鈮微合金化小方坯生產(chǎn)工藝優(yōu)化與實(shí)踐

王 鍵，任科社，郭 達(dá)

（山鋼股份萊蕪分公司 煉鋼廠，山東 萊蕪271104）

1 前言

微合金化技術(shù)是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋的首選技術(shù)，GB/T 1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼》執(zhí)行以來，穿水軋制逐漸消失，加之國內(nèi)市場(chǎng)釩氮合金價(jià)格異常波動(dòng)，對(duì)熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)工藝、合金成本造成較大影響，而鈮鐵合金供應(yīng)、價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，越來越受到鋼鐵企業(yè)的青睞。

國內(nèi)外對(duì)于鈮微合金化在板坯、矩形坯中的應(yīng)用研究比較深入，相對(duì)在小方坯中的應(yīng)用研究較少。山鋼股份萊蕪分公司（以下簡(jiǎn)稱萊鋼）煉鋼廠小方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)釩微合金化HRB400熱軋帶肋鋼筋鑄坯質(zhì)量較為穩(wěn)定，但普遍存在鑄坯脫方、角裂質(zhì)量問題，不能滿足軋鋼工序軋制需要。

2 生產(chǎn)條件及質(zhì)量控制特點(diǎn)

2.1 連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)型為全弧形小方坯連鑄機(jī)；鑄機(jī)流數(shù)為4機(jī)4流；鑄坯斷面160 mm×160 mm；弧型半徑8 m；中間包滿包容量22 t；全水冷卻；5輥3驅(qū)動(dòng)拉矯機(jī)。

2.2 工藝流程

50 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬→連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)→中間包→結(jié)晶器→二次冷卻區(qū)→拉矯機(jī)→火焰切割→冷床。

2.3 化學(xué)成分

鈮微合金HRB400鋼種化學(xué)成分國標(biāo)及設(shè)計(jì)要求如表1所示。

2.4 質(zhì)量控制現(xiàn)狀

受連鑄機(jī)工藝裝備條件限制，質(zhì)量控制技術(shù)水平不高，萊鋼鈮微合金化HRB400鋼種小方坯普遍存在鑄坯脫方、內(nèi)裂質(zhì)量問題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤、檢測(cè)情況來看，鑄坯脫方量不穩(wěn)定、波動(dòng)大，一般控制在6～25 mm。對(duì)脫方鑄坯進(jìn)行低倍檢測(cè)，存在較為嚴(yán)重的角裂質(zhì)量缺陷，易導(dǎo)致軋制咬入困難、堆鋼、劈頭等問題，影響軋制正常生產(chǎn)順行及軋材性能，不能完全滿足軋鋼工序?qū)﹁T坯質(zhì)量的要求。

表1 鈮微合金化HRB400鋼種化學(xué)成分 %

2.5 鈮微合金化的強(qiáng)化作用［1-2］

Nb是強(qiáng)碳、氮化物形成元素，在鋼中極易形成穩(wěn)定難溶的微小彌散質(zhì)點(diǎn)NbCN。在凝固過程中，隨著溫度的降低，不斷析出極為細(xì)小的NbCN，對(duì)鋼有強(qiáng)烈的沉淀強(qiáng)化作用；另外，析出的NbCN釘扎在晶界、亞晶界、位錯(cuò)線等晶體缺陷處，延遲了奧氏體再結(jié)晶開始時(shí)間和防止二次晶粒長大，細(xì)化了奧氏體晶粒、鐵素體晶粒，從而對(duì)鋼產(chǎn)生強(qiáng)韌化作用。

2.6 鈮微合金化方坯脫方成因

鈮微合金化鑄坯在冷卻過程中，沿奧氏體晶界析出NbCN化合物，在晶界或析出物的三叉交點(diǎn)并形成顯微空洞，微空洞在應(yīng)力作用條件下在析出物周圍產(chǎn)生孔洞［3］，孔洞通過變形機(jī)理或空位擴(kuò)散機(jī)理聚合長大，形成晶界裂紋，使鋼的塑性變差。鑄坯在凝固過程中受到不均勻冷卻、鋼水的不均勻沖刷作用時(shí)，致使坯殼不均勻收縮，厚坯殼收縮量大，薄坯殼收縮量小，在冷卻強(qiáng)度大的角部或2個(gè)面之間形成銳角，在冷卻強(qiáng)度小的角部或2個(gè)面之間形成鈍角，造成鑄坯凝固脫方。

