不锈钢连铸技术与质量控制.docx

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不锈钢连铸技术与质量控制

方坯连铸不锈钢技术与质量控制

—特钢连铸研讨会论文

方坯连铸不锈钢技术与质量控制

宝钢股份有限公司特殊钢分公司陈家昶

上海新中连铸技术工程公司叶枫

1.前言

不锈钢的制造技术已有巨大的发展，从上世纪60年代不锈钢开始采用连铸，到1985年全世界不锈钢连铸比已达70%以上，目前西方工业发达的国家不锈钢生产几乎100%用连铸。

最近20年来，世界不锈钢产量每年以超过7%的比例增长，1997年不锈钢总产量为1650万吨/年，2006年全球不锈钢产量达到了2840万吨，较2005年产量上升了16.7%。

其中，中国的不锈钢产量增加最多，达到了530万吨，比2005年的产量增加了68%，超过日本跃居世界第一。

新上马的很多产线释放出了巨大的能力，中国的不锈钢市场和产能前景乐观。

我国不锈钢的连铸起步较晚，80年代才开始起步。

经过这几年的发展，我国的不锈钢连铸比提高较快，已经实现大多数的不锈钢品种的生产，但不锈钢连铸的生产和质量控制有一定的难度，在一定程度上制约了我国不锈钢连铸坯的生产。

2.生产工艺和流程

不锈钢冶炼方法有多种，如EAF单炼法、与AOD结合的二步法、与转炉顶底复吹及VOD或RH－OB相结合的三步法等，但目前最有优势、应用最广泛的还是EAF＋AOD的二步法，在冶炼超低碳不锈钢时，也有较多采用AOD+VOD的双联脱碳工艺。

因此，一般常用的工艺流程为：

EAF＋AOD＋（VOD）＋CC（IC）

习惯上我们把EAF＋AOD称为两步法，而EAF＋AOD（或转炉顶底复吹）＋VOD称为三步法。

电炉冶炼不锈钢可以选择采用偏心底（EBT）、槽式（Spout）出钢和两种功能都有的双炉壳设计，偏心底炉壳虽然能做到无渣出钢，但在出钢过程很难实施钢渣混冲，影响合金的收得率，而且EBT出钢口易被堵塞，不锈钢冷钢处理困难。

因此，在不锈钢母液生产时，电炉一般采用槽式出钢法，它在出钢过程钢渣混冲，能有效提高合金收得率，但同时也带来一个回磷问题，由于不锈钢的脱磷困难、易回磷，这就对废钢和返回料的选择使用带来了严格的，对降低配料成本不利。

3.不锈钢连铸

鉴于不锈钢钢种本身的性能特点（钢水粘度较大，易氧化元素较多、传热慢、热膨胀系数大等），其连铸生产的特殊性和难度较大。

而且不锈钢品种较多，其中不乏含Ti、Nb、Cu、S、W等元素，钢种的裂纹敏感性强、连铸可浇性较差，对连铸工艺的参数确定和过程控制要求较高。

近几年来，随着连铸控制技术和精度的提高，钢水冶炼的纯净度提高，90％以上的不锈钢已连铸成功，但是过程的不稳定性仍然存在。

不锈钢一般分为铁素体、奥氏体、马氏体和双相不锈钢等几类，严格的说，这几类钢种的凝固性能和组织各不相同，浇注性能也并不一致。

总体来说，不锈钢连铸工艺可以从以下两类着手：

以Ni为主含有扩大奥氏体区元素（Ni、Mn、N、C）的奥氏体不锈钢；以Cr为主含有扩大铁素体区元素（Cr、Mo、Si、Nb）的铁素体不锈钢。

特别还要考虑不锈钢的成份设计的裂纹敏感区，见下图：

由图中可以看出，凝固时新生铁素体对裂纹不敏感，②位置的奥氏体对裂纹敏感、①位置马氏体的淬火裂纹、③位置奥氏体中的相脆性、④位置铁素体的蠕变行为等都对我们的生产凝固工艺提出了挑战。

