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摘要：本文介绍了武钢炼钢总厂通过信息化管理、工艺技术的改进、自动控制设备的应用、新型工艺及原材料的应用使连铸板坯夹杂、裂纹、偏析控制水平得到提升。 关键词：武钢炼钢总厂；夹杂；裂纹；偏析 1 武钢炼钢总厂连铸机特点简介 武钢股份炼钢总厂是武钢冷轧硅钢、汽车板钢、高性能工程结构钢三大战略品种钢的冶炼基地，其区域包括二炼钢、三炼钢、四炼钢，由于引进铸机的时间及生产厂家不同等因素，三个炼钢厂内的连铸机类型及数量不尽相同，各厂连铸机数量及主要工艺参数特点详见表 1 所示。 炼钢总厂生产品种涵盖 18 大系列 600 多个钢种牌号，根据装备特点，对各厂生产的品种进行一定的区分，达到各厂生产专业化、高效化的目的，各厂的产能及品种结构如图 1 所示。 2 连铸坯夹杂控制提升技术应用 2.1 连铸稳态浇铸技术 现代冶金工作者对连铸浇铸过程中的稳态状态与铸坯夹杂缺陷之间的关系做了许多深入研究表明[1] ，浇铸过程中的工艺状态越稳定，连铸坯因产生卷渣和二次氧化的程度越小，铸坯实物质量也就越好。武钢炼钢总厂在生产实际中为确保连铸稳态浇注，从“技术、信息化和管理方面”对炼钢全工序进行优化，实现浇铸过程铸机拉速恒定、氩气流量恒定和结晶器液面稳定控制，并对这些控制参数实现自动采集取形成控制图，在控制图中拉速、氩气流量、结晶器液面的监测数据值达到 “直线”状态，即“三条直线控制模式”（见图 2）。 2.1.1 拉速稳定控制 铸机拉速是连铸工艺关键参数之一，在炼钢全工序生产过程中生产节奏是影响铸机拉速稳定的最常见因素之一。为降低生产节奏对铸机拉速的影响，武钢炼钢总厂通过自主开发了生产铸机实时调度系统，对转炉、RH、氩站、铸机等生产环节实现了实时控制，每一个岗位严格按照相关时间节点进行控制，确保了生产节奏的稳定。对于影响铸机拉速的其他因素，通过制定巩固性技术措施等得到进一步提升。 2.1.2 塞棒及中间包上水口氩气流量稳定控制技术 中间包到结晶器钢流控制方式采用塞棒控制时，由于中间包上水口碗部和塞棒端部夹杂富集，使得通过塞棒的氩气流量不稳定，严重时塞棒端部氩气孔堵塞造成浇氩气不能充分吹入钢液内，加剧中间包水口堵塞情况，影响浇铸过程稳定。通过生产实践表明，取消中间包塞棒内透气塞并将吹氩孔调整到 4mm，可确保塞棒氩气吹入压力稳定，减少中包透气水口碗部的夹杂富集，提高浇铸过程的稳定性，见图 2。对于浸入式水口快换机械间隙，氩封通过稳定背压控制，达到氩封效果。 2.1.3 结晶器液面稳定控制技术 目前，各大钢铁企业主要是采用涡流传感器结晶器液面自动控制系统，该系统在使用过程中对设备安装精度及维护要求较高，设备在使用过程中的损耗等因素影会响使用效果。对此武钢炼钢总厂从管理和技术开展相关工作，对影响结晶器液面控制系统使用效果的中间包塞棒机械、涡流传感器安装精度、使用检查制定了设备管理制度及操作规程。这样从管理制度上减少结晶器液面使用故障频次，并提高了液面自动控制系统的使用效果，达到稳定结晶器液面的效果目的，武钢炼钢总厂通过内部管理，结晶器液面控制稳定，一般液 面波动范围在±2mm 的可以达到 99%，对于液面波动通过武钢质量信息化系统进行自动监控和统计，见图 3。 针对包晶钢在生产过程中易发生液面波动特点，我们对包晶钢按成品厚度优化了二冷水量方式进行冷却，适当调整了包晶钢二冷模型中的目标表面控制温度，实现增加坯壳厚度减低液面波动幅度目的。 2.2 火焰清理机技术 板坯连铸生产过程中，连铸坯表面不可避免会出现横纵裂纹、皮下针孔、夹渣、凹陷等各种表面缺陷，从而影响最终产品的质量，特别是对于表面质量要求高的汽车板、家电板等，如果铸坯表面有小的瑕疵，轧制后将加倍扩大成影响产品质量的缺陷[2] 。因此，各个钢厂都在通过各种措施对铸坯表面进行清理去除铸坯缺陷。使用火焰清理机自动清理已逐渐成为各大钢厂的首选方式，它具有生产效率高、清理速度快、热量损失小、清理效果好、降低工人劳动强度等优点。 武钢炼钢总厂清理机投产以来，根据现场工艺特点增加了防火防护、除磷、氧气缓冲球罐、中压氮气管道等装置，并对原有烧嘴型号、高压粒化水定位方式及清理工艺参数进行了优化改造，使得清理质量和效率逐步得到提高，见图 4。 