3 原因分析

3.1 結(jié)晶器水縫

結(jié)晶器冷卻不均勻是鑄坯脫方形成的根源，結(jié)晶器冷卻水與結(jié)晶器壁的對(duì)流傳熱系數(shù)與冷卻水的流速和結(jié)晶器水縫寬度有顯著關(guān)系。水縫寬度對(duì)水的流速有重要影響，水縫寬度不等時(shí)冷卻水流速不同，當(dāng)結(jié)晶器各面的水縫寬度值相差較大時(shí)，結(jié)晶器各面的對(duì)流傳熱系數(shù)將出現(xiàn)較大差距，導(dǎo)致結(jié)晶器冷卻不均。

萊鋼小方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅管采用一次沖壓成形工藝，銅管外形尺寸精度不高；結(jié)晶器水套采用擠壓、拼裝、焊接的生產(chǎn)工藝，加工精度低，壁厚8 mm，偏薄，長時(shí)間使用后水套易變形，導(dǎo)致結(jié)晶器水縫調(diào)整困難。小方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器水縫寬度設(shè)定在3.3～3.7 mm，對(duì)離線維修結(jié)晶器水縫寬度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)晶器水縫寬度精度控制較差，4個(gè)面水縫寬度偏差波動(dòng)較大（見表2），致使結(jié)晶器內(nèi)鑄坯冷卻不均勻。

表2 結(jié)晶器各面水縫寬度 mm

3.2 結(jié)晶器銅管倒錐度

結(jié)晶器銅管倒錐度與坯殼收縮相適應(yīng)，有利于延遲氣隙的形成、減少氣隙的寬度，從而有利于增加熱流、改善傳熱。結(jié)晶器銅管倒錐度過大，銅管倒錐度的收縮＞鑄坯的收縮，結(jié)晶器壁與坯殼間的氣隙變小、摩擦力增大，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)鑄坯拉斷生產(chǎn)事故，長時(shí)間使用后銅管鍍層磨損快、不均勻，銅管與坯殼間氣隙不均勻，影響結(jié)晶器內(nèi)坯殼冷卻的均勻性；結(jié)晶器銅管倒錐度過小，銅管倒錐度＜鑄坯的收縮，結(jié)晶器壁與鑄坯間的氣隙變大、傳熱效果降低，致使坯殼變薄出結(jié)晶器漏鋼，且結(jié)晶器壁與坯殼間的氣隙不均勻，導(dǎo)致坯殼冷卻不均。

結(jié)晶器銅管倒錐度的確定與澆注鋼種、拉速、連鑄機(jī)工況等有關(guān)，萊鋼小方坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅管倒錐度設(shè)定在0.70%/m～1.00%/m。對(duì)新結(jié)晶器銅管倒錐度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)晶器銅管倒錐度控制范圍較大，且內(nèi)外弧與側(cè)弧倒錐度相差大（見表3），導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)鑄坯冷卻不均勻。

表3 結(jié)晶器銅管倒錐度 %/m

3.3 二次冷卻配水

鑄坯出結(jié)晶器后進(jìn)入二次冷卻區(qū)，二次冷卻不均勻，加劇了鑄坯的脫方。萊鋼小方坯連鑄機(jī)采用Q=A×V+B的一元一次方程進(jìn)行配水確定各冷卻段的水量（式中，Q為噴水流量，V為拉速，A、B為各鋼種各段對(duì)應(yīng)的常數(shù)），二次冷卻配水模型見表4，二冷段分為足輥、一段、二段、三段，采用全水冷卻。