不锈钢方坯连铸，一般供轧制棒材、卷材、线材和不锈钢管坯成材。

从最终的产品性能来看，对方坯连铸坯的表面质量和内部质量要求极高。

由于不锈钢品种多，工艺的适应性犹为复杂，我们就一些共性的问题做一下探讨。

3.1.表面质量控制

单就热膨胀系数而言，奥氏体钢的值比碳钢大（500℃时大56%，1000℃时大54%），铁素体钢与碳钢相近。

这说明奥氏体钢在结晶器内凝固坯壳会过早收缩，更易使坯壳厚度不均匀，容易导致表面凹陷，裂纹等缺陷。

而且钢水中的易氧化元素的夹杂物被连铸结晶器保护渣吸附后，保护渣的性能容易恶化，从而影响坯壳与结晶器铜壁之间的液渣流入，形成不均匀渣膜，加剧了传热的不均，对铸坯的表面质量产生严重的破坏。

以目前的技术装备而言，常规连铸机的结晶器振动技术，对连铸坯表面质量造成的直接后果就是产生了振痕，振痕是由于结晶器的周期性振动而在铸锭表面产生的间距均匀有一定深度的横向皱折。

由于振痕的普遍存在，因此在一般情况下，已不将它看成是铸坯的表面缺陷或者说振痕是连铸坯的本征缺陷；但是，对连铸坯表面振痕的研究，发现伴随着振痕的产生，皮下往往有磷、锰等合金元素的显微正偏析，容易导致铸坯表面产生微小的横向裂纹，对后步工序产生不利影响，降低了产品各种物理性能横向断面的均匀性。

研究表明，振痕是产生表面偏析和裂纹的原因之一。

对于普通钢的振痕，通过热轧加热中的氧化，振痕一般不会对成品质量造成影响；而不锈钢则不同，由于具有高的抗氧化性，较深的振痕难以在热轧中完全消除，如果用这种坯料轧制，就会在轧材表面产生缺陷。

因此，不锈钢连铸坯的振痕的修磨率很高，有些厂家的不锈钢连铸坯的修磨率甚至可达100％。

控制和减少表面缺陷，减少修磨量和修磨率是不锈钢降本增效的关键。

要做好这方面的工作，主要从结晶器保护渣的选取、振动参数的确定和结晶器铜管锥度的设计（包括结晶器水量控制）等方面着手。

3.1.1结晶器保护渣

连铸保护渣在连续铸钢的保护浇注中具有非常重要的作用，保护渣的性能取决于浇铸中的实际行为，目前衡量保护渣的标准还是看它实际使用的效果，对它的性能优化只有一个宏观的取向：

即提高铸坯表面质量与浇铸质量。

不锈钢保护渣的研制可以说是一个世界性的难题，由于不锈钢中含有许多易氧化元素，需要吸收的夹杂物与特钢相比差别较大，保护渣性能的设计与保持对表面质量来说至关重要。

奥氏体不锈钢线具有膨胀系数大的特点，冷却过程中气隙出现较早，容易产生凹陷等表面缺陷。

一般的保护渣设计时针对凹陷型和黏附型的钢种有两类不同的设计，凹陷型保护渣的特点是碱度较高（渣液在凝固过程中有析晶现象，渣的粘度曲线有明显的拐点）形成的固态渣膜导热系数较低，以降低传热速度，改善坯壳的凝固状况；黏附型保护渣则通过低熔点、低碱度（易形成玻璃态液相渣膜层）的设计，以达到减少摩擦阻力，提高表面质量的目的。

不锈钢保护渣的设计一般采用的是前一种方案。

这里要说明一下，由于不锈钢的固、液相线较低，因此不锈钢保护渣的熔点还是较低的。

不锈钢的保护渣耗量一般要大于碳钢的耗量，这一方面是为了形成均匀的渣膜厚度；另一方面由于渣耗量大，保护渣的更新速度加快，可以减轻和稀释被吸附的夹杂物对保护渣的污染。

在整个浇铸过程中，钢水弯月面处形成的液渣层要保持足够的厚度以保证其连续流人铸坯与结晶器之间的气隙，从而形成有效渣膜，提高传热效率与均匀度。

而不锈钢的容易产生表面凹陷的特性，更需要形成均匀有效的渣膜。

在这里保护渣的黏度起了非常重要的作用。

通过一定的推导，我们可以得到一个熔渣层厚度与拉速之间的关系图如下：

图中左边红色曲线表示连铸保护渣的熔化速率高于保护渣消耗速率的情况，过了临界点右边蓝色曲线则表示连铸保护渣熔化速率低于最大消耗速率的情况。

由上所述充分表明，保护渣黏度与对整个生产中的热传导性能有着非常密切的关系。

在这里，我们仍然要强调的是保证稳定均匀渣膜对连铸坯表面质量的提高大有益处，我们设计选用的保护渣就是要针对连铸钢种的具体情况及拉速水平来进行的。

所以在现场浇铸性能的评判上，渣耗是一个很重要的数据。

在不锈钢的结晶器保护渣里，还要注意碳质材料的添加问题。

众所周知，为了控制保护渣的熔化速度，通常都在保护渣内配入一定量的炭质材料（炭黑或石墨等），但是绝大部分的不锈钢是低碳或超低碳，很容易引起增碳，特别在振痕部位容易出现碳的正偏析现象；如果不锈钢表面修磨，一般该种缺陷不会影响下道工序。