通过采用火焰清理机技术，夹杂缺陷发生率明显降低，炼钢总厂铸坯在轧制工序原出现的比例上降幅达到 47.3%，在合资品牌等汽车公司的改判率减少达到 60%。 2.3 中间包自动开浇及“一建快换”技术 连铸中间包自动开浇是指连铸开始阶段的自动控制，其包括中间包钢液到结晶器自动开浇及铸机自动起步、升速，直至设定的目标拉速和目标结晶器液位两层功能，每层功能可单独实现[3] 。目前炼钢总厂连铸区域的连铸机均可实现自动开浇，使用率达到 95%以上。 炼钢总厂四炼钢厂原水口快换采用的是目前国内常用的水口快速更换技术，利用人工操作水口更换机构在 1.2-1.5 秒内完成新旧水口的更换。此快换技术整个过程必须由人工确认，这样带了一些问题： （1）更换的时间不能迅速有效； （2）液面在恢复过程时很难有效地控制液面波动，液面波动大，难以保证换水口过程铸坯质量； （3）快换时压把操作工和快换信号给定操作工之间必须配合好，否则易造成快换机械滑道夹钢，带来生产事故隐患。 为此，炼钢总厂自主开发中间包浸入式水口“一键快换”技术，该技术成功应用于四炼钢连铸区域，实现中间包水口更换的快速自动化，并保证其控制过程成熟、先进、可靠、实用，应用水口一键快换后四炼钢水口快换铸坯夹杂改判量得到了降低，比例减少了 75%。 2.4 大包下渣自动检测技术 连铸生产过程中，钢液浇铸至后期钢包渣不可避免的流入中间包，这些钢包渣流进中间包后会增加中间包渣的氧含量，造成中间包钢液中铝、硅、钛等易氧化的合金元素烧损，特别是与钢液中的铝结合形成氧化铝夹杂物。这些氧化物富集易造成水口堵塞，影响铸坯内部纯净度质量。 武钢炼钢总厂采用新型振动式大包下渣检测系统，下渣检测有效率达到 95%以上，中间包渣后同比减少41.9%，中间包渣中的ω（FeO）平均为 5.53%，同比下降了 15.35%，实现了浇铸尾期钢液的保护浇铸。 2.5 高黏度保护渣技术 结晶器保护渣在连铸工艺中起着重要的作用，选择和应用合适的结晶器保护渣不但可以保证连铸工艺稳定顺行，而且可以大幅度提高铸坯的表面和皮下质量。在选不同性能保护渣时，需根据连铸工艺条件、连铸设备特点和钢种特性而定，20 世纪 80 年代由于工艺技术和结晶器保护渣耗量不足等条件的限制，导致铸机粘连漏钢 [4] 比较频繁，因此选用黏度和融点低的结晶器保护渣才行。 由于连铸装备、工艺技术的进步，冶金工作者对保护渣研究表明，提高结晶器保护渣的黏度对于控制铸坯在轧制工序出现 Al 2 O 3 夹杂缺陷有利，武钢炼钢总厂根据钢种特性，对超低碳 IF 钢所使用的保护渣 A 的成分进行调整（见表 2），使其黏度由原来 0.1 Pa.s 提高到 0.33 ~0.43 Pa.s，调整后不但满足了现场生产安全的要求而且明显改善铸坯实物质量，并可使轧钢工序的 Al 2 O 3 夹杂发生率减少 20%。 钢材的洁净度取决于其中的非金属夹杂物，尤其是它们的数量、大小、形状、成分和分布。国内外研究表明造成冷轧薄板坯夹杂物缺陷与钢液中的全氧含量有较强关联性，因此钢液中的全氧含量已成为控制冶炼工序控制夹杂物含量水平的一个重要工艺参数。武钢炼钢总厂连铸区域通过规范和改进连铸保护浇铸工艺、应用 IF 钢高碱度低碳低硅碱性中包覆盖剂、利用水模试验改进浸入式水口结构及优化浸入式水口插入深度等工艺技术来提高中间包钢液的全氧含量控制水平和结晶器液面稳定性。 经统计中间包的 T[O]≤25ppm 和[N]≤20ppm 比例分别达到 80%以上，对中间包第 1 炉次的过程 T[0]及[N]检测数据如图 5 所示，对单中包第 2、4、6 炉次的 T[0]及[N]检测数据如图 6 所示，由图 6 可知武钢炼钢总厂中间包 T[0]及[N]控制比较稳定，铸坯夹杂物（>50μm）数量密度统计见表 3，由表 3 数据可知，武钢铸坯夹杂物的数量密度为 0.545 个/mm2 。 3 连铸坯裂纹控制提升技术应用 3.1 倒角结晶器技术 典型的连铸板坯角横裂纹缺陷，由于其形成机制复杂、影响因素众多被公认为是世界性难题，尤其是微合金化技术得到广泛应用以后，板坯角横裂纹的问题更加突出[5] 。