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轻,重压下技术在连铸上的应用16上海宝钢工程设计2000年第2期 轻,重压下技术在连铸上的应用 蔡达 内容提要了f7 本文介绍了轻,重压下技术应用的冶金原理和采用的方法,i艺誊敷的硝定及主 要的设奋特.锈. 孛尼巷,:1前言心部分的观偏析,一般以条i点状形式存在 在连铸过程中,铸坯内部经常产生的中于中心线附近. 心偏析,中心疏橙等缺陷对钢材性能具有极对于方坯与板坯而言,其形成机理略有 大的不良影响.为提高连铸坯质量,减步和不同.在方坯连铸中,凝固坯内部液相穴末 消除铸坯中心偏析,中心疏松这类缺陷.近端形状相当尖,易产生”搭桥”现象,生成”小 年来采用了使俦坯的最后凝固组织中增加等锭”结构,从而产生周期性的断断续续存在的 轴晶的低温浇铸技术,电磁搅拌技术(f-绾孔和偏析,造成中心疏橙和中心偏析缺陷. ems),软冷却技术,轻压下技术,重压下技在板坯连铸情况下,其内部液相穴末端形成 术以及最近研究开发出的鼓肚轻压下技术相对平坦,在这种状况下,”搭桥”现象不能成 (intemstonaibul电ingandsoftreductm1)等为偏析的主要因素.因为钢水仍然可以继续 等.这些技术的应用,对改善铸坯质量,有补充,此时中心偏析主要是由于凝固坯壳冷 效地控制和减轻铸坯中心偏析缺陷的产生起凝收缩以及鼓肚引起负压,促使糊状区树枝 到一定作用.其中凝固末端轻压下技术的应晶问富含有杂质元素的钢液流动而形成的中 用,已经在锕铁工业发达的国家取得了丰富心疏松和中心偏析”. 的经验.已被证明对提高连铸质量是十分有根据中心偏析发生的机理,控6i铸坯凝 效的.进行凝固末端压下时,应当装备相应固末端的凝固过程,就可以有效地控制发生 的机械设备.中心偏析的程度.压下技术就是根据这个原 2轻,重压下技术应用的冶金骤理 锕中除含fe外.还含有c,si,mn,p,s 等元素及非金属夹杂物.其含量多少对钢的 性能影响很大.钢液在凝固过程中,由于选 分结晶的原因,固相内元素的扩散速度又非 常慢,故钢液在通常条件下凝固必然产生中 心偏析.在连铸过程中随着浇铸速度的加 陕,液相穴深度加长,其端部形成锐角,使铸 坯中心偏析加大.中心偏析通常是指铸坯中 授青鬻轻t 量蔷嚣 h 状杏 铿 囝l轻压下对中心偏析的影响 圜圈圉 2000年第2期上海宝铜工程设计17 理在连铸过程中控嗣中心偏析的其基本原 理如图1所示. 铸坯坯壳在完全凝固前受到外部均匀压 力作用.防止了铸坯冷凝收缩产生的负压,阻 止了铸坯园冷凝收缩或鼓肚而产生的钢液横 向流动.促使铸坯中心区域富含杂质元素的 钢液回巍并可能重新在固液相问分配,从而 使得凝固末端更均匀致密,这就大大地减轻 了中心偏析和中心琉梧的程度. 3压下技术采用的方法 3.1轻压下和重压下 压下技术采用的方法有两种型式:轻压 下和重压下.80年代.日本许多厂在大方坯 和板坯连铸机上均采用过这两种方法,如新 日铁,日本钢管,住友金属,神户倒锕等.轻 压下常采用辊压式方式进行,重压下常采用 锻压式方式进行.据报道,锻压式在改善铸 坯质量的效果和适应铸坯凝固末端位置的变 化方面均比辊压式效果好.但近几年锻压式 由于设备复杂等原因发展缓慢,而辊压式应 用较多,如日本新日铁室兰厂,君律厂,日本 钢管的京浜厂,福山厂,德国dillinger 厂,thyssen公司,美国惠林匹兹堡厂,加 拿大ipsco公司等均采用辊压式. 3.i.1轻压-f4】 采用小辊径的支承辊以线接触铸坯.它 是以一定的压缩率.通过不断减小每对辊子 辊缝的方式在铸坯最后凝固部位施加以机械 田2轻压下工艺原理 能,使该部位的糊状钢液排除,并破坏柱状晶 成长的一种技术.其基本原理于图2中示出. 3.1.2重压下 采用压头以面接触铸坯.它是通过大压 下量连续锻压的方式在铸坯最后凝固部位旖 加以机械能,使该部位的糊状钢液排除.