大方坯中碳鋼角部凹陷問題的成因及解決措施

謝鴻旭1,2  杜亞偉3  陳守杰2  曹子樂2  高金星

（1鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2河南通宇冶材集團(tuán)有限責(zé)任公司，3安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

摘  要：針對大方坯中碳鋼連鑄過程鑄坯角部出現(xiàn)的凹陷問題，通過現(xiàn)場調(diào)研分析，對保護(hù)渣的理化指標(biāo)和配碳模式進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，從而獲得了使用性能良好的連鑄保護(hù)渣，最終解決了大方坯中碳鋼角部凹陷問題。

關(guān)鍵詞：大方坯中碳鋼；連鑄保護(hù)渣；角部凹陷；碳質(zhì)材料

1引言

連鑄大方坯通常是鑄坯斷面尺寸大于220×220mm的方坯，較大的斷面尺寸使其連鑄坯可以用于制作用于軋制重軌、硬線、無縫鋼管、大中型H型鋼等大型構(gòu)件，使得大方坯連鑄占據(jù)著無可替代的地位[1-3]。然而，由于大方坯連鑄機(jī)過程鑄坯凝固時(shí)間長，鑄坯上極容易產(chǎn)生各種各樣的質(zhì)量問題。國內(nèi)某廠的大方坯連鑄機(jī)，在生產(chǎn)中碳鋼時(shí)（C: 0.35-0.55%碳范圍的鋼種，典型的鋼種：35#、40Cr、42CrMo、45#等）普遍存在角部凹陷的鑄坯質(zhì)量問題，使得鑄坯的次品率大幅升高。為此，結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，有針對性地對優(yōu)化所使用的連鑄保護(hù)渣的理化性能，開發(fā)出新的保護(hù)渣，解決該鋼廠大方坯中碳鋼的角部凹陷問題就顯得尤為重要。

2 大方坯中碳鋼的連鑄工藝條件及存在的問題

該鋼廠中碳鋼大方坯使用的連鑄機(jī)是德馬克制造的設(shè)備，鑄機(jī)半徑10m，5機(jī)5流，斷面220×220/240×240mm，拉速在0.75-1.2m/min之間，結(jié)晶器銅管錐度1.2%（新），長度900mm，直通水口，水口插入深度110±20mm，鋼種碳范圍C:0.25-0.55%，出現(xiàn)角部凹陷主要集中在0.35-0.55%碳含量的范圍，代表的鋼種有：35#、40Cr、42CrMo、45#等。冶煉過程是電爐冶煉-LF-VD，澆鋼溫度控制在1515-1540℃。

該鋼廠的中碳鋼大方坯使用的是同一種保護(hù)渣，其理化指標(biāo)見表1所示。使用過程存在的主要問題是鑄坯的角部凹陷問題，如圖1所示。這些角部凹陷會導(dǎo)致鑄坯在軋制過程中開裂而產(chǎn)生廢品，因此解決該鋼廠中碳鋼大方坯的角部凹陷問題就顯得尤為重要。

表1  中碳鋼大方坯連鑄保護(hù)渣的化學(xué)成分(wt%)和理化指標(biāo)

3 大方坯中碳鋼的角部凹陷產(chǎn)生原因及解決措施

3.1大方坯中碳鋼的角部凹陷產(chǎn)生原因

關(guān)于大方坯中碳鋼的角部凹陷問題鮮有報(bào)道，故對該鋼廠進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研。通過調(diào)研分析造成角部凹陷的問題原因可能如下：該鋼廠大方坯連鑄采用的是直通式水口，結(jié)晶器角部鋼水溫度較低，導(dǎo)致連鑄保護(hù)渣化渣不良（經(jīng)現(xiàn)場跟蹤測量發(fā)現(xiàn)角部液渣層的厚度僅為1-3mm），這些熔化不良的保護(hù)渣極易在角部形成局部較大的渣圈，在結(jié)晶振動作用下，渣圈會壓迫彎月面附近的新生坯殼形成振痕，當(dāng)角部局部渣圈較大就會導(dǎo)致角部較深的凹陷，另一方面熔化不良的保護(hù)渣還會導(dǎo)致結(jié)晶器角部液渣供應(yīng)不足，固渣膜較薄，角部在二維傳熱的作用下強(qiáng)冷而形成較厚的坯殼，后續(xù)在中碳鋼相變收縮的過程中會導(dǎo)致角部坯殼不均勻收縮，在二者雙重作用下導(dǎo)致了大方坯中碳鋼的角部凹陷問題，針對這一問題，解決大方坯中碳鋼角部保護(hù)渣的均勻熔化問題將是解決中碳鋼大方坯角部凹陷的關(guān)鍵。

