拉速变化对IF钢铸坯非金属夹杂物含量的影响_图文

1、作者简介:张乔英(1976-,女(汉族,河北定州人,北京科技大学冶金与生态工程学院,博士研究生。拉速变化对IF 钢铸坯非金属夹杂物含量的影响张乔英1,王新华1,张立2,唐海波2,徐国栋2(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.宝山钢铁股份有限公司,上海,200941摘要:采用原位统计分布分析仪(OPA 对IF 钢连铸过程拉速变动对铸坯表层试样非金属夹杂物含量的影响进行了研究,发现在由较高拉速(1.4m/min 向低拉速(0.6m/min 变动时,对结晶器保护渣卷入的影响主要发生在降速初期,而随后的降速和低拉速下停止降速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。当由较低拉速(0.6m

2、/min 向高拉速(1.4m/min 变动时,对保护渣卷渣的影响主要发生在提升到高拉速后停止升速阶段,而低拉速时启动升速和随后均匀升速对铸坯夹杂物含量的影响不大。研究中还发现在较高拉速下(1.4m/min 即使较少量地变速,也会造成铸坯表层夹杂物含量的显著增加,因此在较高拉速时应避免对拉速进行变动或尽量采用低的拉速改变速率。采用数值模拟方法对拉速变化影响进行的研究结果同样表明,在较高拉速下发生的拉速变化,对结晶器内钢水流动有更显著的影响。关键词:IF 钢;连铸;拉速;结晶器;保护渣;非金属夹杂物中图分类号:TF 777.1文献标识码:A 文章编号:100221043(2006062002120

3、6Influence of casting speed variation on non 2metallic inclusions in IF steel slabsZHAN G Qiao 2ying 1,WAN G Xin 2hua 1,ZHAN G Li2,TAN G Hai 2bo 2,XU Guo 2dong2(1.Metallurgical and Ecological Engineering Shool ,U niversity of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;2.Baoshan Iron and S

4、teelCorporatio n Lt d.,Shanghai 200941,China Abstract :Effect s of casting speed variation on non 2metallic inclusion content s in t he sur 2face layer of slab in t he p rocess of continuously casting IF steel have been st udied wit h original po sition statistic dist ribution analysis (O PA .It s f

5、ound out t hat when casting speed changes f rom higher speed (1.4m/min to lower o ne (0.6m/min t he effect of t he casting speed on t he ent rap ment of t he mould slag primarily occurs at t he initial stage of down 2speed and later on t he effect of down 2speed and termination of down 2speed at t h

6、e low casting speed on t he inclusion content in t he surface layer of slab is insignifi 2cant.When casting speed changes from lower speed (0.6m/min to higher one (1.4m/min the effect of speed change on t he ent rap ment of mold flux p rimarily occurs at t he stage of termination of up 2speed as soo

7、n as it reaches t he high casting rate whereas t he effect s of starting t he up 2speed and later on evenly increasing t he casting speed at t he lower cast 2ing speed on t he inclusion content in t he slab is negligible.It s also determined in t he st udies t hat in t he stage of higher casting spe

8、ed (1.4m/min t he inclusions in t he sur 2face layer of slab increases extremely even if speed change rarely takes place.For t his reason ,in t he higher casting speed period change of casting speed should be avoided as much as po ssible or lower casting rate change be adopted as best as possible.Re

9、sult s of experiment on t he influence of t he casting speed change wit h numerical simulation show t hat t he effect of casting speed change at t he higher drawing speed on t he hot metal flowing in t he mould is more prominent.122006年12月第22卷第6期炼钢Steelmaking Dec.2006Vol.22No.6K ey w ords :IF steel

10、;continuous casting ;casting speed ;mold ;mold powder ;non 2metallic inclusions超低碳IF 钢冷轧薄板主要用于汽车、家电等制品,为了保证制品具有良好表面质量,对IF 钢中非金属夹杂物的控制要求非常严格。近年来随着炼钢设备和工艺技术水平不断提高,由于脱碳、脱氧、保护浇铸工艺和操作不当等原因造成的IF 钢冷轧板表面缺陷比率降低,而连铸过程由于结晶器保护渣“卷渣”造成的钢板表面缺陷比率则有较大增加124。连铸过程结晶器保护渣“卷渣”主要发生在所谓的“非稳定态浇铸”时期,即拉速发生较大变动时期,如开浇和终浇阶段、交换钢水包阶

