鞍钢中薄板坯连铸关键技术研究与应用

潘统领 ，高立超 ，杜林 ，满锐 ，宋宇

（1.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

鞍钢股份有限公司炼钢总厂（以下简称“炼钢总厂”）中薄板铸机最初设计以生产低碳钢和普碳钢为主，为了满足市场需求，逐步加大对高附加值和高质量产品的研发投入。大部分汽车钢属超低碳含铝钢，需大量的铝合金进行脱氧，而中薄板铸机属高拉速铸机，当脱氧产物三氧化二铝不能及时从钢水中排除时，将恶化钢水的洁净度，在冷轧板卷表面产生线状缺陷。由于中薄板铸机断面较窄，通常使用扁平浸入式水口，浇注过程中极易发生水口堵塞。高拉速铸机的二冷强度高，在生产中碳钢时易在铸坯角部出现横裂纹，被迫下线清角。据此，炼钢总厂开展了研究。

1 铸坯火焰清理关键技术

1.1 铸坯最佳清理量

对于表面质量要求较高的汽车钢板、家电用钢板等，如果铸坯表面有小的瑕疵，轧制成材后将扩大成几米的缺陷，因此必须对板坯进行表面清理，以去除表面缺陷，提高终端产品的质量。取三块浇次头罐的超低碳IF钢连铸坯，其中1号铸坯为浇次头罐的第二块铸坯，2号为稳态铸坯，3号为浇次头罐与第二罐的界面坯。利用自动磨样机、金相显微镜和扫描电镜对板坯厚度方向表层（5 mm以内）区域每隔1 mm进行夹杂物数量、密度和最大尺寸的测定。每块铸坯观察168个面、1 680个视场，单次检测面积达到17 052 mm。不同清理量下表层最大夹杂物尺寸的变化情况见图1。从图1中可以看出，如果临界夹杂尺寸为100 μm，则1号铸坯需要清理3 mm就能满足要求，2号和3号铸坯需要清理2 mm就能满足要求。

图1 不同清理量下表层最大夹杂物尺寸的变化Fig.1 Changes of Sizes of Maximum Inclusions in Surface Layer under Different Scarfing Amount

1.2 零漏清控制技术

漏清是指板坯在清理过程中出现熔池中断，表面出现未清理的现象，图2所示为漏清坯实貌。

图2 漏清坯实貌Fig.2 Appearances of Casting Blanks without Scarfing

漏清坯需要人工进行下线补清，增加了清理成本和产品质量风险。清理初期观察预热火焰，保证为淡蓝色，否则对丙烷管路杂质进行外排。预热时观察各烧嘴预热时间，如果超过5 s间隔则要先观察板型是否切斜，通过手动调整预热位置进行均匀预热，否则会造成漏清。清理过程中观察清理速度是否适中，如果速度过快会造成清理熔池拉断产生漏清，此时要将辊道降速至1 m/min。目前火焰清理机漏清率控制在0.3%以下。

2 上水口氩气控制技术

为了防止水口絮流，通常上水口氩气流量相对较大，利用吹氩的机械作用减少沉积物造成的堵塞。但是生产实践中发现，吹氩量过大会造成卷渣并在铸坯中产生针孔缺陷。在保证浇注效果（换一只水口保证不絮流断浇）的前提下，减少掉棒及液位波动，从而减少铸坯中氧化铝及卷渣夹杂。采用渐进法逐渐降低中间包上水口氩气流量，使其从原来的10 L/min降至8 L/min，观察到浇注状态没有明显变化，因此将开浇时水口氩气流量降至6 L/min，跟踪一段时间后，浇注效果较好。图3为改进前后浇铸过程中塞棒开度的变化情况。改进前，塞棒开度曲线有多次瞬间下降，说明水口、塞棒头部有夹杂物脱落现象；改进后，塞棒开度曲线平缓，说明浇注效果较好。工艺改进前后各12个月的轧后缺陷率对比见图4，由图4看出，改进后的轧后缺陷率大幅下降。计算得出轧后缺陷率下降了40%。

图3 改进前后浇铸过程中塞棒开度的变化情况Fig.3 Changes of Opening Degree of Stopper Rod during Casting before and after Improvement

