304不锈钢连铸过程中结晶器传热问题分析

304不锈钢连铸过程中结晶器传热问题分析

钢中的氢脆问题已被广泛理解。在20世纪70年代,Oriani和Hirth先后全面地总结了氢对钢铁性能的影响。另外,肖纪美对氢脆机理进行了系统的分析。然而,对于氢含量在不锈钢连铸过程中的影响及分析的报道较少。本文通过对不锈钢生产过程中出现的问题进行分析,确定氢含量会对不锈钢的连铸过程产生影响,并分析了氢含量对结晶器传热的影响规律,有助于更快更准确的分析连铸过程的异常状况,并采取有效措施,为更好的控制不锈钢连铸过程提供参考。130异常出现时结晶器温度和热通量变化304不锈钢的生产工艺路线如下:电炉→AOD炉→LF炉→连铸。在生产过程中,工艺参数保持不变,但在连铸过程中有时会出现热通量明显下降,严重时甚至会出现漏钢。由结晶器专家系统监测图可知,异常出现时,结晶器温度突然下降,从120℃降至80℃;摩擦力逐渐减小,从20kN/m2降至12kN/m2;热通量逐渐减小,从1.2MW/m2降至1.0MW/m2;异常出现的全过程时间较短,不到20min。显然,在此过程中,结晶器内的传热在短时间内发生了较大变化。在出现问题时结晶器液位并没有明显变化,所以不易被发现,难以及时处理,很可能引起连铸漏钢的严重事故。结晶器摩擦力和热通量突然发生变化,说明结晶器内的传热受到了影响。2晶体探测器的开口影响因素2.1锥度变化的影响在结晶器的传热过程中,气隙的影响最大,占总热阻的70%~90%,而在连铸过程中影响气隙变化的主要是结晶器在使用过程中锥度会发生变化。随着过钢量的增加,结晶器铜板磨损程度增加,结晶器锥度变小,不利于消除凝固收缩过程中产生的气隙,使得传热热阻增加,热通量减小。结晶器磨损对传热的影响是在长期使用过程中逐渐形成的,不会引起传热在短时间内发生较大的变化,而结晶器其他参数在连铸过程中基本无变化或变化缓慢,所以连铸结晶器专家系统监测的异常情况应该另有原因。2.2保护渣范围及用量使用不同类型保护渣的结晶器,其传热效率会有明显的差别。加渣不均匀,使保护渣不能均匀覆盖在钢液面,或加渣不及时,使得液面见红或钢液直接裸露,这些都将影响液态渣均匀地流入到坯壳和结晶器之间的气隙中,从而影响结晶器传热。连铸过程中结晶器传热出现异常的炉次与正常炉次使用的保护渣为同一批次,成分及性能无差异。所以对于连铸过程中出现的结晶器热量传输异常,保护渣的影响也可排除。2.3校核及设备选型确定由于在连铸过程中保持工艺参数不变,所以拉速、冷却水量、浇铸温度、结晶器液面等对结晶器传热的影响也可排除。对发生漏钢的结晶器进行检查也未发现有结垢现象。排除其他影响传热的主要因素后,钢液成分成为出现问题的主要影响因素。对漏钢炉次、热通量明显下降炉次,以及正常炉次对应的铸坯成分进行统计分析,除H含量外其他成分都无太大差别,其H含量分析结果如图1所示。由图1可知,正常炉次的氢含量在(4~7)×10-4%之间,热通量明显下降炉次的氢含量(7.5~10)×10-4%之间,漏钢炉次的铸坯上的氢含量最高,氢含量在10×10-4%以上。可以认为,漏钢炉次、热通量明显下降炉次以及正常炉次中的氢含量差异较大,当304不锈钢中氢含量超过7.5×10-4%时,会影响连铸过程的传热;氢含量超过10×10-4%时,很可能会出现连铸漏钢事故。美国钢铁公司也发现了钢液中氢含量对连铸传热的影响,采用统计方法分析了有关结晶器导热的几个基本过程参数的相对重要性。