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东北大学硕士学位论文接要 圆坯连铸生产合金钢工艺研究 摘要 随着用户对中、低合金钢需求的不断提高，合金钢连铸技术成为当今的研究 热点之一。由于在合金钢连铸过程中经常出现水口结瘤、漏钢、铸坯缩孔及中心 裂纹等影响合金钢铸坯质量的严重缺焰，本论文结合宝钢电炉连铸生产合金钢圆 坯项目，通过实验室研究并结合工业现场试验对以上闯题进行研究，提出合理的 工艺改进方案。 本论文主要由低碳中、低合金钢的成分控制、中心裂纹的控制、中心缩孔的 控制、结晶器保护渣分析等几部分组成。 在成分控制方面，提出了在碳含量、合金成分、气体成分、p 、s 含量及夹杂 物等的控制措施。从丽实现纯净钢的冶炼。 在中心裂纹控制方面，本论文对过热度、拉速、成分及二冷制度等工艺参数 进行r 分析，并且利用已开发的数值模拟软件，对不同的二冷方案下铸坯的表面 温度进行了模拟，为制定二冷参数提供依据。最后提出了解决中心裂纹的合理的 t 艺方案。采用新工艺后，合金钢铸坯中心裂纹较原工艺有明显改善，中心裂纹 合格率提高了2 2 8 7 。 在中心缩孔控制方面，本论文对过热度、拉速及= 冷制度等工艺参数进行了 分析，并且利用已开发的数值模拟软件，对不同的二冷方案下铸坯的碳偏析进行 r 模拟，为制定二冷参数，减小偏析提供依据。最后提出了解决中心缩孔的合理 的工艺方案。采用新工艺后，合金钢铸坯缩孔较原工艺有明显改善，缩孔合格率 提高了4 0 6 8 。 在保护渣分析方面，提出了几点改进建议，控制开浇纵裂漏钢等缺陷。 关键词连铸工艺合金钢二冷工艺中心裂纹缩孔 变i ! 盔堂堡主兰垡堕塞 些! 坠竺! t e c h n o l o g ys t u d yo nc o n t i n u o u sc a s t i n ga l l o y e ds t e e lo f r o u n db i l l e t a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n do fm e d i u ma h o ys t e e la n dl e a na l l o ys t e e l ，t h et e c h n o l o g yo n c o n t i n o u sc a s t i n ga l l o ys t e e lh a sb e e no n eo ft h eh o t t e s ts u b j e c t s i th a so f t e nm a d e s e v e r ef l a w si nc a s t i n gb l a n k ss u c ha sw a t e rs l o th e e l ，b r e a k o u t ，s h r i n k a g e ，c e n t r ec r a c k s a n ds oo ni nt h ec o n t i n o u sc a s t i n ga l l o ys t e e l ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o m b i n e dt h ep r o j e c to n t e c h n o l o g ys t u d yo na l l o ys t e e lo fr o u n db i l l e t sw i t he l e c t r i c a lf u r n a c ei nb a o s t e e lh a s s o l v e dt h e s eq u e s t i o n sf i n a l l yb ym e a n so f l a bs t u d ya n dc o m m e r c i a lt e s t t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd i v i d e df o t a rs e c t i o n si n c l u d i n ga l l o ys t e e lc o m p o n e n tc o n t r o l s e c t i o n ，c e n t e rc r a c k sc o n t r o ls e c t i o n , s h r i n k a g ec o n t r o ls e c t i o n , a n dm o u l df l u xa n a l y s i s a n ds oo n h ic o m p o n e n tc o n t r o ls e c t i o n ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r dc o n t r o lm e a s u r e si nc a r b o n c o n t e n t ，a l l o yc o n t e n t ，g a sc o n t e n t ，p 、sc o n t e n ta n di n c l u s i o nd e f o r m a t i o nt or