萊鋼小方坯連鑄機(jī)二次冷卻配水主要存在的不足：1）拉速0.6 m/min以下無二次冷卻水，缺少開澆、熱換起步時(shí)二次冷卻水保護(hù)；2）低拉速時(shí)，二次冷卻強(qiáng)度偏低，鑄坯表面溫度高；3）各段二次冷卻水量分配比保持30%、40%、15%、15%不變，拉速與各段水量分配比例不能很好的適應(yīng)，高拉速時(shí)一段水量大、二段水量小，鑄坯回?zé)崦黠@。

表4 二次冷卻配水模型

3.4 過熱度和拉速

過熱度大、拉速高使結(jié)晶器內(nèi)坯殼減薄，坯殼的強(qiáng)度下降、抗變形能力變差，初生坯殼不均勻程度加劇，易導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)初生坯凝固不均勻脫方。萊鋼小方坯連鑄機(jī)過熱度在25℃、拉速在2.4 m/min以上時(shí)，鑄坯脫方幾率明顯增加。

3.5 中間包鋼水注流

中間包水口不對(duì)中、中間包包底變形、滑塊鋯芯不正時(shí)鋼水注流不對(duì)中，鋼水注流對(duì)結(jié)晶器初生坯殼不均勻沖刷，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)坯殼不均勻。萊鋼小方坯連鑄機(jī)中間包鋼水注流對(duì)中精度要求控制在±20 mm，實(shí)際生產(chǎn)中中間包鋼水注流對(duì)中精度要求控制在±40 mm，鋼水注流對(duì)中精度差。

3.6 噴淋集管

二冷段噴淋集管對(duì)中精度差、變形，二冷段鑄坯4個(gè)面噴水覆蓋面不均勻，噴嘴至鑄坯距離偏差大，鑄坯冷卻不均勻，局部鑄坯冷卻強(qiáng)度大。萊鋼小方坯連鑄機(jī)二冷段噴淋管管壁2.5 mm，偏薄，在高溫情況下易發(fā)生變形，導(dǎo)致噴淋集管調(diào)整困難、對(duì)中精度不高。

4 預(yù)防與改進(jìn)措施

4.1 提高結(jié)晶器水縫控制精度

采用高精度結(jié)晶器銅管、水套（見圖1），高精度結(jié)晶器銅管采用二次精加工工藝，一次沖壓后再進(jìn)行數(shù)控機(jī)床二次精加工成形，結(jié)晶器銅管外形尺寸精度高。高精度結(jié)晶器水套采用精加工、組合工藝，將不銹鋼鋼板根據(jù)加工尺寸采用特殊工藝焊接成形后，經(jīng)過多次熱處理和自然時(shí)效相結(jié)合去除應(yīng)力，數(shù)控機(jī)床精加工成形。成形后2塊水套使用螺栓組合成水套，水套壁厚15 mm，水套尺寸精度高、抗變形能力強(qiáng)。高精度結(jié)晶器水縫采用帶筋條高精度水套進(jìn)行控制，水套上下口內(nèi)壁均勻布置8根筋條，通過筋條與銅管的高精度配合，實(shí)現(xiàn)高精度水縫控制，避免了人工調(diào)整水縫，結(jié)晶器水縫精度控制在±0.2 mm以內(nèi)。

圖1 結(jié)晶器高精度水套、銅管裝配

4.2 強(qiáng)化結(jié)晶器銅管倒錐度控制

4.2.1 收窄結(jié)晶器銅管倒錐度

根據(jù)實(shí)際使用效果及倒錐度控制情況，收窄結(jié)晶器銅管倒錐度控制范圍，小方坯連鑄機(jī)新結(jié)晶器銅管倒錐度按照目標(biāo)0.75%/m～0.90%/m進(jìn)行控制。

4.2.2 加強(qiáng)結(jié)晶器銅管的裝配前檢查

新、離線檢查結(jié)晶器銅管必須使用倒錐度測(cè)量儀進(jìn)行倒錐度測(cè)量，倒錐度＞0.95%/m、＜0.70%/m的不得上線使用，銅管內(nèi)外弧與側(cè)弧倒錐度偏差＞0.15%/m的不得上線使用。

