高级钢连铸技术进步和展望.docx

高级钢连铸技术进步和展望.docx

《高级钢连铸技术进步和展望.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高级钢连铸技术进步和展望.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高级钢连铸技术进步和展望

高级钢连铸技术进步和展望

1连铸技术的进步

1.1中间包技术进步

1.1.1中间包钢水温度控制

钢包中的钢水注入中间包后，通过塞棒或滑板机构从水口流入结晶器。

中间包内的钢水温度控制对作业稳定性、提高成坯率和铸坯质量具有很大影响。

为此，开发出等离子加热和感应加热的中间包钢水温度控制方法。

此外还有结合双枪式等离子加热法，对中间包堰的形状进行优化设计。

双枪式等离子加热不需要浸入式电极，可适应高生产效率的要求。

1.1.2去除夹杂物提高洁净度

中间包钢水氧化污染的主要原因是钢水被空气氧化。

其他原因包括：

钢包钢渣的流入、钢水与中间包耐火材料内衬发生反应等。

为减少中间包钢水的氧化程度，推进了与钢水不发生反应的中间包保护渣和吸收氧化铝保护渣的使用，并采取Ar气保护以及使用钢包浸入式长水口稳定钢水和中间包大型化等措施。

为实现节能、降低耐火材料消耗并提高钢水洁净度，实施了中间包热循环使用操作法。

在浇注结束后将中间包立起，把包内的熔渣和残铁全部倒掉，然后不用预热继续使用（见图1）。

有报告报导采用该方法中间包可连续浇注560炉钢水。

在用燃气对中间包进行加热时，为防止罐内残铁氧化，采用了H2和N2混合气体的还原性气体加热方法。

图1中间包热态循环使用示意图和降低熔渣氧化度的效果

中间包的结构设计取得了很大进步，利用热流体计算和水模型解析，对中间包形状、挡墙数量、位置进行了优化设计，提高了去除夹杂物的能力。

此外，还开发了对钢包流入中间包的钢水实施电磁搅拌，利用电磁力使夹杂物聚集上浮排除从而降低夹杂物含量的方法。

高碳轴承钢等洁净度要求高的钢种，经LF-RH冶炼、用带有Ar气保护和电磁搅拌的中间包进行浇注，防止二次氧化，使钢的总氧量小于5ppm，并可批量生产。

LF炉冶炼的高AlTRIP钢，采用带有Ar气保护和电磁搅拌的中间包，可使总氧量保持在5ppm的水平下进行浇注。

此外，中间包钢水夹杂物含量直接测定技术也有了提高。

1.2结晶器技术进步

1.2.1结晶器浸入式水口夹杂物堵塞防止技术

钢水中的氧化铝夹杂物附着在结晶器浸入式水口，使水口堵塞。

堵塞的夹杂物脱落和钢水偏流引起结晶器保护渣卷渣，形成钢的缺陷或造成连铸中断，因此防止夹杂物附着在中间包和结晶器水口的接缝、水口滑板、水口端头等部位是操作中的重要问题。