e a l i z e p u m e s ss t e e ls m e l t i n g i nc e n t r ec r a c k sc o n t r o ls e c t i o n , t h i sa r t i c l eh a sa n a l y s i s e ds o m ef a c t o r ss u c ha s s u r p e r h e a t ，c a s t i n gs p e e d ，c o m p o n e n tc o n t r o l ，s e c o n dc o o l i n gs y s t e ma n da n a l o g u e dt h e s u r f a c et e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n ts e c o n dc o o l i n gs y s t e m 晰t hd e v e l o p p e ds o f t w a r et o p u tf o r w a r dr u l e sf o rs e t t i n gu ps e c o n dc o o l i n gp a r a m e t e r f i n a l l yp u tf o r w a r ds u i t a b l e t e c h n o l o g ym e t h o dt os o l v ec e n t r ec r a c k s t h ep e r c e n to f p n s sh a si n c r e a s e d2 2 8 7 i ns h r i n k a g ec o n t r o ls e c t i o n , t h i sa r t i c l eh a sa n a l y s i s e ds o m ef a c t o r ss u c ha s s u r p e r h e a t , c a s t i n gs p e e d ，a n ds e c o n dc o o l i n gs y s t e ma n da n a l o g u e dc n - b o ns e g r e g a t i o n u n d e rd i f f e r e n ts e c o n dc o o l i n gs y s t e mw i t hd e v e o p p e ds o 矗聃馈揩t op u tf o r w a r dr u l e sf o r s e t t i n gu ps e c o n dc o o l i n gp a r a m e t e ri no r d e rt or e d u c e 洲 b o ns e g r e g a t i o nf i n a l l yp u t f o r w a r ds u i t a b l et e c h n o l o g ym e t h o dt os o l v es h r i n k a g e s t h ep e r c e n to fp a s sh a s i n c r e a s e d4 0 6 8 i nm o u l df l u xa n a l y s i ss e c t i o n ，t h i sa r t i c l eh a sp u tf o r w a r ds e v e r a lp i e c e so f i m p r o v e da d v i c et oa v o i db r e a k o u tf o rc a s t i n gb l a n k sl o n g i t u d i n a lf i s s i o n k e y w o r d sc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g y , a l l o ys t e e l ，s e c o n d - c o o l i n gt e c h n o l o g y , c e n t r ec r a e k s ，s h r i n k a g e i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 拊影膨， 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否贝l j 视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 钢的连续浇注成型是替代一百余年历史模铸成型的一项意义重大的技术革 新。作为钢铁工业发展历史上具有划时代性的重要技术之一，连铸技术的应阁彻 底改变了钢冶炼车间的生产物流及物流控制，为车间生产的连续化、自动化和信 怠技术化，以及为大幅度改善和提高产品质量提供了必要条件。连铸比是衡量一 个国家或一个钢铁企业生产发展水平的综合体现。自连铸技术应用于牛产以来， 全世界的连铸比和连铸坯产量迅猛增长：围绕连铸的新技术、新工艺、新设备也 在不断开发和推广。