1、 BOF-LF-CC生产特殊钢连铸坯生产特殊钢连铸坯的质量控制的质量控制蔡开科蔡开科 秦哲秦哲 孙彦辉孙彦辉 北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院2009年年12月月目目 录录前言前言1.转炉冶炼终点拉碳：是低拉碳还是高拉碳？转炉冶炼终点拉碳：是低拉碳还是高拉碳？2.脱氧：用铝还是不用铝？脱氧：用铝还是不用铝？3.钢中夹杂物成分控制：是塑性状态还是脆性状态？钢中夹杂物成分控制：是塑性状态还是脆性状态？4.精炼渣成分控制：是控制高碱度还是低碱度？精炼渣成分控制：是控制高碱度还是低碱度？5.中高碳硅镇静钢还会堵水口吗？中高碳硅镇静钢还会堵水口吗？6.连铸工艺优化是解决铸坯中
2、心缺陷的基础连铸工艺优化是解决铸坯中心缺陷的基础 7.M-EMS+F-EMS是解决中高碳钢小方坯中心缺陷的有效手段是解决中高碳钢小方坯中心缺陷的有效手段 8.M-EMS+凝固末端轻压下是解决中高碳钢大方坯中心缺陷的凝固末端轻压下是解决中高碳钢大方坯中心缺陷的有效手段有效手段 结语结语 前前 言言 特殊钢的特点：特殊钢的特点：l l 特殊用途。轴承、齿轮、弹簧、硬线、结构件、重轨等特殊用途。轴承、齿轮、弹簧、硬线、结构件、重轨等l l 中高碳的碳锰钢中高碳的碳锰钢 l l 大部分为大部分为棒线材的长材产品（小方坯、大方坯）棒线材的长材产品（小方坯、大方坯）l l 生产流程生产流程：BOF(EAF
3、)精炼（吹精炼（吹Ar、LF、LF+VD）CC。我国采用我国采用BOF(EAF)LF（VD）CC流程。流程。下面仅就生产中几个问题进行讨论。下面仅就生产中几个问题进行讨论。1.1.转炉冶炼终点拉碳：转炉冶炼终点拉碳：是低拉碳还是高拉碳是低拉碳还是高拉碳？（1 1）低拉碳增碳法特点）低拉碳增碳法特点 ：渣中渣中 （FeOFeO）高，有利于脱）高，有利于脱P P，一吹到底，生产低，一吹到底，生产低P P钢，钢，控制方便。控制方便。钢中钢中aoao高，脱氧剂消耗增加，夹杂物增加。高，脱氧剂消耗增加，夹杂物增加。增增C剂消耗大，成分控制不稳定。剂消耗大，成分控制不稳定。（2 2）高拉碳补吹法特点）高拉
4、碳补吹法特点 ：吹炼时间短，吹炼时间短，O2耗少。耗少。吹损少，金属收得率高。吹损少，金属收得率高。钢中钢中ao低，铁合金加入少，夹杂物少。低，铁合金加入少，夹杂物少。增增C量少，量少，C粉加入少。粉加入少。钢中钢中H、N含量低。含量低。此法的难点是：此法的难点是：高拉碳条件下（高拉碳条件下（C=0.40.6%），钢水），钢水P要控制在要控制在 0.01%左右。左右。转炉冶炼前期脱磷。转炉冶炼前期脱磷。终点温度和成分控制较难。终点温度和成分控制较难。日本、韩国的钢厂早就采日本、韩国的钢厂早就采用高拉碳法。目前国内不用高拉碳法。目前国内不少厂家也开始由低拉碳走少厂家也开始由低拉碳走向高拉碳。如某
5、厂冶炼向高拉碳。如某厂冶炼45钢生产统计表明终点拉碳钢生产统计表明终点拉碳大于大于0.2%比低拉碳生产成比低拉碳生产成本降低本降低20.45元元/吨钢。冶吨钢。冶炼炼82B，拉碳，拉碳C=0.4%左左右，吨钢成本节约右，吨钢成本节约13元。元。终点钢水中终点钢水中ao降低降低（图（图1），铁合金回收率高了，铁合金回收率高了，生成夹杂物少了。生成夹杂物少了。0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.450100200300400500600700800900%C%O=0.0025终点氧含量（ppm）终点碳含量 (%)图图1 转炉冶炼终点碳氧关系