11、段、浇铸过程结晶器宽度调节阶段、更换浸入式水口阶段、钢水供应不及时等。由于拉速发生较大的变化,结晶器内钢水的正常流动状态受到扰乱,当液面发生较大波动时,保护渣被卷入钢水内,被坯壳捕捉成为钢中非金属夹杂物。尽管在连铸过程应该尽量减少拉速变动,但实际过程中拉速的变动还是不可避免的。迄今为止对于不同程度拉速变化对铸坯中非金属夹杂物的影响缺少较系统定量的研究,目前各钢铁厂对于拉速变化时浇铸的铸坯,通常采用降级或报废的策略,而简单地采用这一控制方法,经常会发生“漏判”或“错判”,或造成产品质量问题或降低钢材收得率。宝山钢铁股份有限公司为了提高其IF 钢质量水平,对不同拉速变化对铸坯中非金属夹杂物的影响进

12、行了试验研究。1研究方法试验在宝山钢铁股份有限公司炼钢厂二转炉分厂(以下简称宝钢炼钢厂二转炉分厂进行。铁水经脱硫预处理后,由250t 转炉进行炼钢吹炼,然后经RH 精炼,再由板坯连铸机浇铸成宽1170mm 、厚230mm 的板坯。宝钢炼钢厂二转炉分厂板坯连铸采用的中间包容量为60t ,为直弧型铸机,垂直段长度为2.7m ,结晶器长度900mm ,浸入式水口浸入深度为170mm ,出口夹角为15°,正常工作拉速范围为:1.01.6m/min 。研究中安排了升速和降速两种拉速变动试验条件:(1降速试验中,在拉速较长时间稳定在1.4m/min 以后,以0.15m/min 2的速率降低拉速,

13、对拉速分别降低至1.2m/min 、1.0m/min 、0.8m/min 、0.6m/min 时刻位于结晶器内的铸坯,在浇铸结束后提取试样进行分析检验;(2升速试验中,在拉速较长时间稳定在0.6m/min 以后,以0.15m/min 2的速率提高拉速,对拉速分别增加至0.8m/min 、1.0m/min 、1.2m/min 、1.4m/min 时刻位于结晶器内的铸坯,在浇铸结束后提取试样进行分析检验。此外,为了对比,还分别对0.6m/min 、0.8m/min 、1.0m/min 、1.2m/min 和1.4m/min 稳定拉速下浇铸铸坯取样进行分析研究。在不同拉速条件下浇铸的铸坯外弧表面1/

14、8宽度、1/2宽度处和侧边表面分别截取3块长200mm 、宽100mm 、厚25mm 试样,将试样表层刨掉0.5mm ,采用北京纳克分析仪器公司制作的原位统计分布分析仪(OPA 在该试样表面进行走行扫描分析,对该表层的非金属夹杂物含量等进行分析测定。其后再每次将试样表面刨掉1mm ,共刨削加工5次,并在每次加工后均采用O PA 分析仪对试样表层的夹杂物含量进行分析测定。OPA 分析仪每次走行扫描分析的面积为60mm ×40mm 。原位统计分布分析仪(OPA 以火花光谱无预燃连续激发同步扫描定位、单次火化放电高速采集和火化光谱单次放电数字解析技术为基础的一种检测金属材料中夹杂物的新型方

15、法527,可以在较大尺寸铸坯试样表面上连续线性扫描,得到试样表层非金属夹杂物的位置分布统计信息、定量分布统计信息以及尺寸分布统计信息。OPA 分析仪在试样表面扫描速度为1mm/s ,行间距为2mm ,火花探针放电斑点直径为1m ,激发深度为920m 。OPA 分析仪在试样表面扫描检测到非金属夹杂物时,反映该夹杂物组成元素的光谱强度会出现异常增加(通称为异常信号。异常信号的净强度值与夹杂物的粒径分布有相关性,而异常信号的相对频数则与夹杂物含量具有相关性。通过统计分析异常信号的净强度和其出现频度可以获得夹杂物的含量和粒度,其数学表达式如下:C =C 0F +K(1D =(t 2/t 1I +D 0