连铸已成为钢铁工业生产中必不可少的工艺环节，并且成为 衡量一个钢铁企业生产、技术、管理水平的标志之一，对钢厂结构的现代化产生 r 深刻的影响，使得钢铁产品更具有市场竞争力i l j 。 连铸之所以发展迅速，主要是它与传统的钢锭模浇铸相比具有很大的技术经 济优越性，主要表现在以下几个方面1 2 l ： ( 1 ) 简化生产工序。由于连铸可以省去初轧开坯工序，不仅节约了均热炉加 热能耗，而且也缩短了从钢坯到钢材的周期时间。 ( 2 ) 提高金属的收得率。采用模铸从钢水到成坯的收得率大约是8 4 8 8 瓜连铸约9 5 9 6 ，从钢水到钢坯的收得率可提高7 1 2 。连铸金属收得率的 进一步提高在于提高多炉连浇率。 ( 3 ) 铸坯质量好。由于连铸冷却速度快、连续拉坯、浇注条件可控、稳定， 掇此，连铸坯的质量在许多方面优于钢锭。如成分偏析小，纯洁度商组织致密 等。用连铸坯轧成的钢材在许多方面也优于钢锭轧成的轧材。 ( 4 ) 节约能耗。近年来，世界性的能源危机有增无减，各国对节能措施都十 分重视。由于连铸工艺可省掉一些加热工序和明显提高成材率，因此吨钢能耗大 大降低。每吨连铸坯综合节能约1 3 0 k g 标准煤。如以模铸钢锭开坯能耗为1 ，则 连铸坯樽加热轧材约l 4 ，丽连铸坯直接轧制成材仅为1 艏。 1 东北大学颂士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 改善劳动条件，易于实现自动化。模铸是炼钢生产劳动条件最恶劣的工 序，采用连铸后基本实现机械化，部分作业已实现自动化，使操作工人从笨重体 力劳动和恶劣的环境中解放出来，也使产品质量得到可靠的保证。 1 2 国外连铸技术的发展概况 5 0 年代连续铸钢设备开始用于工业生产。从那时起世界连铸技术大体上经 历了“5 0 年代工业性应用”、“6 0 年代逐步发展与推广”、“7 0 年代稳步发展”、“8 0 年代突飞猛进”、“9 0 年代再创辉煌”等五个时期p 1 。 从生产率来看，9 0 年代单台连铸机的年产量己超过3 0 0 万吨，铸机作业率已 达垂4 或超过9 0 。 从生产品种和铸坯质量方面，只有极个别钢种因质量问题不能进行连铸生产 外，大多数钢种均可用连铸生产。 从工艺操作方面来看，目前世界上厚板坯铸机的最高拉速已达4 5 m m i n 。意 大利丹涅利公司开发的自适应结晶器使1 3 0 1 3 0 n l m 2 的方坯拉速达6 ，0 m r a m 。奥 钢联在英国伯明翰厂的一台1 1 5 1 1 5 r n m 2 的连铸机最高拉速达5 2 m m i n 。 这些成绩的取得归功于人们对连续铸钢的新工艺、新技术的不断追求与不断 开发。世界连铸生产和技术主要朝以下几个方向发展1 1 ： 1 提高铸机生产率。即提高铸机作业率和拉速。为了提高拉速，主要在四方面 进行改进： ( 1 ) 提高和优化结晶器传热效率，对结晶器结构进行改进。有代表性的是瑞士 开发的凸模结晶器，其特点是结晶器顶部内壁为凸形，向下逐步变化，直至4 底部 为方形，它可提高拉速5 0 l o o ，拉满率下降3 0 。丹涅利公司开发的自适 应结晶器，其特点是将铜管加工成三锥度或抛物线，结晶器在热负荷作用下，不 再向外弯曲，而是在水压的作用下向内移动。奥铜联开发的钻石结晶器，其特点 是将结晶器长度延长至1 0 0 0 m m ，并在结晶器顶部以下3 0 0 4 0 0 m m 处开始角部取 消锥度。它的拉速可达5 0 m m i r a ，生产率提高2 0 5 0 。 ( 2 ) 为适应高拉速要求对出结晶器的铸坯进行强化冷却( 如比水最提高到2 8 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 32 l k g 以上) ，采用带液芯的多点矫直、连续矫直、压缩浇铸技术以及高度自动 化的连铸生产控制系统。 ( 3 ) 为适应高拉速、高质量的要求，优化水口形状，采用高精度结晶器液砸控 制系统，液面振动装置由板簧振动代替四连杆振动。 ( 4 ) 使用低粘度、低结晶温度、低软化及熔融温度和较快熔化速度的高效结晶 器保护渣。 同时还主要发展多炉连浇，漏钢预报，水口快速更换，上装引锭杆，自动检 测等技术。并且加强设各维护，提高结晶器、辊子、中间包等使用寿命。 2 生产高质量铸坯，实现直接热送热轧。机型从弧形向立弯式转变，采用低温 浇注、液面自动控制、多点连续矫直、计算机动态控制、电磁搅拌、压缩浇铸、 干式浇注等新工艺和新技术。目前世界上最先进的铸机生产的铸坯无缺陷率达 9 9 9 9 。 3 连铸连乾和近终形连铸技术。该技术是2 0 世纪9 0 年代国际钢铁工韭中的一 项重大新技术。自1 9 8 9 年在美国n u c o r 厂投入工业生产以来，在近十年来得到 迅速发展。至今已经投产或正在建设的薄板坯连铸连轧生产线已达到3 0 余条。典 氆的由西马克开发的c s p 、德马克开发的i s p 、丹涅拳j 开发的f t s r 、住友金属住 友重工开发的q s p 以及奥钢联开发的c o n r o l l 等生产工艺技术。 近几年，随着计算机技术、网络技术、数据库技术、控制技术和人t 智能技 术的臼趋成和广泛应用，为连铸生产实现自动化提供了技术基础。 1 3 国内连铸技术的发展状况 我国从1 9 5 7 年开始进行连铸的试验工作，起步较早，但在相当长的一段时间 发展缓慢。