单纯的连铸工艺优化很难从根本上消除板坯角横裂纹，设备上有创造性的改进，实践也表明，采用倒角结晶器可以有效的控制板坯角横裂纹缺陷。 经研究，板坯角部横裂纹经过轧制拉延后可形成一定形状的边部纵裂纹，武钢炼钢总厂采用倒角结晶器后轧钢工序出现边部纵裂效果见图 7，同时采用倒角结晶器可大幅度降低超低碳钢边部翘皮现象，见图 7。 3.2 二次冷却幅切技术 在现代板坯连铸机在生产过程中通常要适应不同断面铸坯的生产要求，当二次冷却控制不合理时，容易造成铸坯在钢种的第Ⅲ脆性温度范围内进行矫直导致铸坯表面横裂和角部横裂。因此，铸机喷嘴冷却在设计要去同时满足最宽最窄板坯的冷却要求，这就要求喷嘴冷却可在铸坯宽度上自动调节喷淋范围，实现自动幅切功能。炼钢总厂针对三炼钢 3#连铸机生产的铸坯宽度范围大特点，对该铸机二次冷却系统进行改造，沿出铸坯方向对不同区域的扇型段实现不同喷淋范围的动态幅切功能，即在铸坯宽度方向对边部喷嘴和中部喷嘴采用独立的冷却回路，通过控制边部喷嘴的冷却回路的开关大小，实现边部与中部喷嘴喷淋范围和冷却强度的变化，使得裂纹敏感性钢的角部横裂纹得到有效控制，宽度方向切幅示意图见图 8。 3.3 高碱度结晶器保护渣技术 由于中碳钢结晶器弯月面比较小，融渣流入受到一定的阻碍，因此，中碳钢保护渣要有比较好的流动性。 为了使结晶器融渣的流动性好，必须降低保护渣的黏度，但中碳钢保护渣还需具有较高的结晶温度以使钢液能在结晶器内均匀冷却，达到避免裂纹的目的。武钢炼钢总厂在使用中碳钢结晶器保护渣时，为了降低裂纹发生率对结晶器保护渣的碱度进行优化改进，改进后的结晶器保护渣碱度提高到 1.42。实践表明，提高碱度后的中碳钢结晶器保护渣满足生产需要，铸坯裂纹发生率降低了 40%~ 50%。 在裂纹控制方面，我们还对裂纹敏感性强的钢种二次冷却制度进行改进，根据钢种成分含量，特别是 Nb成分，重新制定二次冷却标准制度，取得了良好的效果。 4 连铸坯偏析量控制提升技术应用 中心偏析是危害性较大的板坯缺陷，目前常用来减轻板坯中心偏析的方法有：电磁搅拌、控制钢液过热度、结晶器喂丝和利用辊缝收缩轻压下技术，据研究，这四种方法中辊缝收缩轻压下技术最经济且效果最好。 目前在武钢炼钢总厂中采用静态和动态辊缝两中辊缝控制模式，对于奥钢联(VAI)连铸机扇型段具有SMART 系统的采用动态辊缝控制模式，而其它没有 SMART 系统的连铸机采用静态辊缝。由于钢液是在一定的温度范围内完全凝固，因此钢液从开始凝固到完全凝固过程中存在一个两相区，为降低因铸坯收缩导致的中心偏析，通过扇形段的压下量补偿铸坯收缩。通过生产实践，在保证生产安全的前提下，压下量可以提高到 6mm 以上。 武钢炼钢总厂为保证铸机工作精度实行定期测量辊缝制度管理，设备人员对辊缝异常的扇型段进行及时更换。同时，工艺技术人员通过调整扇型段的压下区间和压下量，进一步改善铸坯偏析效果（见图 9），消除 B 级中心偏析，实现中心偏析≤C1.5 的比率达到 99.9%以上。 5 结语 武钢炼钢总厂区域内的连铸机特点，通过稳态浇铸技术、火焰清理机技术、中间包自动开浇及“一建快换”技术、大包下渣自动检测技术、高粘度保护渣技术使钢液纯净得到提高的同时铸坯夹杂控制技术水平得到提升；通过倒角结晶器技术、二次冷却幅切及高碱度保护渣技术使得铸坯裂纹缺陷得到有效控制；并通过扇型段辊缝精度使连铸坯偏析得到改善。 参考文献： [1] 王新华等.洁净钢-洁净钢生产工艺技术.中国金属学会 译.2006 [2] 韩俊等.火焰清理机在板坯连铸生产中的应用.连铸.2012（2）：38 [3] 虞哲彪等.宝钢 1450 板坯连铸自动开浇过程控制技术.宝钢技术.2000(1):P60 [4] (日)Kenli Ichikawa 等.连铸结晶器保护渣的最新趋势.p7:15 [5] 刘洋等.利用倒角结晶器消除连铸板坯的角横裂纹缺陷[J].钢铁.2012(4).vol(47):47 [6] 雷华等.板坯连铸无极调节幅切技术[T].重型机械.2013:129 |
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