包钢时速350公里高速轨用钢连铸坯质量控制的关键技术

包钢350km/h高速轨用钢

连铸坯质量控制的关键技术

报告人：张家泉jqzhang@北京科技大学王国新张家泉等包头钢铁集团王玉昌赵殿清等

品种钢连铸坯质量控制技术研讨会2008年9月24-26日本溪提纲1引言

2结晶器非正弦振动技术

3结晶器电磁搅拌技术

4连铸动态二冷配水技术

5连铸动态轻压下技术6重轨性能分析7结论

1前言近年来随着国民经济的持续增长和社会发展的需求，我国铁路相继进行了六次大的提速。京津、京沪等设计时速350公里的高标准高速铁路客运专线已开始投入建设或运营。铁路的高速、重载化成为我国铁路运输未来发展的主要方向。京津时速350公里城际列车作为铁路主要构件的钢轨，其质量的优劣直接关系到铁路运输的安全与效率。铁路运输的高速、重载化对钢轨的质量提出更高的要求，包括以下技术指标：①钢质洁净、表面无缺陷；②高强度(超高强度)和抗磨耗性能，以达到钢轨具有较高的承载能力和较长的使用寿命；③高韧塑性和抗疲劳伤损的安全可靠性，以达到钢轨具有较高的抗冲击性能，防止轨头内侧剥离及由此可能引起的横向断裂；④较强的抗不均匀磨耗性能和钢轨全长范围内硬度的均匀性，避免引起波纹或波浪磨耗；⑤低的轨底残余拉应力、优良的焊接性能；⑥严格的尺寸公差及轨面平顺性等。以上要求需要钢轨铸坯具有良好的表面质量和内部质量！因此系统研究高速、重载钢轨用钢的连铸生产质量控制技术，稳定生产高质量的铸坯，成为生产优质重轨的关键。2006月11月包钢投产一台全套国产的六机六流大方坯连铸机（断面280×380），该铸机主要生产重轨钢U71Mn、U75V等钢种，为高速、重载钢轨提供精品坯料(定尺100米，60kg/m规格)。

针对重轨钢大方坯连铸生产时容易出现的的中心偏析、中心疏松、中心缩孔等严重缺陷，包钢在北京科技大学和中冶东方等支持下，完全依靠国内先进技术和设备，通过自行设计与自主创新，为该大方坯铸机配备了提高重轨钢铸坯表面和内部质量的成套工艺技术，包括：①数字电动伺服结晶器非正弦振动技术；②内水冷式结晶器电磁搅拌技术；③连铸动态二冷配水技术；④凝固末端动态轻压下技术。这些技术的成功应用，为包钢生产时速350km高速钢轨提供优质铸坯奠定了良好基础，其中重轨钢生产中成功应用动态轻压下技术标志着包钢高速重轨钢连铸生产工艺取得新的突破。2结晶器非正弦振动技术

针对高速重轨钢对铸坯表面质量的严格要求与传统的结晶器振动工艺的缺陷，包钢大方坯铸机采用了结晶器非正弦振动技术。

连铸结晶器非正弦振动工艺的优势主要包括:①正滑动时间长，可以增加保护渣的耗量，增强结晶器壁与坯壳间的润滑；②负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度;③正滑动速度差小，可以减小摩擦力，减小坯壳中的拉应力，减少拉裂；④负滑动量大，即结晶器相对于铸坯向下运动的位移量大，有利于铸坯的强制脱模与撕裂坯壳焊合。包钢大方坯铸机结晶器非正弦振动系统采用大功率数字伺服电动缸直接推动振动框架和结晶器，实现非正弦振动。振动装置分为三大块：振动台架及底座、驱动装置和缓冲装置，装置结构如下图：该结晶器非正弦振动系统能够按照工艺要求对优化函数各个变量取值，结合拉速精确地控制结晶器上下振动，使振动波形保持精确的频率、振幅、负滑脱时间、正滑脱时间、及波形偏斜率等，得到满足工艺要求的结晶器振动轨迹。包钢炼钢厂的技术人员专门针对重轨钢U71Mn、U75V等高碳钢系列产品的特点在大方坯连铸机上进行了结晶器非正弦振动的拉坯试验，优化振动参数，目前振动参数为：振幅±2.5mm，非正弦偏斜率20%。

试验结果表明，包钢大方坯铸机采用结晶器非正弦振动技术后，铸坯表面振痕深度明显减小，振痕间距得以改善，铸坯振痕深度≤0.5mm，振痕宽度≤7.2mm。右图的实验统计结果显示，与包钢原未采用结晶器非正弦振动技术的大方坯铸机相比，振痕深度减轻约20%，铸坯表面质量明显改善。