我国连铸至今已有近5 0 年的历史，国产铸机在研制韧期具有许多独创 和领先的技术，尤其在保证板坯质量，满足生产品种要求和提高铸机作业率方面。 代表了国外7 0 年代的水平，给国内连铸界带来了耳目一新的感觉。但也存在设备 比较简舾、电器控制和仪表检测水平不高，自动化水平低的特点诤a 1 9 8 8 年又确立了“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的生产技术方 3 东北上学硬士学位论文 第章绪论 32 l k g 以上) ，采用带液芯的多点矫直、连续矫直、压缩浇铸技术以及高度自动 化的连铸生产控制系统。 ( 3 ) 为适应高拉速、商质量的要求，优化水口形状，采用高精度结晶器渡碗控 制系统，液面振动装置由板簧振动代替四连杆振动。 ( 4 ) 使用低牯度、低结晶温度、低软化及熔融温度和较快熔化速度的高效结晶 嚣保护渣。 同时还主要发展多炉连浇，漏钢预报，水口快速更换，上装引锭秆，自动梭 - 铡等技术。并且加强设备维护，提高结晶器、辊子、中问包等使用寿命。 2 生产高质量铸坯，实现直接热送热轧。机型从弧形向立弯式转变，采用低温 浇注、液而自动控制多点连续矫直、计算机动态控制、电磁搅拌、压缩浇铸、 千式浇注等新工艺和新授术。目前世界上最先进的铸机牛产的铸坯无缺陷率选 9 9 9 9 。 3 连铸连轧和近终形连铸技术。该技术是2 0 世纪9 0 年代国际钢铁工业中的一 项重大新技术，自1 9 8 9 年在美涵n u c o r 厂投入工业生产以来，在近十年来得到 迅速发展。至今已经投产或正在建设的薄板坯连铸连轧生产线已达到3 0 余条。典 型的由西r 5 克开发的c s p 、德马克开发的i s p 、丹涅利开发的f t s r 、住友金属住 友重工开发的q s p 以及奥钢联开发的c o n p o l l 等生产工艺技术。 近几年，随着计算机技术、网络技术、数据库技术、控制技术和人工智能技 术的日趋成和广泛应用，为连铸生产实现苷动化提供了技术基础。 1 3 国内连铸技术的发展状况 我国从1 9 5 7 年开始进行连铸的试验工作，起步较早，但在相当长的一段时间 发展缓慢。我国连铸至今已有近5 0 年的历史，国产铸机在研制初期具有许多独创 和领先的技术，尤其在保证板坯质量，满足生产品种要求和提高铸机作业率方面， 代表了国外7 0 年代的水平，给国内连铸界带来了耳目一新的感觉。但也存在设备 比较简陋、电器控制和仪表检测水平不高，自动化水平低的特点”。 1 9 8 8 年又确立了“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的生产技术方 1 9 8 8 年又确立了“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”的生产技术方 东北大学硕士学位论文 第一章绪i 仑 针，大力推广了连铸系统工程的发展。 进入新世纪，随着我国从钢铁大国向钢铁强国目标的迈进，降低成本，提高 生产效率，改善产品质量成为钢铁行业行动的指南。连铸生产和技术朝着更加精 细化、系统化、高效化方向努力。9 0 年代中后期各钢厂在生产方面围绕高拉速、 高质量和热装热送不断引进新技术，进行铸机高效化改造，全力提高各项经济技 术指标。进入2 0 0 0 年又在向节能、高教化进步。现已有珠江钢厂、邯郸钢厂、包 钢、唐钢、马锯等进行了薄板坯连铸连轧生产线建设。在科研方两，重点围绕铸 机优化设计，电磁冶金学，凝固仿真技术，计算机动态控制，低过热度浇注，压 缩浇注等技术，开展了理论和试验研究。目前，不论是生产应用还是科研研究， 均取得了一定的成果 6 1 。 2 0 0 3 年，我国连铸坯产量突破2 亿吨，为世界总产量的1 4 。全国连铸比达到 9 5 4 ，全连铸单位突破2 0 0 个。 连铸坯产量和连铸机生产能力不断增长的同时，我国连铸技术也有很大的发 展，主要表现在以下的几个方面 6 1 ： ( 1 ) 连铸坯的断面形状不断增多。不仅可以浇铸方坯、板坯、矩形坯，还可 浇铸圆坯、管坯、异形坯等。 ( 2 ) 品种增多，质量提高。隧者连铸技术的进步，连铸钢种范围日益扩大， 从以前的普碳钢、低合金钢发展到现在的高牌号硅钢、不锈钢、石油管钢、重轨、 高碳工具钢、准沸腾钢等，几乎没有连铸不能浇铸的钢种。 ( 3 ) 生产规模日益扩大。 ( 4 ) 采用热装及直接轧制工艺，充分发挥连铸的节冉甚优势。 ( 5 ) 开发新一代接近成品形状的连铸技术。 ( 6 ) 水平连铸机开始进入钢铁企业。由于水平连铸机设备高度低，结构相对 简单，叉不需要高大的厂房，因此很受人们欢迎。 连铸技术发展极为迅速，在节约能耗，提高效率，增加生产能力，提商铸坯 质量等方面取得了重大进步。近年来发展迅速的高效连铸就是其综合反映。高效 连铸与传统的连铸相比，其特点是高拉速、高质量、高作业率，高温铸坯。商效 连铸技术是一项系统的整体技术，实现高效连铸需要工艺、设备、生产组织和管 4 东北大学硕士学位论文第一章绪沦 理、物流管理、生产操作以及与之配套的炼钢车间各个环节的协调与统一。