镇静钢与连铸坯的结构和偏析比较

镇静钢与连铸坯的结构和偏析比较

1钢锭和连铸坯凝固收缩v线和v线与钢锭凝固缩钢炮和连铸炮之间有很多相似之处。通过研究钢炮的质量，他们获得了研究钢炮质量的认识和经验，这有助于研究连铸板的质量。以下将镇静钢钢锭与连铸坯作一对比,因为连铸坯都是镇静钢。作者将镇静钢钢锭分为大锭和小锭,横断面≤266.7mm()的钢锭为小锭,配650mm轧机,横断面≥508mm()的钢锭为大锭,配750mm轧机。大锭和小锭的结构和偏析不同,镇静钢大锭的结构和偏析有严格的对应关系,大锭的结构和偏析如图1所示。镇静钢小锭的结构和偏析与大锭不同,小锭没有A型偏析,也没有沉积锥,这主要是因为小锭没有充分发育的分杈状技晶。钢水在钢锭模内凝固时有一个收缩过程,从钢水到室温钢锭的总收缩V总由两部分组成,一部分是线收缩V线(即钢锭外壳向内的收缩),另一部分是体积收缩V体(即钢锭内部缩孔和疏松所占的体积)。钢水含碳量不同时,如果估且认为它们的V总相等,都等于11.8%,但它们各自的V线和V体却相差很多,如表1所示。表1关于钢锭凝固收缩的认识可以联系到连铸坯,有关V线与连铸坯质量的关系,见表2。从表1、表2可见,钢锭和连铸坯的凝固收缩与质量的关系有相似之处。不锈钢大锭和电渣重熔锭的结构都由穿晶(柱状晶一直生长到锭心)组成,它们没有分杈状树枝晶,也无粗大等轴晶,所以它们既无A型偏析也无沉积锥,但因它们都由穿晶组成,所以它们的V线将会更大一些。连铸坯的结构和偏析与镇静钢小锭相近,在横向上由激冷层、柱状晶、等轴晶组成,在纵向上有中心偏析(类似于小锭的V型偏析)。连铸坯没有A型偏析也没有沉积锥。连铸坯由于冷却强度大于小锭,所以柱状晶长于小锭,柱状晶愈长,中心偏析愈严重,但如果柱状晶的长度发展到穿晶时,中心偏析的严重程度不但不继续增加,反而会显著减少,但要想得到穿晶,必须具有一定的条件:①断面小;②高碳钢;③二冷强度大。例如105mm×105mm小方坯,w(C)=0.55%～0.85%,二冷强度高时可以得到穿晶,中心偏析显著减少。高碳钢的柱状晶长于中、低碳钢,有利于得到穿晶。在采用轻压缩来减少连铸板坯中心偏析的文章中,有的作者也用到A型偏析一词,该处所指的A型偏析与模铸大锭的A型偏析截然不同,该处所指的A型偏析是由于轻压缩过度,使轻压缩前连铸坯中的V型偏析反方向逆转成为所谓的A型偏析,如果轻压缩适度,既可以消除V型偏析,也不会出现A型偏析。2在结晶器工艺设计方面,主要有两种类型模铸锭没有形状缺陷,连铸坯有形状缺陷问题。形状缺陷随连铸坯的形状和大小而异。连铸坯的形状缺陷不仅仅是铸坯外形问题,还密切联系于连铸坯的裂纹和漏钢等问题。连铸板坯的形状缺陷是窄面凸出和宽面鼓肚。板坯窄面的正常形状应为微凹。窄面凸出容易引起偏离角内裂或凹陷,窄面凹入太多容易产生三重点裂纹。鼓肚有无对连铸板坯和小方坯质量的影响见表3。小方坯的形状缺陷是凸肚和脱方。小方坯偏离角内裂漏钢有两种类型,1种类型是单独由鼓肚引起的,另1种类型是以鼓肚为主脱方为辅引起的。根据在天津第二炼钢厂实测,150mm×150mm小方坯,如果在离开结晶器时的鼓肚虽没有凸到引起漏钢的程度,但如果在二冷区以后的脱方大于15%时也会引起漏钢。小方坯这两种漏钢类型都与鼓肚有关,如果没有鼓肚,脱方再大也不会单独引起漏钢。小方坯拉速(VC)的提高受到坯壳角部和面部凝固速度不同的限制,为了改善凝固的均匀性和克服单锥度结晶器的缺点,邯钢、马钢、武钢引进了钻石型结晶器。小圆坯不存在小方坯角部和面部凝固速度不同的问题,所以VC可以高于小方坯。