3.2連鑄保護(hù)渣的理化性能優(yōu)化

本文首先提供了兩個(gè)優(yōu)化方案用于工業(yè)試驗(yàn)，方案一在原方案基礎(chǔ)上降低粘度，降低熔點(diǎn)，從而改善保護(hù)渣熔化狀態(tài)，增加液渣層厚度，改善角部潤滑，希望解決避免因熔化不良而導(dǎo)致角部凹陷問題；方案二則提高保護(hù)渣堿度，減緩角部傳熱，使角部均勻收縮，避免角部收縮不均勻，同時(shí)提高粘度，確保熔渣的均勻?qū)�入，從而避免局部收縮量過大，熔渣導(dǎo)入量大、導(dǎo)入不均勻，避免固態(tài)渣膜擠壓角部彎月面坯殼，產(chǎn)生凹陷。兩個(gè)優(yōu)化方案分別從不同的方面來調(diào)整其理化性能，嘗試解決大方坯角部凹陷問題。然而，通過現(xiàn)場澆鑄試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后澆鑄獲得的鑄坯角部凹陷問題依然存在，凹陷出現(xiàn)的頻率并無明顯改善，這就表明這兩個(gè)改進(jìn)后的優(yōu)化方案并未解決大方坯中碳鋼的角部凹陷問題。

表2  優(yōu)化前后連鑄保護(hù)渣的成分（wt%）和物理性能

3.3連鑄保護(hù)渣的配碳模式優(yōu)化

由于調(diào)研發(fā)現(xiàn)大方坯中碳鋼的角部凹陷是由于結(jié)晶器內(nèi)角部保護(hù)渣熔化不良所致，然而調(diào)整保護(hù)渣的化學(xué)成分獲得的優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二并沒有改善角部凹陷問題。故又從配碳結(jié)構(gòu)上對原渣化學(xué)成不變的情況下進(jìn)行了配碳優(yōu)化獲得了優(yōu)化方案三，詳見表3。原方案中配碳量為10.5wt%，分別為6.5wt%高碳土狀石墨和4 wt%天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑，優(yōu)化后的方案三配碳為4.5 wt%高碳土狀石墨、3.5 wt%中碳石墨和2.5 wt%天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑。由于高碳土狀石墨、中碳石墨和天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的氧化溫度區(qū)間和熱值不同，通過三者復(fù)配之后其熔化狀態(tài)發(fā)生了明顯改變。如圖2所示，優(yōu)化前的保護(hù)渣的碳質(zhì)材料主要氧化溫度區(qū)間在450~860℃之間，優(yōu)化之后的氧化溫度區(qū)間在460~1000℃之間，改進(jìn)后保護(hù)渣的碳質(zhì)材料在較高的溫度區(qū)間氧化放熱，不僅能夠有效隔離保護(hù)渣基料的過早燒結(jié)，還能為保護(hù)渣在高溫下的熔化提供熱量，這能優(yōu)化保護(hù)渣在鋼液面上的熔融層結(jié)構(gòu)。工業(yè)試驗(yàn)的鑄坯形貌如圖3所示，鑄坯角部的凹陷問題得到解決，測得的角部液渣層厚度也由優(yōu)化前的1~3mm增加到了優(yōu)化后的3~6mm，較厚的液渣層厚度能夠保證連鑄潤滑需求。這表明通過配碳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠解決大方坯中碳鋼角部凹陷問題，這是由于優(yōu)化之后使得部分碳質(zhì)材料在較高的溫度條件下氧化放熱，這就能夠避免保護(hù)渣由于角部供熱不足而熔化不良，燒結(jié)嚴(yán)重而帶來的角部凹陷問題。此外，需要注意的是優(yōu)化前和方案三的渣中碳含量均為10.5wt%，1350℃條件下的熔化速度均為36s左右，二者并沒有明顯差別，但實(shí)際上由于配碳材料種類和含量不同，熔化過程的明顯不同（如圖2所示），這就表明僅通過熔化速度不能評估保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的熔化狀態(tài)，這在今后連鑄保護(hù)渣的設(shè)計(jì)開發(fā)過程需要格外注意。

表3 連鑄保護(hù)渣的配碳模式及理化指標(biāo)

4 結(jié)論

針對該鋼廠大方坯中碳鋼連鑄過程鑄坯角部出現(xiàn)的凹陷問題，通過現(xiàn)場調(diào)研分析，這是由于結(jié)晶器角部保護(hù)渣化渣不良所致，為了解決這一問題，分別對保護(hù)渣的理化指標(biāo)和配碳模式進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整，從調(diào)整后的使用連鑄坯質(zhì)量可以看出，僅改變連鑄保護(hù)渣的化學(xué)成分和理化指標(biāo)難以解決其熔化問題，而配碳模式的優(yōu)化調(diào)整之后，結(jié)晶器角部連鑄保護(hù)渣的熔化狀態(tài)明顯改善，最終解決了大方坯中碳鋼角部凹陷問題。因此，配碳模式也是今后該類保護(hù)渣設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需要關(guān)注的要點(diǎn)之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 許述海.大方坯中碳鋼連鑄保護(hù)渣的研制開發(fā).鞍鋼技術(shù).2013,2:10-13

[2] 王謙,何生平,彭柏權(quán),趙偉成.中碳合金鋼大方坯連鑄用保護(hù)渣的優(yōu)化.品種鋼連鑄坯質(zhì)量控制技術(shù)研討會論文集.2008:90-93.

[3] 陳迪慶,陳光友,李小明.42CrMo大方坯保護(hù)渣的調(diào)整及效果.武鋼技術(shù).2012,50(6):13-15.