主要 技术内容如1 - f 7 j ： ( 1 ) 保证适宜的钢水温度，最佳的钢水成分，并保证其稳定性的连铸相关勇己 套技术： ( 2 ) 供应清洁的钢水和良好流动性销水的连铸相关技术； ( 3 ) 高冷却强度的导热均匀的长寿结晶器的采用； ( 4 ) 高精度、长寿命结晶器振动装簧及其优化： ( 5 ) 低粘度、低熔点、商熔化速度、高凝固系数的保护渣； ( 6 ) 结晶器镪水液面控制技术： ( 7 ) 二次冷却的硬件及软件技术； ( 8 ) 连续矫赢技术； ( 9 ) 铸坯支撑及强化冷却技术、保护浇注技术、钢包技术、中间包技术、电 磁搅挣技术、自动开浇技术、低温浇注技术等。 1 4 本课题的提出 进入2 1 世纪后，随着高层建筑、深层地下油田和海洋设施、大跨度重载桥粱、 轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输送管线等领域飞速发展的需要，在国民 经济的各个部门对性能高、使用寿命长且成本低的合金钢需求约来约大。如我国 石油天然气钻井由东部转向中西部、由大陆转向海洋，钻井深由l o o o 3 0 0 0 m 发 展到目前6 0 0 0 1 1 0 0 0 m ，对于钢管用户除了对钢管的外、内表面质量、壁厚均匀 度、螺纹质量有较高要求以外，还对管材的机援性能，抗腐蚀姓韪、横翔冲击性 能提出更高要求。又如发电行业，为了提高电网的经济性，降低发电厂的单位电 力投资和煤耗指标，发达工业国的经验是大力发展高参数太容量机组，追使其发 电机组向亚临界、超锰界发展。为此要求使用的管材其有耐高温、高压、耐腐蚀、 抗热疲劳性能从而保持锅炉长期持久安全运行，这就促成钢管用材逐步向合金化 发展1 8 l 。宝钢为了提高合金钢的产量，展开了合金钢连铸的课题研究。 5 壅! ! 查堂堡主兰垡堕奎 墨：二里堕篓 目前国内外钢厂合金钢冶炼精炼设备较多采用v o d 、a o d 等设备，也有采 用l f v d 精炼设备，但都是大断面的铸坯连铸。因此宝钢电炉厂研究利用大型直 流电弧炉一l f 精炼一v d 真空脱气- - q f l 7 8 m m 小断面弧形连铸机生产合金钢铸坯 在国内外还属首创。 本课题结合宝钢电炉连铸生产进行，代表钢种的成分如表1 1 所示。在宝铡电 炉开工前5 年的时间里，由于末引进一贯质量管理技术，所以来充分掌握合金钢 成份控制、浇铸工艺技术参数控制等，这就导致电炉连铸仅仅能浇铸合金含量较 低的钢种，合金总量范围在o 5 - 1 5 。电炉开工初期也曾经试图生产钢1 0 2 ，但 是由于当时没有掌握相应合金钢连铸技术，导致该炉钢仅仅生产出2 3 根连铸坯， 就发生四流漏钢，两流结死，剩余钢水冲模铸报废。另外，浇铸后的铸坯经常发 生【c 】超标，合金回收率低，气体含量难于控制、中心裂纹、缩孔严重等问题，这 就导致供宝钢钢管分公司、高线的中、低合金锶圃方坯基本由一炼钢模铸生产。 由于一炼钢是采用模铸工艺，钢锭经初轧轧制后要进行切头、切尾操作，因此综 合收得率很低。如生产钢1 0 2 时为了保证表面质量生产出的a 1 8 1 m m 黑皮管还要 发往钢管分公司进行剥皮工序，单剥皮工序其金属消耗约8 由于工序烦琐，造 成最终钢管交货周期长、成材率低。为了改变这一现状，提高钢水收得率、拓展 钢管薪产品品种，自2 0 0 3 年开始进行合金钢电炉连铸工艺研究。因此，如何利用 宝钢电炉现有的设备通过优化工艺来弥补就成为目前继续攻克的难题。本课题主 要解决以下问题： ( 1 ) 研究含金钢的成分控制技术，实现纯净钢冶炼。主要包括c 含量控制、 合金成分回收率控制、气体含量控制、及p 、s 含量控制等。 ( 2 ) 研究合金钢中心裂纹的控制技术。研究钢水成分、过热度、拉速、二冷 制度等因素对铸坯中心裂纹的影响，提出合理的连铸工艺方案。 ( 3 ) 研究合金钢中心缩礼的控制技术。研究钢水过热度、拉速、二二冷制度等 因素对铸坯中心缩孔的影响，提出合理的连铸工艺方案。 ( 4 ) 研究宝钢电炉厂现用结晶器保护渣的理化性能，提出改进方案。 1 5 研究的主要内容 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 针对宝钢电炉分厂合金钢铸坯存在的中心裂纹、缩孔等缺陷，我们进行实验 室研究并且结合工业现场试验，摸索出适合宝钢电炉厂现有设备条件的生产低碳 中、低合金钢连铸坯的工艺方案，本论文主要研究内容包括： ( 1 ) 研究合金钢连铸成分控制技术。 本部分主要研究了合金钢的碳含量的控制，合金含量的控制，气体含量的控 制，p 、s 含量控制的措施，并通过试验结果的对比分析对采取的措旌进行验证， 最后对夹杂物控制进行r 分析。 表1 ，1 代表钢种舶成分 t a b l e l1t h ec o m p o n e n to f r e p r e s e n t a t i v es t e e l ( ) ( 2 ) 研究合金钢连铸中心裂纹的控制技术。 本部分首先分析了连铸钢水的过热度、拉速、成分、二冷比水量的大小及二 冷水量四区分配等连铸工艺参数对铸坯中心裂纹的影响进行分析，并利用数值模 拟技术对铸坯表面温度进行了模拟，为制定二冷参数提供依据。然后通过试验对 不同的工艺方案进行比较。最后，提出正确的工艺改进方案。 ( 3 ) 研究合金钢连铸中心缩孔的控制技术。 本部分酋先对连铸钢水的过热度、拉速、二冷比水量的大小及二冷水量凹区 分配等连铸工艺参数对中心缩孔的影响进行分析，并利用数值模拟技术分析九炭 偏析对铸坯中心缩孔的影响。