图4 改进前后轧后缺陷率的对比Fig.4 Comparison of Defect Rates of Rolled Steel before and after Improvment

3 浸入式水口优化技术

3.1 扩大浸入式水口内径

浸入式水口与结晶器铜板之间的距离很小，容易造成坯壳与水口粘连，水口严重损坏的话会导致漏钢。受断面厚度的影响，中薄板钢生产普遍采用扁平式水口，该水口内径小，生产含铝钢易堵塞，严重时导致浇铸中断。所以，炼钢总厂研究开发并使用了汽车钢专用浸入式水口，水口内径在铸坯厚度方向扩大了20 mm。采用该浸入式水口后，水口堵塞问题减少90%。

3.2 开发两孔浸入式水口

炼钢总厂生产汽车钢断面为1 030～2 000 mm，跨度较大。原三孔浸入式水口在生产1 800 mm以上断面时，窄面液面不活跃，边部熔融层薄，结晶器内流场不能形成双回流，化渣效果差，保护渣熔化不好，固体渣很容易卷入钢水，形成皮下夹杂。所以，针对汽车钢1 800 mm以上断面，开发了两孔浸入式水口，水口倾角由20°改为15°。利用钉板实验对结晶器流场进行研究，钉板见图5。

图5 钉板Fig.5 Nail Board

实验方案为：采用1 830 mm宽断面，拉速为1.3 m/min，氩气流量为6 L/min，水口浸入液面深度130 mm。将钉板水平插入结晶器钢水液面，测点位置1距水口中心260 mm，各点之间距离90 mm，取出钉板测量各铝丝长度、钢丝挂钢斜坡低点和高点距钉板距离。

结晶器内流场数据见表1，由表1看出，结晶器内钢丝流场方向基本一致，流向3点方向，可以确定流场形成双回流。

表1 结晶器内流场数据Table 1 Flow Field Data in Mould

4 倒角结晶器技术

700～900℃，钢存在第三脆性区间,钢的韧性明显降低，降低的程度与钢的化学成分有关。在奥氏体低温区域，含铌、钒、钛的微合金化钢和铝脱氧钢铸坯中氮化物、碳化物的析出显著降低钢的延塑性。若对铸坯在这一脆性温度区域进行矫直，矫直应力会造成铸坯角横裂频繁发生。裂纹敏感性高的中碳钢易发生角部横裂纹。国内外对此的解决措施有优化连铸二冷配水、控制钢水氮含量、微钛合金化处理含铌钢、调整结晶器保护渣性能、采用结晶器非正弦波振动及提高连铸设备安装精度等,但是这些方法实际效果并不明显。为解决这一问题，炼钢总厂采用了倒角结晶器技术。倒角结晶器铜板横截面见图6所示。

图6 倒角结晶器铜板横截面Fig.6 Cross Section of Copper Plate in Chamfered Mould

根据水缝面积调整水量，调整后水缝流速与原直角窄板水流速相当。倒角结晶器锥度比直板结晶器锥度有所增加,下锥度系数为1.10%～1.35%，不同钢种、不同断面铸坯对应的倒角结晶器窄面铜板附加锥度略有不同。生产过程中对铸机3～6段铸坯倒角处进行测温,温度稳定在950～1 014℃。倒角结晶器铸坯角部温度比普通结晶器的高约100℃，高于钢的高温脆性区,消除了铸坯角部拉应力和应变集中,铸坯角部质量良好,角部横裂纹发生率降低95%，实现了热装热送。

5 结论

（1）鞍钢股份有限公司炼钢总厂针对汽车板钢夹杂缺陷和铸机絮流堵塞问题，采取了铸坯火焰清理技术和上水口、浸入式水口优化技术，浇次头罐第二块铸坯需要清理3 mm能够满足要求，稳态铸坯和浇次头罐与第二罐的界面坯需要清理2 mm能够满足要求；逐渐降低中间包上水口氩气流量降至6 L/min，可以保证浇注效果；铸坯轧后缺陷率下降40%。

（2）针对中碳钢铸坯角部横裂纹问题采用了倒角结晶器技术。可以提高铸坯角部温度100℃以上，消除了铸坯角部拉应力和应变集中，角部横裂纹发生率降低95%，实现了热装热送。