中高碳鋼連鑄坯緩冷技術開發(fā)及應用

張明海

摘 要：為消除鑄坯表面微裂紋缺陷，大幅提高鋼坯質量，對微裂紋產生原因進行了分析，結合鑄坯低倍檢驗結果，找出了微裂紋產生的主要原因。通過對紅熱連鑄坯切后冷卻工藝的改進優(yōu)化，使鑄坯緩慢冷卻，有效地降低了鑄坯表層溫度梯度，相變應力不再增加，減少了鑄坯表面微裂紋的產生。減少品種鋼鑄坯軋制缺陷的出現(xiàn)概率，滿足品種鋼生產的要求。

關鍵詞：連鑄坯；緩冷技術；裂紋缺陷

中圖分類號： TG335.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）29-178-2

0 引言

宣鋼煉鋼廠1#連鑄機是全國首臺12機12流方坯連鑄機，弧形半徑R9米，年設計生產能力200萬噸鋼，承擔著煉鋼廠約1/3的鋼坯生產任務，對煉鋼廠生產任務的完成起著至關重要的作用。1#連鑄機初始設計斷面為150×150mm2，后為配合中型材增上200×285mm2斷面結晶器。自投產以來，連鑄機的產能不斷提高，已遠遠超過設計能力；品種不斷增加，生產的鋼種有低合金系列、普碳系列、40#-65#鋼、37Mn5、27SiMn、Q345B、Q420B、20管坯等，鑄坯供中型軋制角鋼、槽鋼及大規(guī)格圓鋼。隨著品種的不斷開發(fā)，在生產大斷面中高碳鋼時，鑄坯表面微裂紋逐漸顯現(xiàn)，軋后裂紋廢品增多，裂紋一度成為困擾該連鑄機的主要問題。同時內部存在不同程度中心偏析，嚴重影響鑄坯質量。

1 中高碳鋼連鑄坯緩冷技術內容及思路

依據(jù)大斷面鑄坯緩冷的特殊工藝要求，認為通過對紅熱連鑄坯切后冷卻工藝的改進優(yōu)化，使鑄坯緩慢冷卻，可以有效地降低鑄坯表層溫度梯度，相變應力不再增加，能夠減少鑄坯表面微裂紋的產生。在借鑒國內外有關資料后決定在1#機坯跨增設兩個27×15×5.5m3的緩冷坑，將紅熱鑄坯吊入坑內實施緩冷，在保溫狀態(tài)下讓其緩慢地冷卻到200℃以下，以解決連鑄坯表面微裂紋及中心偏析缺陷，提高鑄坯合格率，減少品種鋼鑄坯軋制缺陷的出現(xiàn)概率，滿足品種鋼生產的要求。

2 緩冷技術設計方案

2.1 鑄坯冷卻速度的確定

1#連鑄機原鑄坯冷卻方式為自然冷卻：鑄坯切割后通過翻鋼機翻到移鋼車軌道，再由移鋼車推至步進式翻轉冷床，經天車吊至地面坯位堆垛空冷。這一方式由于采用傳統(tǒng)的空冷，受氣候環(huán)境影響很大。尤其我北方地區(qū)冬季氣溫低，多大風天氣，鑄坯暴露在空氣中，冷卻速度過快，無形中加大了鑄坯的溫度梯度，會引起表面張應力，促進已形成的裂紋擴展，或使鑄坯表面溫度處于脆性區(qū)，產生新的裂紋。有資料表明：冷卻速度應控制在200℃/m之內為宜。高溫鑄坯（一般在500℃以上）在冷卻過程發(fā)生相變，組織應力發(fā)生變化而導致鑄坯表面和內部產生裂紋。當冷卻到200-300℃時，由于產生馬氏體相變，導致體積膨脹，引起組織應力而形成鑄坯的脆性。解決這一問題的有效方法就是建造鑄坯緩冷坑，在連鑄坯出坯以后將高溫鑄坯都吊入設置的緩冷坑內，在保溫狀態(tài)下讓其緩慢地冷卻到200℃以下。

2.2 緩冷坑尺寸的確定

根據(jù)現(xiàn)場條件，在出坯南一跨、南二跨原坯位處分別挖兩個緩冷保溫坑?？紤]到鑄坯斷面為200×285mm2，最大定尺為11.95m，需設置兩個坯位，砌磚后尺寸會有所減小，緩冷坑尺寸定為：長×寬×高=27m×15m×5.5m。每個緩冷坑內可存坯兩垛，每垛27層，約5000t。

2.3 緩冷坑壁材質的確定

結合國內其他廠家緩冷坑經驗，緩冷坑整體采用鋼筋混凝土結構，內壁砌黏土磚。為了防止冬季大風直接吹到鑄坯，沿坑上口四周砌0.5m寬，1.5m高圍墻，墻棱部用角鋼包住，墻體外側用鋼坯防護。這樣既能夠保證緩冷坑的隔熱保溫，改善鑄坯冷卻效果，又可防止鑄坯裝、出緩冷坑時撞擊損壞墻體，提高緩冷坑強度和抗熱震性，延長其使用壽命。

2.4 緩冷鑄坯溫度的變化

堆冷鑄坯的溫度分布與其在堆垛中的位置有關。開始堆垛時，由于熱履歷相同。每支鑄坯的溫度分布基本相同，但在堆垛一段時間后。由于各鑄坯上下表面緊密接觸，傳熱良好，處于堆垛中間部位的鑄坯上、下表面溫度并未隨著堆垛頂部鑄坯表面和堆垛側面溫度繼續(xù)下降，而是在熱傳導的作用下溫度趨同。