然后通过对比实验对不同的工艺方案进行比较。最 后，提出正确的工艺改进方案。 7 查i ! 查兰堡主堂堡堡墨 ( 4 ) 连铸结晶器保护渣分析。 第一章绪论 本部分首先分析了连铸保护渣的作用，然后，分析了保护渣的组分对理化性 能的影响及保护渣的理化性能对铸坯质最的影螭，最后，通过对宝钢电炉厂现用 保护渣理化性能的测试分析，提出几点改进建议。 1 6 本课题的意义 本谍题产生很大的经济效益，为宝钢产品的品种拓展、产品产量和质量的提高， 降低生产成本，增强宝钢产品的市场竞争力，起了关键的作用。主要表现在以下 几个方面t 1 连铸代替模铸工艺生产中、低合金连铸坯，钢水的成材率由原来的8 1 5 提 高到9 7 ，其次，节省了初轧铸坯的剥皮成本，退火成本等：另外，还节省了剥 皮机床和刀具消耗等，显著降低了产品的生产成本。 2 连铸工艺完善使供钢管合金钢坯料原本走初轧产线而转连铸产线，扩大了宅 钢采用模铸产线生产高附加值热作模具钢产能。使得宝钢的产能得到最台理和优 化配置，实现了宝钢产品的产量和效益的最大化。 本课题通过研究合金钢连铸过程中经常出现水口结瘤、潺钢、成分超标、铸 坯缩孔及中心裂纹等影响合金钢铸坯质量的严重缺陷。掌握了低碳中、低合金铜 圆方坯连铸在成分控制，浇注控制，二冷控制等方箍的控巷口技术，提高了合金钢 的成材率。本课题的研究成果将为以后的大方坯连铸产线在成分控制，钢水过热 发控制，工艺控制，浇注控制等方厩提供理论指导。同时，本成果也可应用判国 内其他钢厂在合金钢连铸方面，减少研制成本等。 8 东北大学硕士学位论文 第二章阔坯合金钢连铸成分控制 2 。1 概述 第二章圆坯合金钢连铸成分控制 宝钢电炉厂现有1 5 0 吨双炉壳超高功率直流电弧炉一座，1 5 0 吨l f 精炼炉一 座，v d 真空脱气精炼炉一座，六流圆方坯兼用弧形连铸机一台，由于宝钢电炉精 炼设备仅仅为l f 、v d ，而不具备国外合金钢专业生产厂家的精炼设备，如v o d 、 a o d 等。因此必须根据宝钢特有工艺装备及工艺进行合金成份控制工艺方法。总 结出适合电炉分厂设备特点的工艺参数控制方案。提高合金钢连铸铸坯的合格率。 主要合金元素在钢中的作用及控制滩点如下： c r 的主要作用是提高了钢的强度，促进了马氏体的形成，在一定程度上抑止 r 铁素体的形成，同时它在8 0 0 c 时析出的a 相也是造成含c r 钢8 0 0 低塑性豹 原因之一。n b 的加入较好的消除了高温两相区中铁紊体网膜造成的应力集中， 改善r 钢的延塑性。b 的加入稳定了奥氏体晶粒，阻止了铁素体的形核，同时也有 强化晶界的作用。另外，一些微含量的合金元素，如m o 和v 主要起到了细化奥 氏体晶粒，增加钢的强度的作用。加入微量的v 、t i 、n b 等元素，使晶粒细化， 减轻枝晶偏析，有利于减小裂纹倾t g j 。 钢的性能对b 的加入量非常敏感，对b 在钢中的含量要严格控制。 合金元素c r 、m o 、v 、t i 、a i 等由于在钢中形成高熔点的氧化物或碳化物等 质点，使钢变粘，降低钢液流动性【1o j 。 合金元素会降低钢的导热性，致使产生裂纹倾向更大。 由于合金钢冶炼具有以上特点，电炉厂合金钢连铸经常出现的【c 】超标，合金 回收率低，气体含量难于控制、中心裂纹、缩孔严重等问题，因此，对于合金钢 冶炼，能否冶炼出满足标准成份的钢种成为冶炼的关键指标之一。 2 2 合金钢连铸 c 控制 脱碳是贯穿于钢的氧化精炼过程的一个重要反应，是完成炼钢的重要任务之 9 东j b 大学硕士学位论文 第二章豳坯台金钢连铸成分控制 一。脱碳反应具有搅拌熔池，增大反应界面，促使熔池成分、温度均匀化等作用， 同时c o 排班过程有利子清除钢中气体和夹杂物；大曩c o 气体是炉内泡沫和乳化 现象的重要原因，若控制不当将导致熔池上涨，甚至产生喷溅。此外，炉渣的氧 化性、钢液含氧量等也受脱碳反应的影响l 1 。 炼钢熔池的脱碳反应主要有以下三种形式： 1 在吹氧炼钢过程中，一部分碳在反应区与氧气流真接接触而被氧化： 2 c + 0 z = 2 c 0 ( 2 1 ) 2 碳同溶解在金属液中的氧发生反应： l q 1 0 1 = ：c o ( 2 - 2 ) 3 碳还与炉渣中的( f e o ) 反应： c l + ( v e o ) = l f e + c o ( 2 3 ) 通常炼钢熔池的脱碳反应按第二种形式进行，其脱碳反应的平衡常数为： k c ：丝；墅墅( 2 - 4 ) 出1 咖】丘【c 1 以【0 】扣f 明屈 d 】 l n k c = 1 1 6 9 t + 2 _ 0 7( 2 5 ) 式中，p c o 为同熔池中豹【o 】平衡的气相中c o 分压；a t 。，、a t o j 、卉c j 、并o ， 分别代表碳、氧活度和活度系数。 为了分析炼钢过程中【q 和【0 】的关系，上式可简化为： p 铌1 p 幻) = l k c = m ( 2 - 6 ) 由式2 - 6 可以看出，钢中溶解的氧与碳含量相关。为了控制出钢碳，除了控 制吹氧量外，还要控制入炉原料的铁水比、废钢种类。另外，由于目前电炉试制 台金钢主要以低碳台金钢连铸为主，平均【c j 为o 0 6 0 ，1 2 承平，由于在冶炼中需 加入大羹合金，而台金中常常含有部分碳。