面回温较大，在柱状晶区凝固前沿产生热应力，而柱状晶又存在由于杂质聚积而形成的高温强度及塑性较低的薄弱面，所以易形成柱状晶晶间裂纹。另外，在铸坯内部个别部位柱状晶易首先穿心“搭桥”，致使局部封闭空间内残液的冷凝收缩得不到补充，形成中心疏松或缩孔［5］。

87494炉次的钢水过热度并不是最高，可是此炉铸坯的表面裂纹发生率、收缩椭圆度、中心疏松和内部裂纹都接近最坏水平，主要是因为拉坯稳定度较低以及27SiMn钢的特点所致。27SiMn钢中的Si、Mn含量与其它炉次相比最高，均约在1.25%左右，这两种元素都使钢的导热系数下降［6］。并且当Si含量越过1%后，还使晶粒粗化、高温强度和塑性指标下降，所以27SiMn钢与20、45钢相比，在相同条件下铸坯内部热量散发慢，坯壳薄，液相穴加长，内外温差大，使热应力也加大。所以其管坯裂纹、椭圆度及疏松等缺陷相应增加。因此，对27SiMn等合金钢要严格控制注温、注速及其它连铸时的工艺参数。