小方坯为了提高VC也可以采用设计思路类似于小圆坯的concast凸形结晶器。钻石型结晶器不但适用于小方坯,也适用于板坯窄面(称为Diaface结晶器),MansfieldAKSteel在中等厚度的板坯连铸机上浇注409不锈钢时,对Diaface结晶器进行了研究。单锥度结晶器的缺点是结晶器锥度不符合坯壳在结晶器内的凝固收缩,在结晶器上部坯壳的V线大于结晶器的锥度,形成较大空隙(w(C)=0.1%时形成的空隙最大),在结晶器出口处,坯壳的V线小于结晶器的锥度,坯壳受到挤压。天津二钢连铸小方坯曾出现内裂,笔者认为内裂的形成源于二冷水不均匀引发的形状缺陷,见图2。异形坯的纵裂倾向大于板坯,这是由于异形坯的凸缘顶部在凝固初期,可能向外变形,使腹板受到内外的拉力产生纵裂。3板坯连铸机新建、新建及立弯式、立式组合连铸机机型的演变经历了立式→弧形→立弯式乃至又回到立式的过程,这在很大程度上反映了对铸坯从要求产量到要求质量的转变。此前建立的板坯连铸机大多为弧形。为了提高铸坯纯度、避免夹杂物在内弧富集、消除IF钢在连续退火后成型时在内弧钢带表面出现铅笔型气泡和消除在铸坯内弧出现横裂、偏离角纵向凹陷、星形裂纹及与弧形铸机有关的梯形,目前新建或改建的板坯连铸机多为立弯式或立式。2000年5月Terni钢厂决定建立最新一代用于生产高合金钢(主要是不锈钢)的立式工业化CSP连铸机,冶金长度为9.265m。神户钢厂认为滚珠轴承钢为了避免夹杂物在铸坯内弧富集,最好用立弯式或立式连铸机来生产。4维护市场的正常流动自连续铸钢问世以来,由于中间罐水口内径小于模铸钢包水口内径,因而连铸中间罐水口堵塞成为突出问题。水口堵塞使VC降低甚至使注流中断。VC降低还使振痕深度增加。水口内的粘附物一旦被钢水冲掉,大量钢水随之涌出,引起结晶器液面起伏,在这短时间内拉出的铸坯将被降级或报废。水口堵塞是由于钢水中高熔点的Al2O3(熔点2020℃)、CaS(熔点2450℃)、Al2O3·MgO·AlN等粘附在水口内壁上引起的。关于水口堵塞的机理和消除水口堵塞的研究,迄未中断。4.1钢棒挡渣的检测美国EdgarThomson钢厂的两座250tBOF在2000年3月和11月开始用VAI开发的气动挡渣塞棒(pneumaticslagstopper)来挡渣,使钢包内的渣层厚度从127mm减少到91.44mm。VAI-Con是上述挡渣棒的改进型,我国包钢和本钢都已采用VAI-Con塞棒挡渣。出钢时进入钢包的氧化渣的w(FeO+MnO)应被还原到4%～8%,否则(FeO)+[Al]→Al2O3,使水口堵塞和使铸坯表面产生缺陷,但如果(FeO+MnO)被还原过度,w(FeO+MnO)<2%,会生成MgO·Al2O3·CaO·6Al2O3及正常含量的Al2O3夹杂,这些夹杂也会使水口堵塞和使铸坯表面产生缺陷。用钢棒测渣层厚度的误差可达±31.75mm,U.S.钢研所等单位开发的雷达测厚法是1种不与被测物体接触的测量方法。据介绍这种方法的优点是:①在远外测量;②测量时间短(30～45s);③安全;④精度高;⑤电子设备和传感器耐用可靠。4.2bhpseyl减少板岩连接销的开口经验al2o3掺杂多,引起润滑嘴唇堵塞钢轨钢是Mn-Si镇静钢。钢中各元素质量分数为:w(C)=0.77%、w(Mn)=0.90%、w(Si)=0.28%。他们期望这种钢中的Al2O3夹杂尽量少。Al2O3夹杂含量多,由于滚动接触疲劳,使钢轨头部开裂(heading),这是因为Al2O3夹杂容易偏析到钢轨头部。