同时精炼l f 工位也会增0 o l o 0 2 的碳，原来电炉冶炼合金钢连铸采用的铁合金为高碳铁合金，添加合金也没有采 用分批加入的方法，经常造成钢成分中的碳出格，冶炼工艺很不稳定。因此为了 防止碳出格，稳定冶炼工艺，改进工艺采用以下措施： 1 ) 合金采用微碳铁合金。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章翻坯合金钢连铸成分控制 2 ) 控制电炉出钢碳在00 3 0 0 4 较窄的范围内。 3 ) 提高电炉出钢温度缩短l f 处理周期，减少l f 电极升温造成钢水增碳。 4 ) 出钢时加入部分铁合金减轻l f 处理时间，通过适当提高出钢温度_ 在出钢 过程中加入部分铁合金，以避免因l f 工位多次升温造成增碳。 通过采用以上的改进措施，对提高冶炼合金钢连铸的碳成分控制效果非常明 显碳保留率下降6 8 2 ，见图2 1 所示。 原来现在 图2 1 碳保留率 f i g 2 1c a r b o nr e t 伽t i o n r a t e 2 3 合金钢连铸台金成分控制 由于本课题所研究的钢种合金含量较高，合金成分保留率成为控制的关键点 之一。统计结果表明，合金含量与中心裂纹的关系如图2 2 所示。为了更好的完成 调整钢液成分的任务，加入铁台金时应满足下列要求【1 3 1 ： 1 ) 合金元素被氧化的少，收得率离，和氧结合的夹杂物少，保证钢液质量。 2 ) 铁台金带入的气体、夹杂物少。 3 ) 铁合金在钢液中熔化，溶解的快，使成分容易均匀。 上述要求中主要是防止易氧化元素的损失。为此必须在脱氧良好的基础 ：进 行合金化，这样可提高元素的收得率，还原过程中钢渡和炉渣的氧逐渐降低，可 将不易氧化铁合金如镍、钨铁、钼铁、锰铁、铬铁早期加入；容易氧化的钒铁、 锟铁在脱氧良好的情况下加入，极易氧化的铁合金如钛铁、铝、硼铁、稀土金属 等在真空毕时于精炼位一次性加入。因钢渡中的的氧和钢液中的不稳定氧化物也 l l o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 墨瓣砸毖酶 东北大学硕士学位论文 第二= 章翻坯合金钢连铸成分控制 能使一些极易氧化的元素激烈氧化，所以极易氧化的元素加入时间尽量靠后，减 少溶解的元素在钢液中的停留时间f ”】。由于原工艺在添加合金成分时，没有采用 分批加入方式，将合金成分一次调整到位，造成合金元素的收得率很低。因此， 为了提高合金元素的收得率，叛工艺采用如下方案： ( 1 ) 根据规定出钢量，提前计算所需合金的用量，并准备到位。除毋】、f n 】、 ( v i 等易氧化元素外，其它合金在真空毕时于精炼位一次性加入，不易氧化的合金 在钢包及出钢时分批加入如【c r 】、【m o 、【w 】，同时在调整合金成分时做到批量加 入，取样分析后依据结果再进行成分调整，避免一次性将成分调整到位。 蚕1 ： 艇6 0 蒸 耄鼍 、 ： j ，。、 、 023456 台蝴 图2 2 中心裂纹与钢种合金含量的关系 f i g22r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e n t e fc r a c k sm da 玎o yc o t e n t ( 2 ) 为了保证合金钢化学成分均匀以及避免浇铸过程降温异常引起拉速过快； 对于生产合金钢辅材准备应保证钢包必须为底吹氩良好、热态周转包。 采用以上改进方案后，合金元素的保留率得到显著的提高，合金成分保留率 提高1 0 6 ，如图2 3 所示。 图2 3 合金成分保留率 f i s 2 3 a l l o y r e t e n t i o n r a t e 4 合金钢连铸气体含量控制 1 2 驻睐 撕 5 0 丹船牮求镬埘如 东北大学硕士学位论文 第二章豳坯含金钢连铸成分控制 气体元素对钢性能的的影响如表2 1 所示，溶解在钢液中的气体，在凝圃过 程中产生偏析现象，自凝固开始逐渐析集到铸坯的中心韶位，促进中心疏松或显 微琉松的形成，对钢材质量有很大的影响。钢中的气泡和显微疏松在轧制和锻造 过程中有的被焊合，有的则不能。气泡中c o 气体和n 2 越多，气泡越大，越不易 焊合，严重影响铸坯质量。 去气是炼钢的基本任务之一，而在冶炼过程中，同时存在着钢液吸气和钢液 去气两个矛盾过程，总的去气效果就取决于吸气速度和去气速度二者之阍的关系。 这两个矛盾因素决定了钢液内部气体含量的变化”。所以采取去气措施的原则不 外乎减少钢液吸气条件或采取措施提高去气速度，促使钢液内部气体含量f 降。 去气措施主要有以下几点1 1 5 j ： 在炼钢原材料质量、大气湿度和冶炼工艺上应注意的问题 f 1 ) 提高炼钢用氧气纯度和原材料质量 ( 2 1 按工艺要求对原材料及冶炼浇注设备干燥和烘烤，减少钢中气体来源。 氧化期脱碳去气 在炼钢氧化期，吹氧、加矿，金属熔池中发生激烈的碳氧反应，生成大量的 c o 气泡并在钢液中上浮，刚生成的c o 气泡里没有h 2 、n 2 ，c o ，气泡对h 2 、n 2 相当于真空，这时锅掖中的辑司j 阳口q 就向c o 气泡中传递，随气泡浮出熔池雨排除。 所以，氧化期脱碳反应是去除气体的重要手段。 