6、图转炉冶炼终点碳氧关系图 表表1 低拉碳增碳法和高拉碳补吹法的过程工艺参数比较低拉碳增碳法和高拉碳补吹法的过程工艺参数比较 操作操作方法方法碳粉碳粉加入加入量量/袋袋终点碳终点碳/w%终点氧终点氧/ppm成品成品C波动波动/w%出钢温出钢温度度/终渣终渣FeO/低拉碳低拉碳增碳法增碳法高拉碳高拉碳补吹法补吹法比较值比较值300.291300.04251.8936373639.040.038.032834830905.006.004.01653166016474.994.986.868468.070.066.019820319301.001.001.016281635162251.754.747
7、.72.脱氧：脱氧：用铝还是不用铝？用铝还是不用铝？用用Al脱氧的好处：脱氧的好处：细化晶粒，生产细晶粒钢。细化晶粒，生产细晶粒钢。把钢中溶解氧降到很低，有利于降低把钢中溶解氧降到很低，有利于降低TO含量。含量。用铝脱氧坏处：用铝脱氧坏处：生成的生成的Al2O3夹杂物使钢水可浇性变差，易堵水口夹杂物使钢水可浇性变差，易堵水口 Al2O3脆性夹杂物产生拉拔脆断，降低疲劳寿命等。脆性夹杂物产生拉拔脆断，降低疲劳寿命等。图图2 19702000年钢中平均年钢中平均TO水平水平 图图3 钢中钢中TO与轴承钢寿命关系与轴承钢寿命关系 图图4 断丝率与夹杂物指数关系断丝率与夹杂物指数关系 对于中高碳钢一般
8、不用铝脱氧，目的是避对于中高碳钢一般不用铝脱氧，目的是避免钢中生成有害的免钢中生成有害的Al2O3夹杂。夹杂。根据钢种和产品用途，脱氧方式可分为：根据钢种和产品用途，脱氧方式可分为：仅用仅用 Si+MnSi+Mn脱氧（脱氧（Als0Als0）。）。Si+Mn+Si+Mn+少量少量AlAl脱氧（脱氧（AlsAls0.0060.006）Si+Mn+AlSi+Mn+Al脱氧（细晶粒钢）（脱氧（细晶粒钢）（Als=0.01Als=0.010.02%0.02%）。3.钢中夹杂物成分控制：钢中夹杂物成分控制：是塑性状态还是塑性状态还是脆性状态？是脆性状态？3.1硅镇静钢硅镇静钢 用用Si+Mn脱氧，如图脱
9、氧，如图5所示，所示，形成的脱氧产物有：形成的脱氧产物有：纯纯SiO2（固体）；（固体）；MnOSiO2(液体液体)；MnOFeO(固溶体固溶体)。图图5 FeO-MnO-SiO2三元相图三元相图 对于硅镇静钢，对于硅镇静钢，与与Si、Mn相平衡相平衡的的O 溶溶较高，为较高，为4060 ppm（图（图6所示），在结晶所示），在结晶器内钢水凝固时器内钢水凝固时易生成皮下针孔易生成皮下针孔或气泡（图或气泡（图7）。）。图图6 Si、Mn与钢水与钢水O溶关系溶关系 由图可知：由图可知：O20ppm 铸坯气铸坯气孔增加孔增加 O=1020ppm 最佳最佳范围范围图图7 铸坯针孔与铸坯针孔与O关系关系
10、 硅镇静钢，不加铝脱氧，钢中酸溶铝硅镇静钢，不加铝脱氧，钢中酸溶铝Als几乎为零（几乎为零（2.5生成液态的生成液态的MnOSiO2，有利于，有利于夹杂物上浮。但在一定温度下与夹杂物上浮。但在一定温度下与Si、Mn相相平衡的平衡的O溶较高（图溶较高（图6），当钢水浇入结），当钢水浇入结晶器会产生晶器会产生C-O反应使坯壳生成皮下针孔，反应使坯壳生成皮下针孔，同时生成同时生成MnOSiO2浮渣也污染了钢水。为浮渣也污染了钢水。为此在此在LF炉精炼采用白渣操作炉精炼采用白渣操作+Ar搅拌，钢搅拌，钢渣精炼扩散脱氧既能把钢水中渣精炼扩散脱氧既能把钢水中O溶降到溶降到20ppm，也能有效的脱硫，把，也