Al2O3夹杂含量多还使中间罐滑动水口堵塞,使连浇炉数受到限制。BHPSteel的Newcastle钢厂(该厂在1999年关闭)的经验是在钢包处理时取出的最后1个试样的w([O])=(20～28)×10-6(1530℃左右),可以连浇10炉,w([O])<20×10-6时,引起水口堵塞;w([O])=(27～33)×10-6时,钢轨钢中MnO-SiO2-Al2O3三元系夹杂的w(Al2O3)=20%～30%,这种夹杂的熔点最低。加固钢al2o3BHPSteel的portkembla钢厂生产的电阻焊管线钢是Al镇静钢。该厂生产这种钢时用Ca处理钢水将固态Al2O3转化为液态C12A7,已有20多年的历史。生产的这种钢要求含S低,w(S)<0.012%,刚喷入CaSi后,w(Al)=0.02%～0.03%,w(Ca)=50×10-6。钢包处理后w(Ca)/w(Al)≧0.2时,成品管的钩形裂纹(hookcrack)最少。气调弹响应参数,钢即检查al2o3和第三cNewCastle钢厂浇注弹簧钢时钢包防护套管(ladlesbroud)堵塞严重。钢中各元素质量分数为:w(C)=0.59%,w(Mn)=0.8%,w(Si)=1.9%,w(Cr)=0.175%,w(Al)=0.025%。可见,弹簧钢是Al镇静钢,堵塞物主要由CA2(熔点1765℃)、CA(熔点1597℃)组成。为了消除堵塞,要将Al2O3转化为C12A7。弹簧钢因含Si高,所加FeSi中的Ca可能足以将Al2O3转化为C12A7。例如,若FeSi中w(Ca)=0.03%,所加FeSi带入钢中的w(Ca)=70×10-6。采用fesi中ca质量分数,wcaBHPSteel的portkembla钢厂生产w(Si)=0.5%的电工钢,有时在钢包水口下部产生堵塞。根据该厂的经验,水口是否堵塞与FeSi中Ca质量分数有关。FeSi中w(Ca)=0.4%时,水口堵塞。FeSi中w(Ca)<0.4%,w(Ca)=0.07%时,或w(Ca)>0.4%,w(Ca)=0.9%时,水口不堵塞。该厂认为,这与FeSi中Ca质量分数不同时,生成的夹杂物不同有关,如表4所示。4.3模铸铝镇静钢集料ca铝镇静钢水口堵塞大多发生在中、高碳钢。根据该厂的经验,模铸铝镇静钢水口结瘤与FeSi中Ca质量分数有关,见表5。可见,控制FeSi中w(Ca)<0.5%,即可消除水口结瘤堵塞。4.4降低钢水净度神户钢厂按Al镇静钢(w(Al)=0.02%～0.04%)来生产滚珠轴承钢,虽然可以使[O]总降低,但浇注时水口堵塞倾向大。滚珠轴承钢不宜用Ca处理钢水,因为残留在钢水中的铝酸钙对疲劳有害,所以要从多方面来提高钢水的洁净度以减少水口堵塞倾向。该厂采用强真空脱氧操作,将w([O]总)降低到4×10-6。SaarstahlAG从1995年起改按Si-Mn镇静钢(w(Al)=0.001%)来生产滚珠轴承钢,RH脱气后,w([O]总)=0.0008%～0.0015%,水口堵塞倾向小于Al镇静钢。虽然[O]总高于Al镇静钢,但宏观和显微洁净度至少与Al镇静钢相等,滚珠寿命显著高于Al镇静钢。有的用户已不对滚珠轴承钢的最低含铝量提出要求。4.5钢水有“形态”他们认为在浇注系统通入的Ar气量应使中间罐内的钢水保持“轻度沸腾”,不应保持“微弱沸腾”。“微弱沸腾”表明通入的Ar气量不足,空气漏入将钢水二次氧化,造成中间罐内钢水面静止的假象。4.6钢包钢水的长期胶扰严重损害Mansfield浇注铝镇静钢(w(Al)=0.02%～0.04%)时,中间罐水口出现堵塞。