真空冶炼和钢液真空处理 由于双原子气体氢和氮在气相中的分压与钢液中氢和氨的含量之间的关系符 合西华特定律，即气相中氢和氯的分压越低，刚钢液中氢和氧的含量就越少。阂 此真空冶炼可以显著的降低钢中的气体含量。 钢包吹氩搅拌 吹氩具有和真空处理相似的作用，由于氩是惰性气体，吹入钢液后不参与反 应，氩气中氢氮含量均碾低，氩气进入钢液的瞬间，氩气泡对镪液中溶解的气体 象一个小真空室，钢液中的氢和氮不断向氩气泡中扩散。氢或氮在氩气泡中的压 力随着数量的增加而增高，但钢液中的氩气泡在上升过程中受热膨胀，因而氢与 氮的分压随着气泡上升仍保持在较低的水平，故氢、氮能继续向氲气泡中扩散， 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章翻坯台金钢连铸成分控制 虽后随氩气泡带出钢液。 由于合金钢种运用较为广泛，主要用于高压锅炉管、油井管，为了保证锕种 机械性能及钢管运行的持久性，各用户对于钢中( h 】、( o ) 、( n ) 分别要求小于 2 p p m 、4 8 p p m 、8 0 p p m ，c h 、( o ) 、( n ) 对产品性能的影响如表2 1 所示，为了 满足用户需求，在冶炼上采取如下工艺控制技术控制钢中气体含量： ( 1 ) 保证l f 结束自由氧含量【o 】1 0 p p m ，从而加快v d 进入高真空时间。 ( 2 ) 保证商真空处理时间大子1 3 m i n ，保证脱气率 ( 3 ) 长水口密封及吹氪良好，避免钢水二次氧化。 由于采取了以上工艺方案，气体元素保留率比原来下降了9 2 ，如图2 4 所 刁xo 2 5 合金钢连铸 p 、 s 的控制 2 5 1 磷的控制 对于合金钢冶炼，磷是一个有害元素，因为磷使钢产生冷脆，磷商还加劂 铸坯的偏析，铁水磷的含量很高，因此，在合金钢冶炼有一定的脱磷的任务l 。 表2 1 气体元素对钢性能的影响 t a b l e 2 ：lt h ei n f l u e n c et os t e e lp 雠f o r 珊c e 讲l l r i n gt og a se l e m e n t 元素对产品性能的影响 氧 氮 氢 角状夹杂和大型夹杂物增加脆断敏感性，非金属夹杂物可能对表蘑质量 不利。 将造成时效硬化，应变时效，增加抗张强度和硬度、降低延展性和韧性。 氢裂可能造成低西| c ，清洁钢的灾难性破坏。 1 4 东北大学硕士学位论文 第：二章翻坯合金锢连铸成分控制 琢来 现在 例2 4 气体克幕保留率 f i g2 ，4g a sm t e t i o nr a t e 在台金钢冶炼过程中，只有用c a o 才能使磷的氧化物p 2 0 5 稳定的存在于熔渣 r p ，从而进行有效的脱磷。用石灰脱磷的反应式为： 2 f p ) 5 ( f e o j + 4 ( c a o ) 一( 4 c a o p ：, o s ) + 5 f e ( 2 - 6 、 脱磷反应的平衡常数为： 石。石万,f蕊ll：g。 ( 2 7 ) 球l p | 西 口( c z g x = 4 0 ，0 6 - - - - 5 7 1 5 掰 ( 2 8 ) 为了分析问题方便，引入分配系数印；荔器表示炉渣的脱磷能力。 印：k ( a f e o f 俾。o 五堕堕血( 2 - 9 ) y s 2 0 , 从上式可以看出，影响炉渣脱磷的主要因素有炉渣的温度、成分以及钢水的 成分。 1 ) 温度的影响 脱磷是强烈放热反应，低温使脱磷反应的平衡常数增大，因而有利于脱磷反 戍的进行。但是也不是熔池的温度越低越好，适当高的熔池潺度可以尽快形成高 碱度的炉渣，并改善炉渣的流动性，有利于脱磷反应的进行。 2 ) 炉渣碱度 增加炉渣中c a o 含量将使磷的分配系数增大，因面提高炉渣碱度有利于脱磷。 但是若炉渣的中的c a o 含董过高，则炉渣变粘而不程于脱磷。因此炉渣应具有适 蚺璩h 地吣8 6 4 2 0 t碍龃举*喊簟r 东北大学硕士学位论文 第二章圜坯合金钢连铸成分控制 当商的碱度。 3 ) ( f e o ) 的影响 ( f e o ) 对脱磷反应的影响较复杂。在一定的范围内增加( f e o ) 有利于脱磷。 斟为( f e o ) 对脱磷具有双重作用，一方面( f e o ) 是金属中磷的氧化剂，增加渣 中( f e o ) 可提高of 由，并可生成3 f e o p 2 0 5 ，而高温下3 f e o p 2 协不稳定，所以 只有在炉渣碱度和熔池滠度偏低时渣中氧化铁才具有相当的脱磷作用，此外增加 ( f e o ) 还有利于促进石灰的熔化，提高炉渣的碱度；但是，( f e o ) 过高则将稀 释( c a o ) 的去磷作用。 4 ) 钢水成分的影响 一般说来，某元素与氧的亲和力大于磷和氧的亲和力时，则该元素将阻碍磷 的氧化。因此，只有在大部分硅和锰氧化结束后磷才氧化，而且由于大量的硅氧 化使炉渣的碱度下降而不利于脱磷。 5 ) 渣量的影响 增加渣量使( p 2 0 5 ) 下降，因而在l p 一定时，增加渣量可以促进脱磷反应 进行。所以多次换渣操作是脱磷的有效措施。但这增加了金属和热量的损失。 因此，脱磷条件是低温、高碱度、适当高的氧化性以及大渣量。在冶炼过程 中，如果炉温过高，碱度、( f e o ) 过低将导致已脱掉的磷部分又从渣中返回到铡 液中，为了防止回磷，生产中常采用出钢前向炉内加石