并破 坏柱状晶成长.棱破碎的柱状晶可作为等轴 晶的核心,从而使得诗坯中心部位的组织致 密且无偏析.据报道.消除高碳钢的中心偏 析采用这种方式效果好.其基本原理如图3 所示. 1 l嘲 田3重压下工艺原理 3.2动态与静态的轻压下 在连铸过程中,因更换中问罐或其它原 因使拉速变化时.沿连铸机长度方向上的凝 固终点位置发生变化,轻压下又必须在凝固 终点之前的某一恰当区域进行.因此,把能 够在浇注过程中跟踪凝固终点的轻压下系统 称为动态轻压下.动态轻压下只对板坯连铸 机而言. 动态轻压下目前还只是停留在理论上. 奥钢联设计的扇形段能够在浇注过 程中调整辊缝.据介绍,浇注过程中并不移 动轻压下位置,实际上只能起刭停机调整辊 缝的作用.西马克给德国dtllinger设计 的立弯式(凝固后弯曲)双流板坯连铸机具有 按照计算的凝固终点进行动态轻压下的功 能,但目前还没有投入工业生产.德马克设 计了一种弹簧板导向的动态轻压下扇形段. 以上三家公司设计的扇形段均是液压夹紧 式.日立造船给君津2号连铸机设计的扇形 18上海宝钢工程设计2000年第2期 段是液压夹紧定距块结构,给水岛4号连铸 机设计的轻压下扇形段为机械夹紧式.都是 静态轻压下.静态轻压下技术是目前国内外 在浇注厚断面铸坯时采用的技术.【 4工艺参数的确定 连铸过程中,压下设备的安装位置,总压 下量(或轻压下率)的大小,拉坯速度等参数 对控制中心偏析均有重要影响.因而确定这 些参数是运用轻压下技术的基础. 在压下设备的安装过程中,最理想的安 装位置是在铸坯刚好出压下区之前完全凝 固.即铸坯的最后凝固点必须在压下区内. 根据压下技术的冶金原理.如果最终凝固点 在压下区之前,就不可能对中心偏折进行控 制.因为中心偏析已经形成了,如果最终凝固 点在压下区之后,铸坯压下后,凝固终点仍含 有富含元素的钢液,中心偏析仍可发生.因 而确定压下区适合的位置必须确定液相穴末 端(凝固终点)的位置.确定液相穴末端的位 置的方法通常有试验法和数学模型法. 资料表明轻,重压下的最佳位置从微观 上讲是从铸坯中心固相率fs为0.10.3到 铸坯中心固相率达到流动极限固相率(f)之 间的区域.对于普碳钢,当固相率f|0.6 时.钢液粘性很大,即使采用电磁搅拌技术, 也很难使它流动.此时的固相率称为极限固 相率,用表示,钢种不同也不同.对于 低合金钢=0.65-0.75.如果在|/>0.65 o.75时进行压下.不但无助于取得压下效 果,甚至还会对蒋坯内部质量产生有害影响. 因此,要获得最佳压下效果,铸坯被压下的结 束点的特性应与固相特性转变点相一致.压 下之后蒋坯导向辊应该有一附加长度,以便 让难以流动的钢液完全凝固j. 4.1重压下 锻压所必须的压下量6由式(1)确定j. 8=81+82+83(1) 式中:61一将固液共存层内糊状钢液排除所 必须的压下量; 52-将固液共存层内的固相破碎并排 挤到上流侧液相区所必须的压下 量: 一使完全凝固的金属产生塑性变形 的必须压下量. 锻压位置的上下固相率均为=1之间 所夹的外观未凝固层厚,称未凝固层厚度d. 如图3所示.如果压下位置的固相率l及某 一 钢种所特有的固液共存层厚度是一定的, 则图中斜线部分固液共存层内的浓化钢液量 是可计算的.固相率f.在0.51.0的场合 下.使糊状钢液排除所必须的压下量81计算 为30ram-omm.铸坯越厚则81越大.如 果压下量小于61.糊状钢液不仅不能排除. 且上下压力不能抵消.凝固壳吸收能量而弯 曲.形成内部裂纹. 是将固藏共存层内的树枝晶压碎.并 使其排挤到上流侧的残液中,形成等轴晶的 结晶核心的压下量.当f|在0.5以上时,则 最大值为5ommloomm. 总压下量6应比81大很多,否则只能引 起糊状钢藏的移动.使铸坯中心部形成负偏 析.因此,6必须是61与之和.再加上完 全凝固层在压下时塑性变形的压下量占3. 