11、能有效的脱硫，把S降到降到25%)。图图8 MnO-SiO2-Al2O3相图相图 3.2 硅硅-铝镇静钢铝镇静钢 要把夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的要把夹杂物成分控制在相图中锰铝榴石的阴影区，这样就可达到：阴影区，这样就可达到：夹杂物熔点低（夹杂物熔点低（1400），球形易上浮；），球形易上浮；热轧时夹杂物可塑性好（热轧时夹杂物可塑性好（8001300）；）；锰铝榴石夹杂物中锰铝榴石夹杂物中Al2O3接近接近20左右，左右，变形性最好；变形性最好；无单独无单独Al2O3的析出，钢水可浇性好，不的析出，钢水可浇性好，不堵水口；堵水口；脱氧良好，不生成气孔脱氧良好，不生成气孔 理论计算指出，钢中
12、理论计算指出，钢中 Si=0.2，Mn=0.4，温度为温度为1550条件下条件下若钢中若钢中Als0.006，则钢中则钢中O0.003%，可能有固，可能有固态态Al2O3析出堵水口。为保持析出堵水口。为保持Als0.003%水平，则可提水平，则可提高高Si含量以得到液态夹杂。含量以得到液态夹杂。然而增加然而增加Si加入加入SiFe也多，也多，带入的残余带入的残余Al也多，成本增也多，成本增加，也降低了加，也降低了Mn/Si比，促进比，促进了固态了固态SiO2夹杂形成。夹杂形成。图图17 1600下下Fe-Al-Si中的平衡夹杂物中的平衡夹杂物(4)镁铝尖晶石形成镁铝尖晶石形成 对高碳对高碳Si
13、-K钢水口堵塞的另一个主要因素是形成钢水口堵塞的另一个主要因素是形成MgOAl2O3。对于高碳。对于高碳Si-K钢，不用钢，不用Al脱氧，靠脱氧，靠LF炉造炉造白渣脱氧以得到白渣脱氧以得到TO20ppm。在。在LF炉还原精炼气氛和低炉还原精炼气氛和低O条件下条件下(O1.3有有11家。然而铸坯越厚，矫直力增加使变形率增家。然而铸坯越厚，矫直力增加使变形率增大，铸坯产生表面和内部裂纹机率增加，故大方坯采大，铸坯产生表面和内部裂纹机率增加，故大方坯采用大弧形半径（用大弧形半径（R=1218m），这也有利液相穴夹杂），这也有利液相穴夹杂物上浮，消除铸坯内弧夹杂物集聚。物上浮，消除铸坯内弧夹杂物集聚。
14、要求在铸坯凝固过程中抑制铸坯中柱状晶生长，而柱状要求在铸坯凝固过程中抑制铸坯中柱状晶生长，而柱状晶生长主要决定于：晶生长主要决定于：（1）钢中碳含量）钢中碳含量 中高碳钢两相区中高碳钢两相区(TCTS)宽，铸坯柱状晶较低宽，铸坯柱状晶较低C钢发达。钢发达。C量与平均收缩系数量与平均收缩系数 钢种钢种（2）决定于传热条件）决定于传热条件 从传热观点看，铸坯柱状晶生长决定于凝固导热单方向性、从传热观点看，铸坯柱状晶生长决定于凝固导热单方向性、固固/液界面温度梯度和冷却速度。液界面温度梯度和冷却速度。从本质上说，就是控制铸坯冷却速度从本质上说，就是控制铸坯冷却速度来控制柱状晶生长，而来控制柱状晶生长
15、，而可表示：可表示：=/s /s 式中：式中：Tc 钢水浇注温度钢水浇注温度 Ts 钢固相线温度钢固相线温度 由由TcTs的时间的时间 可由传热数学模型计算可由传热数学模型计算t求出求出，也可表示为：也可表示为：（mm）根据钢中根据钢中C C含量有不同表达式：含量有不同表达式：C 0.8，（m）是由二冷喷水强度来决定的。是由二冷喷水强度来决定的。tTTsctna396.0709碳含量与柱状晶关系碳含量与柱状晶关系 C0.1 Lr转变，气隙最大，柱状晶较短；转变，气隙最大，柱状晶较短；C0.6 L 无无Fe生成，气隙最小，柱状晶发达；生成，气隙最小，柱状晶发达；C0.10.6 L+，界于两者之间
