不锈钢连铸技术与质量控制

方坯连铸不锈钢技术与质量控制

—特钢连铸研讨会论文

方坯连铸不锈钢技术与质量控制

宝钢股份有限公司特殊钢分公司陈家昶

上海新中连铸技术工程公司叶枫

1. 前言

不锈钢的制造技术已有巨大的发展，从上世纪60年代不锈钢开始采用连铸，到1985年全世界不锈钢连铸比已达70%以上，目前西方工业发达的国家不锈钢生产几乎100%用连铸。最近20年来，世界不锈钢产量每年以超过7%的比例增长， 1997年不锈钢总产量为1650万吨/年，2006年全球不锈钢产量达到了2840万吨，较2005年产量上升了16.7%。其中，中国的不锈钢产量增加最多，达到了530万吨，比2005年的产量增加了68%，超过日本跃居世界第一。新上马的很多产线释放出了巨大的能力，中国的不锈钢市场和产能前景乐观。

我国不锈钢的连铸起步较晚， 80年代才开始起步。经过这几年的发展，我国的不锈钢连铸比提高较快，已经实现大多数的不锈钢品种的生产，但不锈钢连铸的生产和质量控制有一定的难度，在一定程度上制约了我国不锈钢连铸坯的生产。

2.生产工艺和流程

不锈钢冶炼方法有多种，如EAF单炼法、与AOD结合的二步法、与转炉顶底复吹及VOD或RH－OB相结合的三步法等，但目前最有优势、应用最广泛的还是EAF＋AOD的二步法，在冶炼超低碳不锈钢时，也有较多采用AOD+VOD的双联脱碳工艺。因此，一般常用的工艺流程为：

EAF＋AOD＋（VOD）＋CC（IC）

习惯上我们把EAF＋AOD称为两步法，而EAF＋AOD（或转炉顶底复吹）＋VOD 称为三步法。

电炉冶炼不锈钢可以选择采用偏心底（EBT）、槽式（Spout）出钢和两种功能都有的双炉壳设计，偏心底炉壳虽然能做到无渣出钢，但在出钢过程很难实施钢渣混冲，影响合金的收得率，而且EBT出钢口易被堵塞，不锈钢冷钢处理困难。因此，在不锈钢母液生产时，电炉一般采用槽式出钢法，它在出钢过程钢渣混冲，能有效提高合金收得率，但同时也带来一个回磷问题，由于不锈钢的脱磷困难、易回磷，这就对废钢和返回料的选择使用带来了严格的，对降低配料成本不利。

3.不锈钢连铸

鉴于不锈钢钢种本身的性能特点（钢水粘度较大，易氧化元素较多、传热慢、热膨胀系数大等），其连铸生产的特殊性和难度较大。而且不锈钢品种较多，其中不乏含Ti、Nb、Cu、S、W等元素，钢种的裂纹敏感性强、连铸可浇性较差，对连铸工艺的参数确定和过程控制要求较高。近几年来，随着连铸控制技术和精度的提高，钢水冶炼的纯净度提高，90％以上的不锈钢已连铸成功，但是过程的不稳定性仍然存在。

不锈钢一般分为铁素体、奥氏体、马氏体和双相不锈钢等几类，严格的说，这几类钢种的凝固性能和组织各不相同，浇注性能也并不一致。总体来说，不锈钢连铸工艺可以从以下两类着手：以Ni为主含有扩大奥氏体区元素（Ni、Mn、N、C）的奥氏体不锈钢；以Cr为主含有扩大铁素体区元素（Cr、Mo、Si、Nb）的铁素体不锈钢。特别还要考虑不锈钢的成份设计的裂纹敏感区，见下图：

由图中可以看出，凝固时新生铁素体对裂纹不敏感，②位置的奥氏体对裂纹敏感、①位置马氏体的淬火裂纹、③位置奥氏体中的相脆性、④位置铁素体的蠕变行为等都对我们的生产凝固工艺提出了挑战。

不锈钢方坯连铸，一般供轧制棒材、卷材、线材和不锈钢管坯成材。从最终的产品性能来看，对方坯连铸坯的表面质量和内部质量要求极高。由于不锈钢品种多，工艺的适应性犹为复杂，我们就一些共性的问题做一下探讨。

3.1. 表面质量控制

单就热膨胀系数而言，奥氏体钢的值比碳钢大（500℃时大56%，1000℃时大54%），铁素体钢与碳钢相近。这说明奥氏体钢在结晶器内凝固坯壳会过早收缩，更易使坯壳厚度不均匀，容易导致表面凹陷，裂纹等缺陷。而且钢水中的易氧化元素的夹杂物被连铸结晶器保护渣吸附后，保护渣的性能容易恶化，从而影响坯壳与结晶器铜壁之间的液渣流入，形成不均匀渣膜，加剧了传热的不均，对铸坯的表面质量产生严重的破坏。