如400ram厚的铸坯(c:0.8%),锻压位 置的表观固相率为0.5,以两倍的61压下, 所需压下量为60ram.压下量不足,凝固界 面尚未压实.糊状钢液没排除.则产生负偏折 和中心裂纹. 4.2轻压下 合适的总压下量可以减轻中心偏析的程 度.但是总压下量过大时会使铸坯内部产生 裂纹.使轻压下区夹辊受到破损.因而总压 下量的大小必须满足两个要求. (1)避免铸坯产生裂纹. (2)轻压下区压下量产生的作用力不能 对支撑辊的疲劳寿命产生不利影响. 在对蒋坯进行轻压下时,产生裂纹的主 2000年第2期上海宝钢工程设计19 要原因是由于固液界附近存在一温度脆化 区,固液界面糊状区晶体的强度和塑性非常 小.当压下量过大时.铸坯受到挤压而变形, 变形量超过临界值时,铸坯就在固液界 面产生裂纹.通过测定.有人指出凝固坯壳 内部产生裂纹的临界断裂应变值估计为 0.2%o,4%之间.对铸坯进行轻压下产生 的应变由式(2)确定_1】. =c(st)/12(2) 式中:一固液界面的应变; 常数; 卜一铸坯厚度(ram); 1一辊距(ram); 8一每个辊间距的压下量(ram). 总压下量可求得为: t|=rsl(3) 式中:t.一轻压下总量(mm); rs一轻压下率(mm/m).rs=占/i; 卜轻压下区长度(m). 由式(2)可求得应变值必须小于临界应 变值0.2%-0.4%,从而获得最佳压下量及 轻压下率的大小. 一 般铸坯凝固时,由液体变为固体的收 缩率为3%-4%,考虑到液相穴末端的固相 分率f|约为0.50.6,及巳凝固的坯壳由于 温度下降产生的收缩率.如果轻压下区的轻 压下率与铸坯之间的总收缩率相协调,所采 用的轻压下率应是最佳轻压下率【. 5设备特点 5.1重压下设备 对于8l较大的场合,如81=80mm时. 压下方法如采用辊压式.由于有一时闯过程, 使凝固界面始终保持同样状态,树状晶破碎 效果比连续面压式差.当压下量为80mm 时,就要求一对辊子的直径和驱动扭矩都必 须很大.这蔚要求有庞大的设备. 采用连续锻压式.在锻压机下方的固液 共存层内经过一次锻压后,树状晶可破碎,糊 状钢液及破碎的树状晶可被排挤到上流侧. 且大压下量时.可防止内部裂纹的产生.采 用连续锻压式不存在向辊子输送大扭矩的问 题,因而不受压下量的限制. 川崎水岛厂3号连铸机采用锻压式.对 400mm560mm的铸坯.在未凝固厚度d= omraloomm时,压下总量8=40ram 140mm,压下比8,d=0.88,此时中心偏析 基本消除(对0.7%c以上钢).他们采用电 动机传动曲轴.顶部液压缸锻压方式.所有 四流的锻压力由一台电机提供,通过一个曲 轴把力传送到每一流作垂直运动的锻钻上. 每一流的锻压行程可以单独改变.在锻压的 时候,锻钻随铸坯移动,到达锻压终点.通过 回程液压缸把锻钻拉回到初始位置.为下一 个锻压周期作好准备_4】. 5.2轻压下设备_6】 (1)采用小辊径的支承辊来代替传统大 辊径支承辊.这样有利于减少辊距,防止铸 坯产生鼓肚缺陷,井可以使铸坯在轻压下区 受力更加均匀.日本nkk公司福山钢厂在 轻压下区采用的辊径是210mm,而同一连铸 机其它扇形段采用的辊径为375mm. (2)辊距小,并且辊距大小还可以进行调 节. (3)采用分节夹辊代替普通夹辊.分节 辊各节辊联接处有保护罩以提高强度,利用 分节辊可以弥朴小辊径夹辊刚度不够的缺 陷,不同的轻压下设备,分节辊的节数也有所 不同.日本nkk公司福山钢厂每一分节夹 辊由三段节辊组成,并且相邻夹辊的接点相 互错开.加拿大钢铁公司希尔顿钢厂采用的 轻压下设备中分节辊其由两段节辊组成. (4)轻压下设备框架中装有弹簧元件,可 以防止载荷过大而导致夹辊变形受损.保证 了设备的正常运行. 6轻压下对产品质量的影响 通过大量的试验研究发现,压下技术可 上海宝钢工程设计2000年第2期 以有效地减轻连铸坯的中心偏析程度和中心 疏松,提高产品的质量和性能. 