16、。，界于两者之间。用用EMS时：时：C0.1时，中心等轴晶可由时，中心等轴晶可由20增加到增加到40，而，而C0.6时则可由时则可由0增加到增加到40。故使用。故使用EMS铸坯中心等轴晶区均可改善。铸坯中心等轴晶区均可改善。钢水过热度钢水过热度 众所周知，钢水过热度高带来的坏处：众所周知，钢水过热度高带来的坏处：出结晶器坯壳薄易漏钢；出结晶器坯壳薄易漏钢；限制拉速；限制拉速；有利于柱状晶生长，中心疏松缩孔加重；有利于柱状晶生长，中心疏松缩孔加重；中心偏析严重；中心偏析严重；耐火材料浸蚀加重，钢中夹杂物增加。耐火材料浸蚀加重，钢中夹杂物增加。从提高铸坯质量观点，尤其对要求高的铸坯内部质量产品，从
17、提高铸坯质量观点，尤其对要求高的铸坯内部质量产品，控制过热度尤为重要。控制过热度尤为重要。从理论上说，当钢水过热度等于零接近液相线温度凝固，从理论上说，当钢水过热度等于零接近液相线温度凝固，铸坯中心等轴晶区可达铸坯中心等轴晶区可达60以上，可消除中心疏松和偏析。以上，可消除中心疏松和偏析。然而如果中间包钢水过热度太低，会影响钢水中夹杂物上然而如果中间包钢水过热度太低，会影响钢水中夹杂物上浮和中间包水口冻结。因此对薄板用钢，过热度高一些（如浮和中间包水口冻结。因此对薄板用钢，过热度高一些（如30）；对中厚板中高碳钢过热度取低一些（如）；对中厚板中高碳钢过热度取低一些（如2015）。）。钢水过热度
18、是控制铸坯中心等轴晶的主要措施。低过热度时钢水过热度是控制铸坯中心等轴晶的主要措施。低过热度时中心等轴晶区宽，使溶质元素分散在较宽范围内枝晶之间，中心等轴晶区宽，使溶质元素分散在较宽范围内枝晶之间，减轻中心元素的集聚，减少偏析。减轻中心元素的集聚，减少偏析。过热度对等轴晶影响过热度对等轴晶影响 过热度对中心偏析过热度对中心偏析 影响（影响（275275300mm300mm）在中心线两边在中心线两边530mm出出现点状或现点状或V偏析称为半宏观偏偏析称为半宏观偏析。它的形成主要是由等轴晶析。它的形成主要是由等轴晶富集溶质母液流动造成的。有富集溶质母液流动造成的。有不同观点：不同观点：自由等轴晶的
19、自由等轴晶的Collaps;等轴晶粘附在柱状晶前沿所等轴晶粘附在柱状晶前沿所致；致；等轴枝晶搭桥，桥下液体凝等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。固收缩吸引枝间液体流动所致。连铸坯中心半宏观偏析形貌连铸坯中心半宏观偏析形貌 评价铸坯宏观偏析有两种评价铸坯宏观偏析有两种方法：方法：中心偏析度：即中心溶中心偏析度：即中心溶质元素与钢水成分之比；质元素与钢水成分之比；半宏观偏析度：它可用半宏观偏析度：它可用铸坯中心铸坯中心530mm范围某一范围某一溶质元素偏析面积百分数来溶质元素偏析面积百分数来评价。评价。铸坯中心半宏观偏析会铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体低温转变导致中厚板马氏体
20、低温转变产物，它会降低板材的冲击产物，它会降低板材的冲击韧性。韧性。半宏观偏析对冲击值影响半宏观偏析对冲击值影响 影响半宏观影响半宏观偏偏析因素：析因素：高过热度有利减少半宏观偏析，因为低过热度中心形成高过热度有利减少半宏观偏析，因为低过热度中心形成等轴晶结构，也容易出现等轴晶结构，也容易出现V偏析；偏析；凝固末端强冷减轻鼓肚和富集溶质流动，使半宏观偏析凝固末端强冷减轻鼓肚和富集溶质流动，使半宏观偏析减轻；减轻；收缩辊缝（对板坯）；收缩辊缝（对板坯）；轻压下；轻压下；EMS对中心半宏观偏析改变不大；对中心半宏观偏析改变不大；液相穴末端强冷有利于减少半宏观偏析。液相穴末端强冷有利于减少半宏观偏析