结果发现,钢种和保护渣一定的情况下,对连铸结晶器传热影响最显著的两个因素是拉速和钢液氢含量;并且对于成分相差较大的几个钢种进行研究后,都发现钢液氢含量与结晶器导热量间有很好的相关关系。3钢液氢含量对结晶器传热的影响结晶器传热由以下环节组成:(1)热量穿过保护渣渣膜或气隙到结晶器;(2)热量穿过结晶器壁;(3)由结晶器与冷却水界面传到冷却水。由于冷却水与结晶器界面的热阻远小于结晶器壁与坯壳间的热阻,因此传热速率的决定性条件应是结晶器与坯壳间的界面条件,所以保护渣性能是影响结晶器传热的关键因素。在正常操作条件下,冷却水与结晶器壁间的传热条件保持不变,那么保护渣性能就是唯一变量。文献报导已证明带有微孔的保护渣可以降低结晶器的热流,钢液氢含量对连铸传热的影响可能与保护渣中微孔对传热的影响相类似。氢在钢液中的溶解反应可表示为:钢液中氢的溶解度304奥氏体不锈钢的典型成分如表1所示。由304不锈钢的化学成分可以计算出其钢液不同氢压力下的平衡氢浓度,计算结果如图2所示。可以看出,氢分压101.325Pa下,1600℃时,304不锈钢中氢含量达到饱和时为27×10-4%。Yagodzinskyy等人的研究结果显示,AISI310、AISI301LN、AISI201钢固态下氢的饱和溶解度分别是13.84×10-4%、7.831×10-4%、4.199×10-4%。其中304不锈钢与AISI301LN的成分接近,所以氢的饱和溶解度也接近,约7.831×10-4%。在连铸过程中,随着钢液温度降低,钢液开始凝固,氢在304不锈钢中的饱和溶解度降低,钢液中的氢从凝固前沿聚集到钢液表面,再由此进入液态的保护渣层中。气态氢不溶解于液态保护渣,但却很可能以氢气泡的形式被捕捉于其中。从钢液中逸出的氢量增加,相应地会引起液态保护渣中氢含量的增加,而渣中氢则以微孔形式出现,这样就会使保护渣薄膜层热阻增加,使结晶器的导热量减少。根据漏钢炉次、热通量明显下降炉次以及正常炉次中的氢含量分析结果显示,钢中氢含量超过7.5×10-4%时,会影响连铸过程的传热;钢中氢含量超过10×10-4%时,会出现连铸漏钢事故。钢液氢含量对结晶器传热的影响主要与保护渣的物理化学性质有关,Zasowski等人的研究指出任何保护渣都存在着一个“氢点”。当钢液氢含量较低时,结晶器导热量随拉速变化较大,但随着氢含量增加,拉速的影响变小;当氢含量达到“氢点”时,结晶器的导热量不再随拉速变化。这说明钢液氢含量达到“氢点”时,结晶器导热性能达到了给定条件的最小值,连铸过程就不能再正常运行。随着保护渣薄膜中微孔量的增加,结晶器的润滑效果变差。当氢含量接近“氢点”时,结晶器甚至没有了润滑,最终导致粘结漏钢。上述研究中,保护渣的“氢点”对应的钢液H含量为8×10-4%~10×10-4%。而在本文中,漏钢炉次铸坯上的氢含量为10×10-4%以上,超过了保护渣的“氢点”,因而影响了结晶器内的传热,以至于出现了漏钢。4连铸过程热通量的改善通过前面分析可知,氢含量是304不锈钢连铸过程中结晶器传热的影响因素。为避免再次出现由于氢含量变化而出现连铸漏钢、连铸过程中热通量明显下降两个问题。采取了如下措施:(1)检查冶炼过程中使用的石灰、萤石等辅料的干燥程度,避免使用潮湿的辅料;(2)在LF炉采用定氢仪检测钢液中的氢含量;(3)保证结晶器保护渣的干燥,禁止使用受潮的保护渣。通过采取上述措施,控制304不锈钢中氢含量在7×10-4%以下,连铸过程中结晶器传热再未受到氢含量的不利影响。5连铸过程会造成连铸漏钢事故(1)氢含量是304不锈钢连铸过程中结晶器传热的影响因素;(2)304不