但未经修磨的铸坯进行轧制时，情况就不相同，我们曾经检测到如下缺陷，在规格为Φ65的304不锈钢连铸管坯上，经穿孔酸洗后发现荒管表面出现螺旋状缺陷，如下图：

电子探针面分析结果表明，荒管缺陷区域内的黑色沟槽中聚集C元素，如下图：

无独有偶，在一个低碳不锈钢连铸坯横向低倍的试样上，对其中心疏松部位做扫描电镜时，也发现了碳质材料的痕迹，如下图：

为此，有些要求高的无碳不锈钢保护渣，采用超细微的金属粉末取代碳质材料，用来控制保护渣的熔化速度，所以在保护渣的选择上，应多方面的考察和试验，才能找到符合不锈钢各钢种质量要求的保护渣。

3.1.2结晶器振动

对振痕的产生机理长期以来一直存在很多理论，如撕裂-愈合机理、机械变形机理、二次弯月面机理、保护渣作用机理等等，但直到今天还没有一个理论能够完整的解释所有的现象。

不过有一点目前已达成了共识：

即振痕的深度主要与负滑脱时间、负滑脱量有关。

因此，研究振动参数控制负滑脱时间对连铸坯表面质量的提高有着非常重要的意义。

早期，负滑脱时间一般认为在0.5s左右对防止粘连及顺利脱模有利，如果超过这个值，就会影响振痕深度，过深的振痕会导致铸坯表面横裂纹的产生。

但由于目前连铸设备与浇铸水平提高很快，铸坯与结晶器的脱模已经不再成为主要矛盾，相反随着连铸坯表面质量要求的提高。

目前，已有连铸机将负滑脱时间控制在0.1s的水平。

由于负滑脱时间对振痕的深度影响较大，为减小振痕的深度，减少负滑脱时间是一行之有效的方法，在传统连铸过程中，结晶器振动的模式为正弦振动模式，为减小负滑脱时间，只有通过高频小幅振动的方式来实现。

但在高频小幅振动条件下，将会在一定程度上减少保护渣的消耗，影响保护渣的流入与渣膜的均匀形成，破坏了初生坯壳和结晶器壁的润滑，从而增加了表面裂纹甚至拉漏的可能。

因此应用高频小幅振动减少负滑脱时间的措施虽然有效，但仍然存在一定的隐患，应用上受到限制。

而在非正弦振动条件下，不改变频率，也能达到减小负滑脱时间的目的，这种情况下，与正弦振动模式相比，它的正滑移时间更长，振痕的深度也相应地降低。

目前的液压振动控制设备，已成为实现非正弦振动的保证。

多次现场试验测定证明，采用了非正弦振动方式后，结晶器保护渣的渣耗量并没有因为负滑脱时间的降低而下降，反而略微有所上升。

这在一定程度上证明了保护渣的液渣基本上是在正滑脱期内流入的机理（目前世界上一直存在有正、负滑脱时间流入的两派争论，前者以韩国浦项为代表，后者以S.Takauchi为代表）。

而随着拉速、As值的提高，保护渣的耗量有降低的趋势，因此选取连铸保护渣要以连铸机正常工艺的拉速范围为依据。

至于振动频率的选择，按照流体力学理论，液体表面波动存在一个本征频率，它与材料本身、断面、深度、液体表面张力等因素相关，相关领域（有色金属）的研究表明，如果实际振频接近系统固有频率时，容易产生共振，此时渣膜通道最大，拉坯阻力最小，铸坯表面最光滑。

虽然这个工作不见连续铸钢领域报道，但对我们选择合适的振动参数又多了一个考虑方向。

3.2.连铸坯内部质量

不锈钢的内部质量很大程度上取决于钢种的特性，钢的凝固行为在一定程度上决定了连铸坯内部的铸态组织。

根据加藤等人的研究结果，根据含镍不锈钢的Cr/Ni当量比，在铸坯凝固过程中发生如下相变反应：

Creq/Nieq>2.0：

L→L＋δ→δ（α）→δ（α）＋γ

Creq/Nieq在1.6～1.9：

L→L＋δ→L＋δ＋γ→δ（α）＋γ

Creq/Nieq在1.26～1.46：

L→L＋γ→L＋γ＋δ→γ＋δ（α）

Creq/Nieq<1.2:

L→L＋γ→γ

一般可以按Cr/Ni当量比1.5为界，初晶分别为δ相和γ相。

初晶相的差别对于微观偏析的程度有着影响，因为溶质元素在δ相的扩散速度约为在γ相中的100倍。

所以初晶为γ相时，一般存在明显的微观偏析。

微观偏析，特别是P、S的偏析和聚集，对铸坯裂纹的形成存在着很大的隐患。

因此，铸坯的低倍组织与铸坯凝固时的铸态组织存在着一定的区别，有时很难复原分析；对于上列第4种单相组织相变，做金相的微观分析还比较容易。

不同的不锈钢钢种表现出不同的宏观组织特性，比较典型的方坯低倍组织如下：

a）铁素体不锈钢的低倍组织

b）奥氏体不锈钢的低倍组织

c）双相不锈钢的低倍组织

针对不锈钢方坯的质量要求，由于各种钢种的差异较大，这里就不详细分析了。

但通常用来控制提高内部质量铸态组织要求的是电磁搅拌和二冷控制。

3.2.1．电磁搅拌对铸坯质量的影响

对于不锈钢，电磁搅拌选用的参数与特钢相比变化还是比较大的。

下式表示在钢水中产生感应电流与该处磁场作用产生电磁力的大小可用下式表示：

上式中：

为电流密度；

为钢水电导率；

为磁场和钢水相对运动速度速度；

为磁感应强度；

为电磁力；

为真空磁导率；

为电场强度。

通过上式，我们可以认为在相同磁场条件下，电磁力的作用取决于材料的电导率水平，通常不锈钢的电导率略小于特钢，但相差并不大。

而对于一般的金属当其温度大于760℃时以及液态的钢水通常都是不导磁的，这方面特钢和不锈钢的特点是一致的。

试验证明，作用于铸坯中心液相的磁感应强度B不锈钢反而要比特钢强一些，这可能是由于不锈钢的合金含量高，液芯的粘度较大，运动时产生的阻力也大；其次，由于不锈钢导热率低，凝固时，其柱状晶生长倾向，大大地高于一般的特钢，因此，如果我们为了达到相同的电磁搅拌效果，一般说来，对于不锈钢无论是M-MES或F-MES工作电流的设定应高一些。

对于方坯而言，电磁搅拌的目的在于减少铸坯的中心疏松和偏析。

而对含N、S等不锈钢而言，结晶器电磁搅拌消除皮下气孔及皮下夹杂的作用也是显而易见的。

3.2.2二冷控制的影响

二冷控制应该结合各种钢种的热物性参数而定，我们如果做差热分析钢种热物性，就会发现，奥氏体的高温相变热流变化比较平缓，相对高温的热裂不敏感，而马氏体的有两个明显的热变流峰（谷）值，在对应的温度区间，热裂倾向强烈。

一般来说，如果仅以二冷比水量比较，不锈钢的比水量要低于普碳钢，而且马氏体比水量应<奥氏体比水量<铁素体比水量，具体的钢种因元素的变化还是会有区别，这儿就不一一列举了。

应该指出的是在二冷控制这个环节，过热度和拉速的匹配更为重要。

对应于每个钢种的传热特性曲线，我们更因注重各区水量的分配比例，例如对于马氏体钢来说，为了保证铸坯内部的质量，必须采用低过热度低拉速的工艺，在弱冷条件下，可以适当加大上部和下部的水量分配比例，因为在高温下的马氏体强度较好。

4.结语

目前，随着连铸设备和控制精度的提高，大多数不锈钢品种的连铸生产已经能够实现。

但是由于用户产品质量要求的提升，每个不锈钢的性能或多或少存在着一些差异，因此，在不锈钢的连铸生产中，管理者必须认真地了解和认识各不锈钢种的特性和存在的差异，合理的制定连铸工艺制度，并结合质量要求对各种参数实施控制；其中，首先应该严格设计和控制不锈钢的目标成分，减少成分的波动范围，这样才能够保证连铸坯凝固铸态组织的稳定，以保证连铸坯的性能和质量。