21、。拉速拉速 高拉速和高铸坯质量往往是相互矛盾的，我们的任务是高拉速和高铸坯质量往往是相互矛盾的，我们的任务是要根据钢种和产品质量要求，使连铸机的拉速和铸坯质量协要根据钢种和产品质量要求，使连铸机的拉速和铸坯质量协调发展。调发展。原则上说，拉速快对铸坯质量带来坏处：原则上说，拉速快对铸坯质量带来坏处：（1）拉速快，液相穴变长变尖，钢水补缩不好易造成疏）拉速快，液相穴变长变尖，钢水补缩不好易造成疏松和缩孔。松和缩孔。120120mm方坯试验指出：拉速方坯试验指出：拉速3.6m/min,中中心缩孔最大直径达心缩孔最大直径达5mm,连续缩孔长度达连续缩孔长度达160mm；拉速为；拉速为3m/min，中
22、心缩孔直径为，中心缩孔直径为3mm，连续缩孔长度为，连续缩孔长度为70mm；拉速为拉速为2.4m/min，则中心缩孔明显减轻。，则中心缩孔明显减轻。275300mm大方坯，拉速对中心大方坯，拉速对中心疏松的影响，可见随疏松的影响，可见随拉速提高中心疏松加拉速提高中心疏松加重。重。拉速对中心疏松影响拉速对中心疏松影响 对于对于220260mm大方坯，大方坯，拉速对中心碳偏析影响：拉速对中心碳偏析影响：拉速拉速 C/CC/C0 0 0.65m/min 1.01.1 0.90m/min 1.31.4 120120mm方坯方坯拉速对中心偏析影响拉速对中心偏析影响（3）拉速快钢中夹杂物）拉速快钢中夹杂物
23、增加增加 右图表示右图表示120120mm方坯中大颗粒夹杂物与方坯中大颗粒夹杂物与拉速关系。拉速关系。拉速对铸坯夹杂物的影响拉速对铸坯夹杂物的影响 二冷强度二冷强度 原则上讲，二冷原则上讲，二冷区采用强冷：一是降区采用强冷：一是降低了坯壳温度，增加低了坯壳温度，增加坯壳强度，防止了鼓坯壳强度，防止了鼓肚产生的中心偏析尤肚产生的中心偏析尤其对板坯更为重要；其对板坯更为重要；二是冷却速度快，阻二是冷却速度快，阻止了溶质元素的析出止了溶质元素的析出和扩散，有利于减轻和扩散，有利于减轻中心偏析。三是强冷中心偏析。三是强冷有利于提高拉速。有利于提高拉速。鼓肚对中心偏析的影鼓肚对中心偏析的影响响二冷水量增
24、加，有利于减轻二冷水量增加，有利于减轻中心偏析。中心偏析。反过来说，强冷有利于柱状反过来说，强冷有利于柱状晶生长，容易形成局部搭桥晶生长，容易形成局部搭桥或穿晶结构，有利于中心疏或穿晶结构，有利于中心疏松形成。另外强冷对钢裂纹松形成。另外强冷对钢裂纹敏感性也有很大影响。敏感性也有很大影响。因此，二冷强度的选择，因此，二冷强度的选择，要从生产率和铸坯质量两方要从生产率和铸坯质量两方面综合考虑。面综合考虑。二冷对中心偏析的影响二冷对中心偏析的影响7.MEMS+FEMS是解决中高碳钢小方坯是解决中高碳钢小方坯中心缺陷的有效手段中心缺陷的有效手段7.1 结晶器电磁搅结晶器电磁搅拌拌（1）结晶器电磁搅拌
25、作）结晶器电磁搅拌作用（用（MEMS）：）：加速柱状晶向等轴晶加速柱状晶向等轴晶过渡（图过渡（图22）。）。图图22 EMS原理图原理图 加速钢水加速钢水过热度消过热度消失（图失（图23）图图23 大方坯凝固温度演变进程大方坯凝固温度演变进程300400 mm弹簧钢弹簧钢 改善铸坯表面和皮改善铸坯表面和皮下质量（图下质量（图24）图图24 结晶器结晶器EMS效果效果 改善铸坯洁净改善铸坯洁净度（图度（图25）均匀弯月面区均匀弯月面区域钢水温度和域钢水温度和成分成分图图25 M-EMS弯月面夹杂物集聚示意图弯月面夹杂物集聚示意图1)EMS配置配置2)EMS安装位置安装位置3)拌器功率拌器功率 搅