在钢包处理时,钢水的w(S)不得高于0.02%,w(Al)应当等于0.05%,不得低于0.03%。该厂中间罐水口堵塞有两种类型:一种是经常性堵塞(不堵死),另一种是灾难性堵塞(堵死)。经常性堵塞虽不能将水口堵死,但粘附物被冲下时,将使结晶器液面产生剧烈起伏,可能引起漏钢。灾难性堵塞多出现在开浇第1炉。该厂先对经常性堵塞进行了考察,得出,经常性堵塞来源于钢包处理时,钙丝喂入量过多,堵塞物由CaS和富钙铝酸钙组成。将钙丝喂入量减少后,经常性堵塞没有了,但却加剧了灾难性堵塞,堵塞物由高熔点的富铝铝酸钙组成。富铝铝酸钙来源于钢包钢水注入中间罐时、钢包开浇烧氧时或在钢包渣脱氧不完全处理钢水时,钢水中的Al被二次氧化。钢包处理时钙丝喂入量减少后,不足以将此后钢水被二次氧化生成的Al2O3转化为C12A7。为了减少灾难性堵塞,在开浇前2min从中间罐孔喂入钙并将开浇钢水从8t增加到20t以增加开浇第1炉夹杂物在中间罐内的上浮时间,这些措施显著减少了开浇第1炉被堵死。4.7减少改性剂对渗流口堵塞的影响开浇初期,浸入式水口堵塞率很高。采取控制钢包渣w(FeO+MnO)<4%,w(CaO)/w(SiO2)>1.2,w(S)≯0.012%,减少用Al作化学加热等项措施后,浸入式水口堵塞显著减少。4.8304型不锈钢避免MgO·Al2O3生成的经验304型不锈钢(w(Cr)=18%、w(Ni)=8%、w(Si)=0.5%、w(Mn)=1.2%)用AOD或VOD来生产,并只用75%FeSi和Mn来脱氧时,可能生成MgO·Al2O3。MgO·Al2O3是硬的高熔点夹杂物,这种夹杂物在304型钢带表面上产生条片缺陷,所以在生产304型钢时,应当避免生成MgO·Al2O3。MgO·Al2O3是否生成与FeSi中Ca和Al质量分数有关,见表6。5连铸机保护渣的选择结晶器保护渣是净化钢质、改善铸坯表面质量和提高铸坯VC的重要手段。保护渣的选用随铸坯形状、大小、钢钟、VC而异。5.1最佳保护渣耗量的确定韩国浦项光阳厂推荐LCAK钢板坯当VC=1～1.6m/min时,最佳液渣层厚度h=10～15mm,最佳保护渣耗量Q=0.3～0.5kg/m2。浇铸lcat-保护渣的选择MCAK钢用保护渣:为减少MCAK钢(w(C)=0.10%～0.14%)板坯纵裂,VC=1～1.2m/min时,试用结晶比高的保护渣(见表7)。为提高结晶比,应选用w(CaO)/w(SiO2)>1.2(≤1.5),w(F)>5%,w(Al2O3)<5%,w(B2O3)<2%,w(MgO)<5%的保护渣。浇铸LCAK钢采用的无F保护渣,见表8。保护渣中的w(F)大约有20%～30%溶于二冷水,污染水而且腐蚀连铸机。高碳钢用的低F保护渣见表9,由于高碳钢容易粘结漏钢,要用低TM、低η1300、耗量较高的保护渣。铝镇静钢用的发热型保护渣含碳和含FeSi。放热量高时窄面针孔指数减少。晶粒取向硅钢(w(C)=0.04%,w(Si)=3.2%)用的球形空心颗粒保护渣,见表10。奥氏体不锈钢304型用的保护渣,见表11。用此种保护渣浇注时纵向凹陷最小,振痕也最浅(<250μm)。保护渣入铸坯内弧八幡制铁所生产的马口铁表面上出现白点缺陷。他们发现,白点缺陷与所用Na系保护渣被裹入铸坯内弧(弧形铸机)有关。用F系保护渣(F3或F5见表12)取代Na系保护渣可以消除保护渣被裹入,这是因为F系保护渣在浇注过程中η1300的提高少于Na系,所以F系保护渣的初始η1300可以高于Na系。