钢水流股在水口内以1m/s的速度流入结晶器，流股与大气接触会发生二次氧化，向水口内吹Ar可防止二次氧化。

降低夹杂物含量的方法有：

LF-RH脱气精炼提高钢的洁净度，向钢水中喂Ca线对氧化铝夹杂物进行变性处理等。

实际上，在炼钢阶段已经是高洁净度的钢水在多炉次连浇中，水口也常常发生逐渐堵塞的情况。

在适宜的Ca处理条件下，Ca处理对氧化铝夹杂物变性具有明显的效果，但Ca的回收率常常发生波动，不适宜的Ca量反而会促进水口堵塞。

而水口侵蚀对钢水的污染和钙铝酸盐夹杂物本身有时就会成为钢中的缺陷来源。

所以Ca处理并不是万能的方法。

因此对结晶器浸入式水口夹杂物附着机制和对策进行了深入研究，通过对水口/钢水界面上化学反应的分析和脱落夹杂物在钢水中运动轨迹的计算，加深了对夹杂物附着机制的认识。

实际对策有：

提高水口滑板滑动部位的气密性、防止钢水流动引起负压和从水口滑板滑动部位吹入混有石墨粉的Ar气防止钢水氧化等方法。

从与钢水反应和与钢水的浸润性方面，对结晶器浸入式水口的材质也进行了多次改进。

采用的改进方法有，利用无硅氧化铝石墨、氧化镁、白云石、氧化锆石灰、钛酸盐石灰等耐火材料将氧化铝溶解或吸收，从而防止氧化铝夹杂物附着的方法。

使用硅酸铝质水口，使硅酸铝质耐火材料与钢水反应生成液态氧化物相，提高钢水的浸润性，从而防止夹杂物附着等方法。

1.2.2防止漏钢和铸坯纵裂的初期凝固均匀化技术

提高连铸速度是提高连铸生产效率最有效的手段，为此进行了大量的研究开发工作。

在结晶器方面采取的措施有：

采用均匀强冷却结晶器铜板、利用非正弦高频短冲程振动促进保护渣膜的润滑作用、使用熔化均匀流动性良好的结晶器保护渣、使用多孔浸入式水口控制浸入深度、使用窄面多锥度结晶器提高铸坯质量、利用结晶器热电偶散热监控漏钢预报系统防止漏钢等。