26、拌器线圈电流决定于磁感强度搅拌器线圈电流决定于磁感强度B，而而B和频率和频率f决定了搅拌力决定了搅拌力F（FfB2）和钢液流动速度和钢液流动速度V（VB）；而流动速）；而流动速度影响冶金效果。搅拌强度与冶金效度影响冶金效果。搅拌强度与冶金效果之间关系呈果之间关系呈S曲线，如图曲线，如图26。由图可知：由图可知：1 区功率太小，效果不明显区功率太小，效果不明显 2 区功率增大，效果显著区功率增大，效果显著 3 区功率达到一定效果达到饱和区功率达到一定效果达到饱和 图图26 搅拌功率与冶金效果关系搅拌功率与冶金效果关系（2）要使）要使M-EMS得到好的冶金效果，应解决好的问题：得到好的冶金效果，应
27、解决好的问题：由图可知，搅拌电流由图可知，搅拌电流I 由由150A200A等轴晶区增加等轴晶区增加20%，I由由200A300A等轴晶区仅增加等轴晶区仅增加5%，说明再增加，说明再增加I，等轴，等轴晶改善也不大了。晶改善也不大了。图图27 搅拌电流与铸坯等轴晶关系（搅拌电流与铸坯等轴晶关系（160160mm AISI409 M-EMS 4HZ）7.2 7.2 凝固末端电磁搅拌（凝固末端电磁搅拌（F-EMS）用用M-EMS等轴晶达到等轴晶达到4060%，中心偏析减少。但，中心偏析减少。但是铸坯纵断面硫印图上存在是铸坯纵断面硫印图上存在V形半宏观偏析。为形半宏观偏析。为了减少了减少V行偏析，在液相
28、穴末端糊状区完全凝固行偏析，在液相穴末端糊状区完全凝固之前使其充分混合，故提出之前使其充分混合，故提出F-EMS。使用。使用F-EMS必须解决好：必须解决好：（1 1）搅拌器功率足够大，能把糊状区搅动起来。）搅拌器功率足够大，能把糊状区搅动起来。（2 2）搅拌器有足够长，使覆盖糊状区。）搅拌器有足够长，使覆盖糊状区。（3 3）安装位置必须找准凝固末端。）安装位置必须找准凝固末端。（4 4）拉速和冷却可控、稳定。）拉速和冷却可控、稳定。F-EMSF-EMS应按在固应按在固/液液两相区，图两相区，图2828所所示。示。一般认为：一般认为：1 1）f fs=0.7s=0.70.80.8 2 2）末端
29、铸坯中心两末端铸坯中心两相区为相区为404055mm55mm处处 图图28 F-EMS安装位置示意图安装位置示意图 F-EMS究竟按在凝固末端什么位置呢？究竟按在凝固末端什么位置呢？根据连铸机设备和工艺条件，采用计算出沿铸机长度铸坯液相穴内液根据连铸机设备和工艺条件，采用计算出沿铸机长度铸坯液相穴内液相线相线(TL)和固相线（和固相线（Ts）的温度分布，以确定）的温度分布，以确定F-EMS的安在距离弯月的安在距离弯月面以下的某一位置。面以下的某一位置。图图29 铸坯凝固曲线铸坯凝固曲线 第一，铸坯凝固传热数学模型法第一，铸坯凝固传热数学模型法第二第二 射钉测定法射钉测定法 根据钉子的形貌和硫根
30、据钉子的形貌和硫的扩散来确定射钉时的扩散来确定射钉时刻的凝固壳厚度，以刻的凝固壳厚度，以求出安装求出安装F-EMS的位的位置置 板坯板坯 方坯方坯 圆坯圆坯 8.M-EMS8.M-EMS+凝固末端轻压下是解决中高碳凝固末端轻压下是解决中高碳钢大方坯中心缺陷的有效手段钢大方坯中心缺陷的有效手段用用M-EMS：铸坯中心等轴晶区扩：铸坯中心等轴晶区扩大（大（4050%），使中心偏析明），使中心偏析明显减轻。但铸坯中心区显减轻。但铸坯中心区530mm区存在区存在V型偏析或者点状偏析称型偏析或者点状偏析称为半宏观偏析（图为半宏观偏析（图31），它的），它的形成主要是由等轴晶富集溶质形成主要是由等轴晶富集