以目前的技术装备而言，常规连铸机的结晶器振动技术，对连铸坯表面质量造成的直接后果就是产生了振痕，振痕是由于结晶器的周期性振动而在铸锭表面产生的间距均匀有一定深度的横向皱折。由于振痕的普遍存在，因此在一般情况下，已不将它看成是铸坯的表面缺陷或者说振痕是连铸坯的本征缺陷；但是，对连铸坯表面振痕的研究，发现伴随着振痕的产生，皮下往往有磷、锰等合金元素的显微正偏析，容易导致铸坯表面产生微小的横向裂纹，对后步工序产生不利影响，降低了产品各种物理性能横向断面的均匀性。研究表明，振痕是产生表面偏析和裂纹的原因之一。

对于普通钢的振痕，通过热轧加热中的氧化，振痕一般不会对成品质量造成影响；而不锈钢则不同，由于具有高的抗氧化性，较深的振痕难以在热轧中完全消除，如果用这种坯料轧制，就会在轧材表面产生缺陷。因此，不锈钢连铸坯的振痕的修磨率很高，有些厂家的不锈钢连铸坯的修磨率甚至可达100％。

控制和减少表面缺陷，减少修磨量和修磨率是不锈钢降本增效的关键。要做好这方面的工作，主要从结晶器保护渣的选取、振动参数的确定和结晶器铜管锥度的设计（包括结晶器水量控制）等方面着手。

3.1.1 结晶器保护渣

连铸保护渣在连续铸钢的保护浇注中具有非常重要的作用，保护渣的性能取决于浇铸中的实际行为，目前衡量保护渣的标准还是看它实际使用的效果，对它的性能优化只有一个宏观的取向：即提高铸坯表面质量与浇铸质量。

不锈钢保护渣的研制可以说是一个世界性的难题，由于不锈钢中含有许多易氧化元素，需要吸收的夹杂物与特钢相比差别较大，保护渣性能的设计与保持对表面质量来说至关重要。奥氏体不锈钢线具有膨胀系数大的特点，冷却过程中气隙出现较早，容易产生凹陷等表面缺陷。一般的保护渣设计时针对凹陷型和黏附

型的钢种有两类不同的设计，凹陷型保护渣的特点是碱度较高（渣液在凝固过程中有析晶现象，渣的粘度曲线有明显的拐点）形成的固态渣膜导热系数较低，以降低传热速度，改善坯壳的凝固状况；黏附型保护渣则通过低熔点、低碱度（易形成玻璃态液相渣膜层）的设计，以达到减少摩擦阻力，提高表面质量的目的。不锈钢保护渣的设计一般采用的是前一种方案。这里要说明一下，由于不锈钢的固、液相线较低，因此不锈钢保护渣的熔点还是较低的。

不锈钢的保护渣耗量一般要大于碳钢的耗量，这一方面是为了形成均匀的渣膜厚度；另一方面由于渣耗量大，保护渣的更新速度加快，可以减轻和稀释被吸附的夹杂物对保护渣的污染。在整个浇铸过程中，钢水弯月面处形成的液渣层要保持足够的厚度以保证其连续流人铸坯与结晶器之间的气隙，从而形成有效渣膜，提高传热效率与均匀度。而不锈钢的容易产生表面凹陷的特性，更需要形成均匀有效的渣膜。在这里保护渣的黏度起了非常重要的作用。

通过一定的推导，我们可以得到一个熔渣层厚度与拉速之间的关系图如下：

拉速v 图中左边红色曲线表示连铸保护渣的熔化速率高于保护渣消耗速率的情况，过了临界点右边蓝色曲线则表示连铸保护渣熔化速率低于最大消耗速率的情况。由上所述充分表明，保护渣黏度与对整个生产中的热传导性能有着非常密切的关系。在这里，我们仍然要强调的是保证稳定均匀渣膜对连铸坯表面质量的提高大有益处，我们设计选用的保护渣就是要针对连铸钢种的具体情况及拉速水平来进行的。所以在现场浇铸性能的评判上，渣耗是一个很重要的数据。

在不锈钢的结晶器保护渣里，还要注意碳质材料的添加问题。众所周知，为了控制保护渣的熔化速度，通常都在保护渣内配入一定量的炭质材料（炭黑或石墨等），但是绝大部分的不锈钢是低碳或超低碳，很容易引起增碳，特别在振