在二冷区采取的措施有：

大通量散热、二冷辊间距不等化、液面高精度控制、电磁制动控制钢液流股等。

通过这些措施减少了漏钢和铸坯的非正常鼓肚。

结晶器保护渣投入在钢水液面上，被钢水熔化浮在钢水表面。

其作用是，降低钢水的热辐射损失和在结晶器振动过程中进入凝固壳与结晶器间隙内，通过润滑作用防止铸坯与结晶器发生热粘结。

保护渣在钢水凝固起点弯月面的厚度约为1mm，在弯月面以下形成几百纳米厚的渣膜起绝热层的作用。

在包晶钢连铸时，由于钢水在凝固后立即进行δ-γ相变，体积收缩。

在铸坯宽度方向上产生很小的不均匀凝固，凝固壳发生局部变形，形成几十纳米的气隙，导致散热缓慢，使铸坯产生纵向裂纹或发生漏钢。

增加保护渣渣膜厚度，降低铸坯冷却速度，可以减轻上述现象。

保护渣低黏度化、降低拉速、减低振动频率、增大振幅可以增加渣膜厚度，但这会使生产效率下降和增大铸坯振痕深度，并成为最终产品中的缺陷。

因此保护渣的设计方向应是，使熔融的渣膜发挥缓慢冷却铸坯的作用，即在玻璃质渣膜上生成固相晶体质渣膜，降低铸坯的热辐射。

一般是以生成枪晶石相作为固相晶体质渣膜，并对此进行了热力学稳定性和结晶速度的研究。

此外，也有以黄长石相作晶体质渣膜的设计。

碱度为1.2-1.4时黏度可达5Pa·s的高碱度高黏度的无氟黄长石相，对防止卷渣是有效的，已经应用在圆铸坯连铸中。

Al、Ti、Mn等活性元素含量高的钢种在连铸过程中，由于夹杂物析出和钢水与结晶器保护渣的反应，生成了钙铝黄长石和钙钛矿等高熔点固相，使润滑不良导致连铸困难。

对这个问题进行了许多研究，开发了高Al电工钢连铸用结晶器保护渣和高Mn钢连铸用结晶器保护渣，使这些难生产的钢种实现了稳定连铸。

为防止由于氢产生的漏钢事故，提出了新型结晶器保护渣设计方案。

钢水中氢浓度高、连铸速度快，容易发生漏钢事故。

因此要对钢水进行真空脱氢处理，并对结晶器保护渣的水分进行严格控制。

研究结果表明，大气中的水分溶解在保护渣中，保护渣在结晶器和铸坯急冷层之间的间隙中冷却析出氢气泡，导致散热不良，这是硅脱氧钢漏钢的一个原因。

为此，提出了通过控制保护渣中的OH离子溶解度来防止氢气泡析出的保护渣设计方案，采用这种保护渣使硅脱氧钢连铸顺行。

根据环境保护的要求，对无氟结晶器保护渣进行了开发。

研究了无氟条件下Na、B气化损失机制，由于气泡是以不溶性ZrO2为核心生成的，所以使ZrO2不饱和化是抑制Na、B气化损失的有效方法。

1.2.3控制结晶器内钢流、防止卷渣、促进夹杂物上浮

进入结晶器的夹杂物一旦到了钢坯急冷层，就会成为最终产品的缺陷。

为降低夹杂物，普遍在结晶器使用了旋转磁场和静磁场。

在电磁控制方面，从20世纪80年代开发的第一代区域型电磁控制技术，发展到现在的第二代均匀磁场电磁控制技术。

结晶器电磁搅拌去除夹杂物的作用不仅表现在单钢包浇注，而且在连浇换包的接头部位也有去除夹杂物的作用。

此外，通过施加静磁场对浸入式水口的流股减速，可以缩短异钢种连铸的过渡区。

采用两段电磁制动控制钢水的流动，可以减少夹杂物和保护渣的卷入。

利用1T超强磁场的电磁制动可以更有效地对流股进行控制，提高钢水净化效果（见图2）。

图2超导电磁制动设备和去除夹杂物的效果

电磁软接触连铸技术利用交流磁场中产生的罗仑兹力和焦耳热降低铸坯的冷却速度，制造无振痕的镜面状铸坯。

该技术提高铸坯表面质量的效果已经在实机试验中得到验证。

图3是该技术的原理示意图，可以预计电磁软接触连铸技术将会实现商业化应用。

结晶器电磁场钢水流动解析和设备设计技术有了很大进步。

在对流股中夹杂物聚集现象的观察、流体力学解析方法的开发、对中间包和钢流中夹杂物进入急冷层行为研究等方面都取得了进展，并提出了更加定量化的生产指导方案。

在浸入式水口流股的稳定性方面也进行了许多研究，利用耐火材料旋转叶轮、旋转磁场和静磁场对流股进行控制等技术。

图3电磁软接触连铸技术原理示意图

1.3连铸坯高效、高质量化生产技术

1.3.1结晶器下冷却段夹杂物加速上浮技术

在结晶器下设置数米长的垂直段对促进夹杂物上浮是有效的，因此，新建连铸机带有垂直冷却段，老铸机改造也设置垂直段。

利用这种连铸机并结合电磁搅拌和电磁制动，使夹杂物大大减少，对提高汽车用钢板等高级钢的质量有显著作用。

此外，通过基础性研究对夹杂物析出和聚集行为也有更深入的认识。

1.3.2防止铸坯横向裂纹技术

在弧型连铸机和立弯式连铸机的弯曲部和平直部，铸坯表面会产生拉伸应力。

当应变量超过铸坯的裂纹临界应变时，就会产生横向裂纹。

在铸坯冷却发生γ-α相转变中，如有弯曲应力存在，在γ晶界析出的片状α上就会出现应力集中，这时在局部区域内即使存在比较小的应变也可能达到α的临界应变，导致裂纹的产生。

对钢的成分、应变速度、晶粒直径与钢的临界应变的关系进行了许多测定和研究。

通过对铸坯和连铸机支撑辊接触部位的热应力、应变进行三维计算，可以定量化判断应变积累量是否超过钢的临界应变，对铸坯横裂产生的机制有了进一步的认识。

对横裂的试验研究也取得了进展。

应力分析结果表明，在铸坯冷却发生γ-α相转变过程中，当形成百分之几的少量薄片状α时，容易产生应力集中并发生脆化，并且Al、Nb、V和B等促进裂纹生成元素的碳化物、氮化物粒子尺寸小于13nm、并以小于60nm的间距呈列状在薄片状α相内密集析出时，是产生横裂的最危险状态。

这时如果施加应力，在析出物周围产生的孔洞互相连接，即形成晶界裂纹。

对含Al量较高的TRIP钢和含Mn量较高的TWIP钢等新钢种的弯曲高温延性数据也进行了测定。

开发了防止高温裂纹敏感性钢种产生横裂的表面冷却法，该方法是通过在连铸平直段前对铸坯进行冷却和余热加热，使钢发生γ-α-γ相变、逆相变，细化γ晶粒。

结晶器振痕的凹下部分空隙能较大程度上阻碍散热，这里常常形成粗大的γ晶粒。

为防止立式小方坯连铸机生产渗碳钢时发生横裂，开发令结晶器高频短冲程振动技术，使振痕凹下处的γ晶粒细化，提高钢的裂纹临界应变值，防止横裂的发生。

1.3.3减轻中心偏析和疏松技术

连铸坯中心偏析产生的原因是，铸坯在二冷区支撑辊之间产生鼓肚和凝固末端凝固层收缩产生负压引起钢水流动，使凝固界面附近的树枝状结晶间的高浓度钢水向铸坯中心移动聚集。

从20世纪80年代开始对减轻中心偏析的技术进行研究，开发了缩短二冷区辊间距减轻鼓肚技术、凝固末端轻压下技术、结晶器和冷却段电磁搅拌增加等轴晶比例等技术，并得到广泛应用。