5.2低表面碳钢wc传统板坯高VC时,为了保证保护渣的耗量和有足够的液渣层厚度以减少纵裂和粘结,要求提高保护渣的熔化速度、降低η1300、降低TS(凝固温度)。Li2O、MgO、MnO都能降低粘度、降低TC(结晶温度)、降低TM和提高熔化速度。Li2O对降低粘度和软化点有显著效果。根据韩国的经验,当VC>1.8m/min,w(C)<0.08%时,最佳耗量=0.39kg/t,η1300=0.03～0.05Pa·s,TS=940～960℃。高VC(1.4～2.0m/min),中碳钢(w(C)=0.08%～0.16%)用的保护渣,见表13。可见,高VC中碳钢用的保护渣特点是TC高、η1300低,预熔比大于75%,对减少板坯纵裂的效果好。日本福山5号板坯连铸机浇注LCAK钢时,VC=2.0～2.5m/min,使用的保护渣特性见表14。VC=1.8m/min时的耗量>0.3kg/m2。5.3结晶器保护渣cNucor连铸50mm×(900～1300)mm簿板坯,w(C)<0.065的钢,VC=5.5m/min;w(C)=0.065%～0.15%的钢,因为纵裂和横裂严重,该厂在生产初期避免生产这种碳含量的钢。加拿大生产包晶钢时(w(C)=0.08%～0.11%),最高VC=3.8m/min,而生产其它钢种时,最高VC=5.5m/min。鹿岛制铁所在试验用簿板坯连铸机上(铸机长度12.8m)开发出优化的保护渣C,将包晶钢(w(C)=0.09%～0.12%),90mm×1000mm簿板坯的VC从3.0m/min提高到5.0m/min,板坯的纵裂指数为0。保护渣C的成分和性能如表15。可见,保护渣C的特点是CaO/SiO2高(CaO/SiO2高提高TC)、TS高、η1300低、热流低,不含有Al2O3、MgO,因为Al2O3和MgO都降低TC,促使玻璃相生成。从弯月面到以下10mm左右范围,坯壳厚度为0.8～1.6mm,渣膜只由结晶相(cuspidine)组成,所以传往结晶器的热流少,使坯壳厚度均匀。可见,结晶器保护渣对改善铸坯表面质量和提高VC有很大潜力,对结晶器保护渣的开发不可一劳永逸。墨西哥Hylsa钢厂的CSP簿板坯连铸机,铸坯厚度50mm,生产低碳钢和硅钢,VC=3.0～5.5m/min。开浇时用粉状发热型开浇渣,用Fe2O3将CaSi燃烧放热。浇注时用空心球形颗粒渣A和B,见表16。耗量虽低,仍能满足润滑要求,这可能是因为VC高时,结晶器内的液态润滑区距离长所致。为了改善绝热,Hylsa将固态颗粒渣层厚度增加到150～200mm,周围用保温板绝热。SteelDynamicsInc有两台薄板坯连铸机,VC=5～5.5m/min,生产的钢种有低碳钢(w(C)<0.07%)和中碳钢(w(C)=0.17%～0.25%,该厂对所用4种球形空心渣的液渣层厚度h进行了测定,结果是在浸入式水口处h大约为20mm,在窄面处h为0～4mm,与Hylsa的测定结果相近,h不敏感于VC的变化,而传统板坯的h敏感于VC的变化。5.4合成颗粒渣Georgsmarienhiitte和Fa.Stollberg对生产的碳钢小方坯(165mm×165mm)和大方坯(200mm×240mm)所用的保护渣作了详细介绍,其中大方坯的耗量高于小方坯,包晶钢的耗量又高于其它钢种。大方坯包晶钢的耗量最高(0.47kg/m2),所以大方坯要用熔化速度高、粘度低的保护渣。Atlas特殊钢厂在浇注146mm×146mm小方坯铝细晶粒低合金钢(VC=1.5～1.8m/min)时,为了得到良好的铸坯表面,选用的粉渣性能如表17。Atlas在