3结晶器电磁搅拌技术

重轨钢连铸时容易出现中心偏析、中心疏松、中心缩孔等缺陷，严重影响铸坯的内部质量，结晶器电磁搅拌是辅助解决这些缺陷有效的技术之一。

结晶器电磁搅拌技术通过改变钢液凝固过程中的流动、传热和溶质的分布，进而影响连铸坯的凝固组织；即加强液芯内钢水的对流运动，耗散均匀化钢液过热度；也折断树枝晶、促进非金属夹杂物和气泡的上浮，促进等轴晶的形成，从而减少中心偏析、中心疏松和缩孔。包钢大方坯铸机结晶器电磁搅拌采用外置式空心铜管内冷线圈，铁心高度大于310mm，基本工艺参数：电流580A、频率1.8Hz。搅拌区域为结晶器部分，不含足辊，采用变频供电，低频运行，经上线运行正常，冷却循环水、电压满足要求，达到了预期目的与效果。

包钢针对重轨钢U71Mn、U75V等高碳钢系列产品进行了电磁搅拌调试实验，通过对比不同的电磁搅拌工艺制度下铸坯的内部质量，确定重轨钢连铸结晶器电磁搅拌的最佳工艺制度。在调试实验中，对采用不同电流强度的电磁搅拌工艺生产的铸坯做横剖切片，切片通过热酸处理后统计不同工艺下的等轴晶率、中心疏松与中心偏析。

从上面的统计结果可以看出，当电流从300A增至580A，铸坯的凝固组织得到明显改善，铸坯中心区等轴晶率由21.5%增至38.4%，铸坯的中心疏松和中心缩孔等缺陷降低，中心疏松全部控制在1.5级以下，中心疏松评级低于1.0级别的比例由35.6%增至89.4%，铸坯的中心偏析减轻，全部控制在1.5级以下，同时铸坯的中心疏松评级≤1.0级别的比例由68.4%增至97.1%，铸坯内部质量明显提高。4连铸动态二冷配水技术

连铸二次冷却直接关系到铸坯的产量和质量，是连铸生产中的关键技术之一。研究表明连铸坯内部裂纹、表面裂纹、鼓肚、菱变(脱方)、中心偏析等缺陷的形成和发展都与二次冷却有紧密的联系，因此优化和控制二次冷却十分重要。基于对传统的二冷控制技术在拉速急剧变化时会引起铸坯表面温度大幅度回升和滞后变化、容易导致铸坯热裂纹的产生等缺陷的认识，包钢大方坯连铸机配备了由北京科技大学开发的动态二冷配水控制系统。

动态二冷配水控制系统通过建立铸坯的凝固传热数学模型，并结合现场试验设定传热模型参数，能够在线准确跟踪铸坯凝固温度场。该系统针对U71Mn、U75V重轨钢连铸时容易出现的中心偏析、中心疏松、中心缩孔等严重缺陷的现象，结合重轨钢的高温力学性能与铸机辊列布置特点，并根据连铸二冷区铸坯表面温度的实测结果，制定了合理的重轨钢连铸目标表面温度冷却曲线。动态二冷配水控制系统结构如下图所示：如上图所示，动态二冷配水控制系统根据实际浇注条件实时地跟踪铸坯温度场，依据目标冷却曲线控制原理动态地设定各二冷区水量，对铸坯表面温度进行在线控制，保证铸坯表面温度不会由于浇注条件的改变而出现较大的波动，实现对铸坯温度场的优化。包钢针对重轨钢进行了连铸动态二冷配水控制系统的冶金效果实验，实验统计结果如下图：如上图所示，通对采用和未采用动态二冷配水控制技术的铸坯的中心偏析、中心疏松、以及中心缩孔等质量缺陷进行了统计分析，结果表明，重轨钢连铸采用的动态二冷配水控制技术后，铸坯中心偏析评级≤1.0级的比例由39.2%增至94.6%，中心疏松评级≤1.0级由26.3%增至82.3%，中心缩孔≤0.5级的比例由88.2%增至93.9%，等轴晶率由平均23.2%增至34.3%，动态二冷配水控制系统对铸坯质量的改善效果明显。