4.3 優(yōu)化二次冷卻配水

對(duì)二冷配水參數(shù)初步優(yōu)化方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探討和研究，對(duì)二冷配水模型中A、B常數(shù)進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果見表5。優(yōu)化后二次冷卻配水模型與原模型相比：1）新增拉速0.6 m/min以下二次冷卻水量，足輥、一段分別保持48 L/min、42 L/min最小水量，二段、三段水量為零，保證熱換、開澆的順行；2）增加低拉速0.6～1.8 m/min時(shí)二次冷卻強(qiáng)度，拉速0.6 m/min時(shí)比水量由0.51 L/kg提高至1.0 L/kg，其他拉速均有不同程度提高；3）各段水量分配比例隨拉速的變化而變化，低拉速0.6～1.8 m/min時(shí)，為避免出結(jié)晶器鑄坯回?zé)?，增加了足輥水量分配比例，為防止鑄坯過冷，降低了一段、三段水量分配比例；高拉速1.8～3.0 m/min時(shí)，為保證足夠的二次冷卻強(qiáng)度、減少二段回?zé)?，降低了足輥、一段水量分配比例，增加了二段水量分配比例?/p>

表5 優(yōu)化后二次冷卻配水模型

4.4 降低鋼水過熱度

鈮微合金化HRB400鋼種中間包溫度設(shè)定在1 515～1 530℃，生產(chǎn)中盡量按照中下限進(jìn)行控制，降低中間包鋼水過熱度。中間包溫度＞1 530℃時(shí)進(jìn)行降速澆注，拉速≯2.4 m/min。中間包溫度每提高5℃，拉速上限降低0.1 m/min。

4.5 提高關(guān)鍵設(shè)備功能精度

1）提高結(jié)晶器、二冷段整體對(duì)弧精度，對(duì)弧精度控制在1 mm以內(nèi)，減少拉坯阻力，減輕結(jié)晶器液面、拉速波動(dòng)。

2）嚴(yán)格中間包鋼水注流對(duì)中，對(duì)中間包包底水口法蘭及時(shí)進(jìn)行更換，確保包底法蘭水平、流間距精度，出現(xiàn)個(gè)別滑塊鋯芯不對(duì)中的及時(shí)進(jìn)行更換調(diào)整，鋼水注流對(duì)中精度控制在±15 mm以內(nèi)。

3）噴淋集管管壁加厚至4.0 mm，提高噴淋集管的抗變形能力，每次檢修時(shí)對(duì)噴淋集管進(jìn)行檢查，噴淋集管變形時(shí)要及時(shí)調(diào)校、更換，噴淋集管對(duì)中精度控制在±10 mm以內(nèi)。

4.6 實(shí)施效果

通過一系列有效措施的實(shí)施，鑄坯的冷卻均勻性得到大副改善，萊鋼HRB400鈮微合金化鋼種小方坯質(zhì)量得到顯著提高，解決了鈮微合金化小方坯脫方、角裂等質(zhì)量問題，優(yōu)化后鈮微合金化小方坯脫方量控制在7 mm以內(nèi)，角部裂紋控制在1.0級(jí)以內(nèi)，基本杜絕了因鑄坯質(zhì)量原因?qū)е碌能堉贫唁?、劈頭等生產(chǎn)問題，實(shí)現(xiàn)了鈮微合金化小方坯的批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

5 結(jié)論

5.1 鋼中加入鈮合金后可以提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)增加了鑄坯的裂紋敏感性，降低了鑄坯的塑性。

5.2通過萊鋼小方坯連鑄機(jī)鈮微合金化質(zhì)量控制技術(shù)的研究，采用高精度結(jié)晶器，優(yōu)化二次冷卻配水，降低鋼水過熱度，保障關(guān)鍵設(shè)備功能精度，鈮微合金化HRB400鋼種小方坯脫方、角裂得到有效控制。