16、(2式(1和(2中,C 为非金属夹杂物的质量分22炼钢第22卷数,%;C 0为常数;F 为出现异常信号的相对频度;K 为常数;D 为夹杂物尺寸,m ;t 2和t 1为系数;I 为净火花信号强度;D 0为常数。2试验结果图1为对稳定拉速条件下浇铸的铸坯试样,将表层分别刨掉0.5mm 、1.5mm 、2.5mm 、3.5mm 、4.5mm 和5.5mm 后,采用O PA 分析得到的不同拉速条件下铸坯表层试样表面尺寸大于10m 的非金属夹杂物的含量。可以看到,较大尺寸的非金属夹杂物主要存在于距表面0.53.5mm 的铸坯表层内,其中在12.5mm 表层内夹杂物的含量最多,而在距表面超过4.5mm的铸

17、坯内部,大尺寸夹杂物的数量则很少。图2为采用SEM 在铸坯表层试样中观察到的典型夹杂物照片,表1给出了采用EDS 分析得到的图2所示夹杂物的组成。可以看到表层内存在的这些夹杂物尺寸很大,在100400m 之间,Na 2O 含量均很高,由此可以判定其为连铸结晶器卷渣形成大型非金属夹杂物 。图1不同拉速条件下铸坯表层试样表面夹杂物含量由图1还看到,拉速较低时(0.60.8m/min 浇铸的铸坯表层内大尺寸夹杂物的含量较高,这主要是因为拉速过低时,由浸入式水口流出的钢水量和流速均降低,向结晶器弯月面处的供热不足,保护渣熔融不好因而容易被坯壳捕捉。但是,当拉速提高到1.4m/min 时,铸坯表层夹杂物

18、含量呈现出增加的趋势。在试验所用浇铸条件下,拉速在1.01.2m/min 时,铸坯表层大尺寸夹杂物的含量最少。图2所示铸坯表层试样中的典型大型非金属夹杂物,表1 为非金属夹杂物的质量分数。图2铸坯表层试样中的典型大型非金属夹杂物照片表1非金属夹杂物的质量分数样号w B /%Al 2O 3CaO SiO 2K 2O MgO Na 2O MnO S 距表面距离/mm3.5936.2840.844.8610.553.881.7图3为降速试验中当拉速由1.4m/min 降低至1.2m/min 、1.0m/min 、0.8m/min 和0.6m/min 时,对此时位于结晶器内的铸坯在浇铸后截取试样,将表

19、层分别刨掉0.5mm 、1.5mm 、2.5mm 和3.5mm 后,采用OPA 分析仪对试样表面进行走行扫描分析测定,得到的上述4个表层试样非金属夹杂物的平均含量。此外图中还给出了拉速随时间的变化。本次试验在1.4m/min 稳定拉速下浇铸时,铸坯0.53.5mm 表层试样夹杂物含量在0.0019%左右。由图3可以看到,当由恒定拉速开始降速后,铸坯表层试样中夹杂物含量显著增加,拉速由1.4m/min 降低至1.2m/min 时,表层试样中夹杂物含量增加至0.0022%。但是,在随后均匀降速过程(以0.15m/min 2速率均匀减速,铸坯表层试样夹杂物含量较1.4m/min 恒定拉速时减少,稳定

20、在0.00132%0.00137%范围。值得注意的是,当拉速降低至0.6m/min 后停止降速,没有出现铸坯表层试样非金属夹杂物含量显著增加的现象。32第6期张乔英,等:拉速变化对IF 钢铸坯非金属夹杂物含量的影响 图3降低拉速过程浇铸铸坯表层中夹杂物含量变化图3给出的试验结果值得关注,它表明当由较高拉速(1.4m/min 向低拉速(0.6m/min 变动时,对“卷渣”的影响主要发生在开始降速后的初期,而随后的均匀降速和在低拉速下停止降速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。这主要是因为,在较高拉速下开始降速,浸入式水口流出钢水量和速度均降低,结晶器内钢水流动状态受到“突发”干扰,引发钢液表面波动

21、,使“卷渣”增加。但是,由于采用均匀降速(0.15m/min 2,在降速持续一段时间后,钢水的流动状态会变得相对稳定,因为没有“突发”干扰,“卷渣”因而不会增加。当拉速降低至较低拉速(0.6m/min 后停止减速,由于拉速较低,结晶器内钢水流动状态受到的“突发”干扰影响程度降低,保护渣“卷渣”也没有出现增加。须指出的是,本试验是在拉速由1.4m/min 降低至1.2m/min 时的铸坯试样中发现夹杂物含量显著提高的,这表明,在较高拉速下,即使较少量的变速或拉速波动(仅由1.4m/min 降低至1.2m/min ,也会造成铸坯表层夹杂物含量的较显著增加。图4为升速试验中当拉速由0.6m/min