5连铸动态轻压下技术

连铸动态轻压下技术被认为是改善铸坯中心偏析、提高铸坯质量的最佳方法。该技术的基本原理就是动态跟踪连铸坯凝固末端位置并对铸坯实施一定合适的压下量，以补偿或抵消铸坯凝固收缩量，抑止凝固收缩引起的富含偏析元素的残余钢液向铸坯中心流动，从而达到改善铸坯中心偏析和中心疏松的目的。包钢大方坯连铸机配备了由北京科技大学开发的动态轻压下控制系统。该系统依据铸机的特点，结合钢种的凝固特性，能够实时地接受拉速、浇注温度、结晶器温差、二冷各区水量等生产过程数据，在线计算铸坯凝固过程温度场，动态跟踪铸坯的凝固终点位置，合理地实施轻压下控制。此外，该系统还基于对重轨钢的凝固特性与其高温力学性能研究，重点针对重轨钢连铸时容易出现的中心偏析、中心疏松、中心缩孔等严重缺陷的现象，并结合重轨钢射钉实验，建立了动态压下工艺参数数据库。数据库能够为动态轻压下控制系统提供最佳压下范围、最大压下量和最大压下率等工艺参数，以保证系统在进行合理的动态轻压下控制的同时又不会产生负面作用，实现改善铸坯质量的目的。

动态轻压下控制系统结构如下图所示：包钢大方坯连铸机采用的动态轻压下控制系统为铸机的每流配备了5架具有轻压下功能的拉矫机架，如下图：机架距结晶器弯月面距离在16.492m-22.937m内分布，压下范围达6.445m。在实施轻压下的过程中，铸坯与机架的压下辊都要承受相应的应力和变形，为使压下辊满足轻压下工艺的要求同时保证铸坯良好的表面质量与压下辊较长的使用寿命，辊子表面堆焊材质选择42CrMo。

包钢针对U71Mn、U75V等代表性钢种进行了多次动态轻压下冶金效果热负荷试验，从热调试阶段的单流多炉发展到正常生产后的全流整个浇次应用动态轻压下技术，同时结合射钉实验，在应用中不断优化轻压下工艺参数，最终确定重轨钢连铸动态轻压下最佳工艺参数。其中最佳压下范围0.4<fs<0.9，总压下量为2～7.5mm，拉矫机装备压下率≤1.5mm/m。在热负荷实验中，对采用不同工艺生产的铸坯做切片，对切片做低倍与成分分析，分析轻压下工艺下对铸坯中心疏松、成分均匀性、中心偏析等内部质量所起到的作用。

由右图的统计结果可见，应用动态轻压下技术后，铸坯中心疏松减轻，致密度增加，消除了较严重的2.0级疏松，1.0级疏松比例则由12%增至56%，0.5级疏松比例则由14%增至25%。对铸坯的横剖切片做[C]含量成分分析，分别绘制出了沿铸坯横剖断面宽度/厚度方向1/2中心线上的[C]偏析分布图。由上图铸坯横剖断面的[C]偏析分布曲线可见，应用动态轻压下技术后，铸坯横断面的[C]偏析均匀性和程度（偏析指数）均得到明显改善，中心[C]偏析指数波动范围变窄。

对铸坯的纵剖切片做[C]含量成分分析，绘制出了沿铸坯纵剖断面厚度方向1/2中心线上的[C]偏析分布图。

由上图铸坯的纵剖断面的[C]偏析分析来看，未应用动态轻压下的铸坯中心偏析指数波动为（0.93～1.14），而应用动态轻压下技术的铸坯样的[Ｃ]成份的波动趋缓，中心[C]偏析指数波动范围变窄（0.92～1.08）。因此，重轨钢大方坯采用动态轻压下工艺后，有效抑制了铸坯中心偏析缺陷的发生，铸坯质量得到明显提高。

6重轨性能分析

截止到2007年11月20日，包钢大方坯铸机生产重轨钢85炉，轧成7500t重轨，统计分析表明，与包钢原大方坯铸机(DEMAG设计)生产的重轨钢铸坯相比，轧制挑出率降低3‰。

对重轨取样做热酸低倍分析，如下图a，可以看出断面没有明显疏松，钢轨晶粒更加细小，基本消除了原先集中于轨腰的中心偏析。

按上图b所示在轨样的横断面上钻取钢屑样，根据化学检测法检测出的轨样C含量分布，结果表明重轨成分分布更加均匀，轨样偏析指数在0.96～1.03内波动，偏析缺陷明显减轻。包钢技术中心对重轨取样进行力学性能测试，结果表明，包钢大方坯铸机生产的重轨钢重轨力学性能优异，强韧性好，U71Mn重轨抗拉强度Rm=945～975MPa(平均960MPa)，断面收缩小率A=12%～16%(平均14%)，达到了时速350km高速轨的技术要求。

7结论

包钢大方