堆冷開始時，堆垛的中間區(qū)域是高溫區(qū)，隨著冷卻時間延長，高溫區(qū)緩慢向下移動。由于堆垛頂部的空氣對流冷卻相對較強，冷卻速率最快的是頂部鑄坯，而中間區(qū)域和底部區(qū)域的冷卻速率較慢。堆垛頂部鑄坯冷卻速率最快，尤其是在堆冷的開始階段，24h內頂部鑄坯的上表面中心冷卻速率達到14.2℃/h，這是由于堆垛頂部的空氣對流冷卻相對較強；其次是第2層，其上表面中心冷卻速率達到13.0℃/h；中間區(qū)域和底部區(qū)域的冷卻速率較慢，且較為接近，另外堆垛開始時，堆垛中間區(qū)域的高溫區(qū)隨時間延長緩慢下移，經計算堆垛底部鑄坯上表面中心冷卻速率為8.1℃/h，中間第6層鑄坯上表面中心的冷卻速率為8.5℃/h。

由上述可知24h內堆垛鑄坯的主要冷卻速率范圍為8.1-14.2℃/h，遠小于鑄坯在空氣中自然冷卻時的冷卻速率。

3 實施效果

3.1 優(yōu)化后工藝流程

鐵水（扒渣）—130t頂?shù)讖痛缔D爐—LF精煉爐—連鑄機—二冷、拉矯、切割—翻轉冷床—緩冷坑緩冷—精整—軋制

3.2 項目實施后效果

通過對緩冷后鑄坯進行熱酸檢驗，結果鋼坯中心疏松、縮孔、各類型裂紋指數(shù)均在二級以下，達到了產品的質量要求，收到預期效果。

3.2.1 緩冷前試樣檢驗結果分析

1#連鑄機取試樣36塊，從熱酸檢驗評級結果上看：

表面裂紋評級： 37Mn5≥2級比例為100%；45#≥2級比例為66.7%；20g≥2級比例為75%；27SiMn≥2級比例為50%。

中間裂紋評級： 37Mn5≥2級比例為100%；45#≥2級比例為50%，其中≥3級比例為33.3%；20g≥2級比例為58.3%。

鑄坯評級： 0級和1級為優(yōu)質坯。

在緩冷前生產的連鑄坯評級： 37Mn5無優(yōu)質坯，45#優(yōu)質坯約為30%左右，20g優(yōu)質坯約為25%左右。

3.2.2 緩冷后試樣檢驗結果分析

1#連鑄機試取試樣29塊，如果只考慮表面裂紋評級，37Mn5優(yōu)質坯約為75%左右（其余25%為2級），45#優(yōu)質坯為100%（37Mn5和45#取樣數(shù)較多，數(shù)據(jù)的數(shù)量符合統(tǒng)計規(guī)律要求）。

3.2.3 實施緩冷后對鑄坯偏析及軋材組織的影響

通過對試驗鑄坯橫斷面的低倍硫印檢驗和沿鑄坯厚度方向上的化學分析以及對軋后鋼材的斷面組織觀察，發(fā)現(xiàn)軋前堆垛緩冷處理減輕了鑄坯中心碳偏析和軋后鋼材帶狀組織。堆垛緩冷48 h的鑄坯中心偏析級別由C類2.0下降到C類1.5；堆垛緩冷36 h的鑄坯軋后鋼材與堆垛緩冷24 h的試樣相比，其斷面帶狀組織明顯減輕，且沒有明顯連續(xù)的珠光體帶狀組織。

4 與當前國內外同類技術主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較

國內關于緩冷技術主要應用在鋼材生產中，軋材在軋后入緩冷坑中，緩冷24-48小時，以進一步釋放軋材中的氫和應力，使鋼材性能均勻穩(wěn)定。鑄坯緩冷多見于板坯，在軋制前將高溫鑄坯吊進緩冷坑中，對鑄坯堆垛緩冷，利用鑄坯高溫緩慢冷卻，釋放鑄坯的殘余應力，可減輕鑄坯中心碳偏析和軋后鋼板帶狀組織。本項目投資小，見效快，技術成熟，運行穩(wěn)定。通過對大斷面鑄坯入緩冷坑實施緩冷工藝，有效解決了中高碳鋼鑄坯冷卻中控制難點，降低了鑄坯表面和內部缺陷，極大地提高了鑄坯質量，達到了國內領先水平。

5 應用情況

本項目投入應用以后，取得了良好效果，連鑄坯質量有明顯提高，減少了品種鋼鑄坯軋制缺陷的出現(xiàn)概率，滿足了品種鋼生產的要求。新建150噸轉爐煉鋼工程中大方坯連鑄機坯跨設計中也參照此方案增設了14個緩冷坯位。煉鋼廠后續(xù)的品種鋼開發(fā)冶煉中，有條件的情況下均應用該項目的相關技術，該項目技術成熟，運行穩(wěn)定，投資小，見效快，推廣前景廣闊。

鑄坯經過緩冷，有效地降低鑄坯表層溫度梯度，相變應力不再增加，200×285mm2大斷面鑄坯質量顯著提高，減少了鑄坯裂紋及中心偏析缺陷，滿足了型材軋制品種的要求。中高碳鋼連鑄坯缺陷坯比例由優(yōu)化前的2.3%降低到0.3%以下。