表1为轻,重压下技术运用碳偏析度的 比较. 研究表明.轻压下的应用可以减少气孔 及轴向偏析度.对于c的偏析度,在压下量 表1轻,重压下技术运用碳偏析度的比较 铸坯断面碗偏析度.c/co诗连轻压下事 厂名锕种重压下量( mmxni皿)运用菌运用后(巾,i凸in)(maym) 日本nkk公司捂山厂ap2x.22019501.351.541120.750.9 加司ais110223306601. 331.140.81.06 韩国蒲项锕铁公司s823302501.61.050.71.18 备_大剥锕r碳锕16ol6o13141.11.54.8(0. 4%c) 日本川崎承岛厂碳锕锻压行程 3号连*机(0.7%c以上)400x5601.250.9o.5100mm-140 为10ram时.最大可降低5%,s为10%;在 压下量为20ram时.前者的偏析度可降低 9%左右.后者在18%左右【.轻压下效果 可引起对流运动,有效地搅拌正在凝固的钢 液,具有如下优点: (1)均匀熔液成分. (2)由于对流,已部分偏析且温度较高的 中心钢液接触到已经形成的枝晶,枝晶重新 熔化.这样,锢液变得均匀,只含少量偏析成 分. (3)枝晶重溶使固态晶体从界面上脱落 下来.随后,由于对流运动,这些脱落下来的 晶体就移向镣坯中心. (4)枝晶重熔所消耗的热焙使钢液温度 降低,过冷度增大,有利于钢液凝固. 原因是钢水质量存在问题,而其中又普遍存 在钢水过热度太高.一般为3o4o,甚 至更高,这必然导致镣坯的成分偏析加大和 产生粗大的穿晶组织. 由凝固理论分析,低过热度钢水在凝固 过程中生成等轴晶,这种结晶组织不仅可消 除偏析.而且具有抗热应力的性能,而高过热 度钢水凝固时生成柱状晶,这种组织在热应 力作用下易产生裂纹.浇注可明显改善中心 偏析.并提高等轴晶率与细化结晶组织.在 过热度较低(515)的情况下.铸坯内部 等轴晶区比率可高达75%,而在过热度较高 (2o一30)的情况下,铸坯内部等轴晶区 所占比饲只有20%.,由此可见,低过热度浇 注对轻压下技术的应用有利,可以减小轻压 下量. 7低过热度浇注与轻压下的关系 运用轻压下技术时,其冶金效果不仅受8结束语 到拉速,压下量,设备安装位置几种工艺参数我国部分钢铁产品质量还不能完全满足 的影响,还受到低过热度浇注的影响.市场的要求.应用压下技术来减少或消除中 我国铸坯质量落后于先进国家,其主要心偏析,中心疏松具有非常重要的实际意义. 2000年第2期上海宝钢工程设计 _ 21 参考文献 1g.s毗.softred眦血.fcfiauousycast b1ddatsted一shiltonworbs*edmakcon- f甘-cepr0ee】,1995:295300 2kyungsmkohr.deve1op.fsoftructlon thnologyfofthebloomc罅f毗pohagworksof p0sc0.steehnaking(erceproceedings,1995j301 308 3g_岫咖曲却ng盯drmmsoftrtionon n血slabncasthgasiaiel_19卯:168170 4hidte等在水岛厂no3大方坯连译机上采用连 续锻压工艺的设备结构和操作结果,第一届敢荸h连铸 会议译文集,1991:216-224 5金培洪.两种连罅新技术.(炼锕,19(5):3842 6程常崔等轻压下技术在连铸中的应用.炼锕.1998 (5):4245 7王鞭盈等.厚板坯连铸轻压下技术和轻压下崩形畏 重型机械.1999(5):911 低成本生产不锈钢的vainox.-cssm方法 奥钢联曾经研制出各种生产不锈钢的新 概念和实用的技术.今天,所有这些技术经 过去粗存精,优化组合之后,已形成井命名为 vainox.这一品牌. vainox*方法的主要组成设备有