特厚板坯、大断面方坯连铸技术也有了进一步的发展。

凝固末端轻压下、凝固末端大压下、双向锻压等技术在特厚板坯连铸机得到应用。

在大断面方坯连铸技术方面，开发出铸坯凝固后立即在线挤压技术和两级大压下技术。

此外，对凝固末端锻压，将铸坯内部钢水挤压到上方，减轻中心偏析和疏松的连续锻压技术也实现实用化。

铸坯坯壳厚度和冶金长度末端位置的测定和控制对于减轻中心偏析是十分重要的。

除了测定坯壳厚度的射钉法外，还开发出检测支撑辊反作用力方法、电磁超声波方法、振动传感器和三维传热阻尼计算方法等坯壳厚度和冶金长度末端位置在线检测方法。

在控制技术方面开发了提高铸坯宽度方向二冷均匀性、根据拉坯速度变化的动态轻压下、具有自动对中功能的轻压下扇形段等技术。

在连铸操作方面，对结晶器锥度设定、宽度调整和振动、扇形段辊距、喷水位置等操作条件的数字化控制技术有了进一步发展。

为了使轻压下扇形段辊子变形最小化，扇形段辊子采用了沿宽度方向的分节辊结构，但这种方法仍不能消除铸坯凝固的不均匀性，并有时会产生负偏析的效果。

为了进一步减轻中心偏析，开发的新技术有：

施加电磁振动使等轴晶微细化，以及在凝固末端施加静磁场阻止高浓度钢水流动的方法。

在关于凝固组织形成的基础性研究方面也取得了进展。

利用辐射线直接观察钢的凝固组织和δ-γ相转变、二维凝固断面组织转换为三维凝固结构、包晶反应的动态观察、凝固组织形成和沟状偏析形成的模拟计算等技术，可以使研究者对感兴趣的区域进行定量观察和解析分析。

可以期待，这些基础研究工作将会推动连铸凝固组织控制技术和减轻中心偏析技术的进一步发展。

1.3.4铸坯表面性状改质技术

在铸坯表面性状改质技术方面，开发了等离子电弧振动加热法，使铸坯表面的粗大夹杂物分解。

对这种铸坯制造的钢材表面喷镀镍，表面镍富化，浓度可达1%。

该技术的进一步发展值得期待。

1.3.5微细氧化物和硫化物利用技术

细化晶粒是提高厚钢板大线能量焊接钢HAZ韧性的有效方法，已经实用化的方法有：

在HAZ的γ晶粒内生成微细针状铁素体（IGF）和抑制HAZγ晶粒粗大化。

研究发现，可以成为IGF生成核心的有TiN、REM（O，S）-BN、Ca（O，S）、TiN-MnS-Fe23（CB）6、Ti2O3-TiN-MnS、TiN-MnS等。