22、增加至0.8m/min 、1.0m/min 、1.2m/min 和1.4m/min 时,对位于结晶器内的铸坯在浇铸后截取试样,将表层分别刨掉0.5mm 、1.5mm 、2.5mm 和3.5mm 后,采用OPA 分析仪对试样表面进行走行扫描分析测定,得到的上述4个表层试样非金属夹杂物的平均含量。由图4看到,在0.6m/min 稳定拉速下浇铸时,铸坯0.53.5mm 表层试样夹杂物的含量在0.00165%左右。开始升速后,尽管结晶器内钢水流动状态由于变速受到“突发”干扰,由于此时位于较低拉速状态,铸坯试样中夹杂物的含量只有少量增加。在拉速由0.6m/min 增加至0.8m/min 时,夹杂物含量由

23、0.00165%略为增加至0.0017%。随后在升速持续一段时间后,结晶器内钢水流动状态变得相对稳定,保护渣“卷渣”没有进一步增加。由于随拉速逐步增加,向结晶器钢水表面供热逐步增加,“卷渣”造成的夹杂物含量反而较低拉速时有所减少 。图4提高拉速过程浇铸铸坯表层中夹杂物含量变化但是,当拉速均匀增加至1.4m/min 后停止升速,铸坯0.53.5mm 表层试样中非金属夹杂物含量出现较大增加。试验中当均匀升速至1.2m/min 时,铸坯试样中夹杂物含量为0.00139%,而当拉速增加至1.4m/min 后停止升速,铸坯试样中夹杂物的含量则显著增加至0.00228%。随后当拉速在1.4m/min 稳定

24、后,铸坯试样中夹杂物含量又出现下降(0.00189%。与在较高拉速下突然开始降速相类似,在均匀升速至较高拉速时突然停止升速,结晶器内钢水流动状态也会受到“突发”干扰,引发钢液表面波动,使“卷渣”增加。由此可知,在高品质IF 钢连铸过程,尤其在较高拉速时,应尽量采用恒拉速操作,避免拉速的波动或采用更小的拉速变动速率。3拉速变化对钢水流动影响的数值模拟为了进一步理解拉速变化对结晶器保护渣卷渣的影响,作者利用计算流体力学商业软件CFX(1连续方程(2动量方程(3湍流方程其中湍流方程中采用的系数分别为:C 1=1.44,C 2=1.92,C =0.09,k =1.0,=1.3。采用SOLA 2VO F

25、 方法829模拟自由表面,自42炼钢第22卷由表面边界的体积函数F(x,y,z,t定义如下:F=1网格充满流体0-1表面网格(非完全充满0网格为空(3F(x,y,z,t满足体积函数方程:9F 9t+9(Fu9x+9(Fv9y+9(Fw9z=0(4式中,u、v、w分别为x、y、z方向的时均速度;t为时间。采用Donor2Acceptor法计算通过界面的流量,并确定自由表面边界的移动情况。然后根据计算所得的体积函数F(x,y,z,t,构造出自由表面。图5为数值模拟计算得到的降低拉速过程结晶器内钢水表面波动和表面流速值的变化。可以看到,在拉速不变稳定浇铸时,结晶器内钢水液面波动和表面流速均变化很小。

26、当拉速由1.4m/min开始降速后,在开始减速的初期,结晶器钢水液面波动和表面流速均出现较大增加。而在随后的均匀降速(0.15m/min2过程,液面波动和表面流速值减小。当拉速降低至0.6m/min 后停止降速,液面波动值增高,但幅度低于较高拉速下降速初期的液面波动增加值。图5 降低拉速过程结晶器液面波动和表面流速变化图6为计算得到的增加拉速过程结晶器内钢水表面波动和表面流速值的变化。当由较低拉速(0.6m/min开始升速时,结晶器钢水液面波动和表面流速的变化很小。而当拉速增加至1.4m/min后停止进一步升速时,钢水液面波动值显著增加。数值模拟研究结果表明,在较高拉速下发生的拉速变化,对结晶