这些夹杂物已经在提高HAZ韧性的方法中得到实用。

为缩短结构件的焊接工期，普遍采用大线能量焊接方法，在更高温度下，HAZ内作为IGF核心的稳定氧化物或硫化物有REM（O，S）、Ca（O，S）和Ti2O3等。

Ti脱氧钢的IGF生成机制为：

Ti2O3吸附了钢中的B，Ti2O3附近形成了贫B区；另一方面，与Ti2O3有良好共格性的MnS也在Ti2O3质点上析出使Ti2O3附近也形成了贫Mn区。

这两个现象作用的结果，使局部区域的α相成为稳定相，从而诱发γ-α转变。

研究表明，与MnS有良好共格性的ZrO2，可以作为MnS析出的核心，对ZrO2在IGF核心中的作用有了进一步的认识。

此外还查明，钢水中的液态复合盐MnOSiO2对促进MnS的析出非常有效。

在抑制HAZγ晶粒长大方面，开发了将尺寸为数十纳米弥散的Mg、Ca氧化物和硫化物作为钉扎粒子的技术。

研究发现，氧化物可以作为连铸中钢水凝固的新核。

其中有为防止铁素体不锈钢冷轧板深冲时的起皱现象，开发出含Al、Mg氧化物的复合化合物弥散化技术（见图4）。

此外还有实验室研究的将ZrO2作为高碳钢形核剂，促进钢水凝固为奥氏体的技术。

图417%Cr-Ti经Al、Mg复合物改质处理后对比

和铸坯等轴晶化使成品冷轧板起皱减轻效果

1.3.6轧制中夹杂物的变形

轧制过程中夹杂物的延伸性和破碎性对高强度钢板和棒线材等高强度和高加工量的产品质量有很大影响，因此在钢材制造中一直从连铸和轧制两个方面对该问题进行研究。

根据夹杂物长宽比和轧制压下率的关系，用宏观指标对夹杂物的延伸性进行了归纳分析，并根据钢板和夹杂物的高温强度差加深了对热轧中夹杂物的延伸性和破碎性的认识。

最近，对包括冷加工在内的、加工中夹杂物变形行为又提出了新观点，并用轧辊下钢中的压缩应力和夹杂物断裂强度的相对关系对加工中夹杂物的变形行为进行归纳分析。

夹杂物对高强钢疲劳寿命的影响也已经查明。

轴承钢疲劳试验结果表明，影响钢疲劳寿命的最主要因素是夹杂物的尺寸。

在钢材高强度化的进程中，对钢的高洁净度和夹杂物微细化程度的要求会越来越高。

2近终形连铸

2.1薄板坯连铸

1984年，薄板坯连铸连轧工艺商用机在美国纽柯钢铁公司投产以来，陆续被欧洲的电炉钢厂和钢铁联合企业采用，已在世界上得到广泛应用。

除中碳钢连铸以外，薄板坯连铸连轧的标准流程是连铸速度5-6m/min的双流连铸机和1条热轧生产线的CC-DR流程。

由于铸坯厚度小，所以温度均匀，轧制的钢板厚度精度很高。

可制造的钢材品种很多，有CGC、热轧薄钢板、管线用钢、HSLA、不锈钢、电工钢、汽车用IF钢等等。

虽然还存在着中心偏析的问题，但通过二冷工艺改进，中心偏析可达到250mm厚的常规连铸坯水平。

为进一步提高生产效率，推进了高速连铸和半无头轧制工艺的实施。

将薄板坯连铸机的漏斗状结晶器的宽面中心的漏斗延长到结晶器下面的支撑辊，抑制凝固壳的变形速度，可使拉速达到13m/min。

但在制造高级钢时还存在夹杂物和卷渣问题，需要进一步解决。

2.2带钢连铸技术

新日铁和三菱重工共同开发的不锈钢带钢连铸设备于1997年开始运转，2003年进行商业化生产。

纽柯钢铁公司于2002年建造了碳素钢带钢连铸设备，之后欧洲带钢公司（EUROSTRIP）、浦项钢铁公司和宝钢等也相继建造了带钢连铸设备。

纽柯钢铁公司的带钢连铸设备配置有单机架4辊轧机和水冷却区，主要生产厚度为0.8-1.0mm的440MPa级带钢。

由于没有热轧冷轧的退火工序，比传统薄板坯连铸连轧生产工艺节能4/5。

此外，对带钢连铸中的钢水急冷凝固冶金学机制的基础性研究也取得了进展。

研究表明，钢水急冷凝固时析出的微细Cu硫化物具有吸附磷的作用。

3连铸技术的发展方向

为进一步发挥钢材的特性，大幅度降低钢中夹杂物含量和减轻中心偏析是十分必要的。

钢材越是高强度化，对结晶度和夹杂物微细化程度的要求就越高。

为了实现连铸生产的高效率和高质量，今后应着力以下3个方面的研究开发。

1）进一步减少夹杂物

除了利用钢水精炼的方法使钢水洁净化，不使钢水与大气接触，防止钢水二次氧化和粗大夹杂物分离上浮技术，仍是需要继续研究的课题。

概括地说，钢水中夹杂物的粗大化经历生核、扩散长大、聚集成凝聚体3个阶段。

如果能够防止夹杂物形成凝聚体，那么夹杂物的尺寸就可控制在几纳米的程度，但若使夹杂物凝聚体进一步粗大化也可以促进夹杂物的分离上浮。

目前情况并不能对这两方面进行控制，所以关于控制夹杂物长大和促进夹杂物成为凝聚体进一步粗大后使之分离上浮技术仍然是尚未解决的课题。

弯月面上结晶器卷渣问题、防止夹杂物被凝固壳捕获的问题也没有得到很好的解决。

此外，夹杂物行为的可视化技术和夹杂物行为的研究、超导和EMC和电化学等新的夹杂物控制手段的进一步发展也值得期待。

在连铸轧制工序中对铸坯加热时，残留夹杂物变化行为和轧制时变形破碎行为进行控制的技术也应有进一步的发展。

2）进一步减轻偏析和疏松

20世纪80年代后开发的凝固末端轻压下技术和凝固后锻压技术使偏析和疏松减轻到相当低的水平。

如果进一步减轻中心偏析，则可以降低合金成本、减少精炼渣用量和提高钢材质量，所以要继续开发减轻中心偏析的技术。

形核剂处理和电磁制动等细化凝固组织的手段、连铸冶金长度末端位置检测、高温下对铸坯宽度方向冷却均匀性的稳定测量等技术都有待进一步发展。

3）开发纳米级超微细氧化物利用技术

将纳米级超微细氧化物和轧制、热处理中尺寸相近的碳氮化物配合使用，可以开发出复合微细粒子利用技术，改善钢材材质、提高钢材质量。

同时，薄板坯连铸和带钢连铸工艺也存在复合微细粒子利用技术的研究课题。