27、器内钢水流动有更显著的影响,这与本研究利用OPA分析得到的拉速变动对铸坯表层夹杂物含量的影响规律有很好的对应关系。图6提高拉速过程结晶器液面波动和表面流速变化4结论(1尺寸10m以上的非金属夹杂物主要存在于铸坯04mm表层内,在13mm表层内大尺寸夹杂物的含量最多,而在距表面超过4mm 的铸坯内部,大尺寸夹杂物的数量很少。(2当由较高拉速(1.4m/min向低拉速(0.6m/min变动时,对结晶器保护渣卷入的影响主要发生在开始降速后初期,而随后的降速和低拉速下停止降速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。(3当由较低拉速(0.6m/min向高拉速(1.4m/min变动时,对结晶器保护渣卷入的影响主

28、要发生在提升到高拉速后停止升速阶段,而低拉速时启动升速和随后均匀升速对铸坯表层试样夹杂物含量影响不大。(4在较高拉速下(1.4m/min即使较少量的变速,由于结晶器内钢水流动状态受到突发干扰,也会造成铸坯表层夹杂物含量的显著增加。在较高拉速时应避免对拉速进行变动或采用低的拉速改变速率。(5采用数值模拟方法对拉速变化影响进行的研究结果同样表明,在较高拉速下发生的拉速变化,对结晶器内钢水流动有更显著的影响。参考文献1W H Emling,T A Waugaman,S L Feldbauer,et al.Sub2surface mold slag entrapment in ult ra low c

29、arbon steelC.77t h Steelmaking Conference Proceedings.Chicago:1994,3712379.2M Iguchi,J Y oshida,T Shimizu.Model study on t he en2trapment of mold powder into molten steelJ.ISIJ.Int,2000,40(7:7852691.3袁方明,王新华.不同浇铸阶段IF钢连铸板坯洁净度研究J.北京科技大学学报,2005,27(4:4362440.4K Tanizawa.Influence of t he steelmaking con

30、ditions onnonmetallic inclusions and product defectJ.ISI J.Int,s,52第6期张乔英,等:拉速变化对IF钢铸坯非金属夹杂物含量的影响 26 Metallurgia Italiana , 1992 , 84 ( 1 : 17222 . 炼 钢 37 ( 1 : 49252 . 第 22 卷 安阳钢铁公司新建宽厚板/ Steckel 组合式轧机自 2005 年 10 月投产后 ,一直在用 Steckel 可逆式轧 机和精整区设备对来料板坯进行轧制和精整作业 。这条生产线配备有热平整机 、 圆盘式双侧切边剪和 切分剪设备 。在 4 月份

31、,新建轧机共轧制 8 . 7 万 t 板材 , 已接近设备年生产能力 , 板材厚度为 50 10 mm 。Steckel 加热炉加热的板坯 ,可轧制钢板最小厚度为 8 mm 。在未来几周内 , 生产计划安排目标是 使最小厚度达到4 . 5 mm ,这一最终厚度目标 。 在 5 月份的前 3 周内 ,轧机日产量平稳地保持在 3 000 t 以上的水平 ,在过去的 21 天内 ,总共轧制 了66 200 t 成品材 。 说到新建设备的自动控制和电气系统 ,达涅利目前已将热平整机的 1 级和 2 级控制系统投入运行 。 该系统装有达涅利公司自行开发的数学模型 。 设备最终验收计划在 2006 年第

32、2 季度完成 。在我们联合项目小组的共同努力下 ,再加上我们拥有 性能可靠的设备 ,我们确信剩下的所有工作都将按计划准时完成 。这套新建设备属于新一代中板生产 设备 : 它将很宽的中等厚度坯连铸机与可逆式轧机有机地结合起来 。通过配备 1 台地下卷取机和 1 条 带卷输送线 ,还可以充分发挥设备生产潜力 ,使之能够同时生产带卷和中板 。 达涅利在设计和建设这种类型的生产线方面居世界领先地位 ,目前它的供货业绩已经远远超过它 的竞争对手 。 ( 摘自 2006 年 9 月 19 日 世界金属导报 材市场需求疲软和生产能力过剩 ,加上各厂的过度竞争 ,效益普遍下降 。在此形势下 ,各厂纷纷利用电 炉的高温优势开展金属废物的回收利用 。除利用废金属外 ,还可收取一定的委托处理费 ,加上利用现有 生产设备导致处理费低于专业户 ,从而日益兴旺 。 利用电炉处理医疗用手术 、 针管等废物致富的共英制钢 ,去年的医用废物处理量达 8 . 5 万 t ,服务对 象达 3 万余家医院 ,由山口厂和大阪厂两个点处理 。现开始筹备 2008 年扩大到名古屋厂和子公司的关 5 Haizhou Wang. Original position stat