31、溶质母液流动造成的。有不同观点：母液流动造成的。有不同观点：1）自由等轴晶的自由等轴晶的Collaps;2 2）等轴晶粘附在柱状晶前沿）等轴晶粘附在柱状晶前沿所致；所致；3 3）等轴枝晶搭桥，桥下液体凝）等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。固收缩吸引枝间液体流动所致。图图31 连铸坯中心半宏观偏析形貌连铸坯中心半宏观偏析形貌 铸坯中心半宏观偏析铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体会导致中厚板马氏体低温转变产物，它会低温转变产物，它会降低板材的冲击韧性降低板材的冲击韧性（图（图32）。）。图图32 32 半宏观偏析对冲击值影响半宏观偏析对冲击值影响 对于大方坯，采用对于大方坯，采
32、用M-EMS+轻压下是有效解决半宏轻压下是有效解决半宏观偏析办法。观偏析办法。轻压下主要应用于轻压下主要应用于传统板坯和大方坯传统板坯和大方坯连铸机，在液相穴连铸机，在液相穴凝固末端，给铸坯凝固末端，给铸坯施加轻压下量，以施加轻压下量，以补偿最后凝固液体补偿最后凝固液体的收缩，消除中心的收缩，消除中心疏松，减轻宏观偏疏松，减轻宏观偏析。析。热铸坯压力的压下热铸坯压力的压下轻压下控制锥度的位置轻压下控制锥度的位置热铸坯压力的压下热铸坯压力的压下图图33 33 大方坯轻压下示意图大方坯轻压下示意图 对于大方坯连铸，目对于大方坯连铸，目前国内外都是采用多前国内外都是采用多机架辊式轻压下技术。机架辊式
33、轻压下技术。压下区域长度压下区域长度48m，压下量压下量0 07mm。ThermalInformationActual ProcessData&EventsSetpointCalculationASTCPractice SetupOnline SystemOnlineGap Profile CalculationASTCGap Setpoints/SegmentOperatorGuidance图图34 34 大方坯轻压下控制流程大方坯轻压下控制流程 表表2 使用轻压下技术的工厂技术参数使用轻压下技术的工厂技术参数号号断面断面拉速拉速两相区温差两相区温差压下率压下率压下速率压下速率 mmmmm/
34、minmm/mmm/min12108001.2300.720.86225023000.9300.940.85328018001.2300.91.08420022000.9300.870.7852503300.71001.51.0563004000.510042.073005000.91002.21.9684105300.45702.871.29表表3 部分厂家轻压下方坯连铸机的主要技术参数部分厂家轻压下方坯连铸机的主要技术参数在铸坯液相穴长度上在铸坯液相穴长度上实现轻压下要解实现轻压下要解决以下几个问题：决以下几个问题：（1）凝固终点的位置）凝固终点的位置（2）压下位置）压下位置（3）压下量）
35、压下量 （4）压下力）压下力 实现轻压下技术，从软件上讲要实现轻压下技术，从软件上讲要建立建立4个数学模型：个数学模型：（1 1）铸坯凝固传热数学模型）铸坯凝固传热数学模型-解决铸坯表面解决铸坯表面温度、凝固坯壳厚度变化及液相穴长度；温度、凝固坯壳厚度变化及液相穴长度；（2 2）凝固过程溶质偏析模型）凝固过程溶质偏析模型-解决轻压下的解决轻压下的位置；位置；（3 3）坯壳应变模型）坯壳应变模型-解决压下量问题；解决压下量问题；（4 4）压下力模型）压下力模型-解决施加力大小，使其变解决施加力大小，使其变形量在允许范围内。形量在允许范围内。根据导热方程根据导热方程 根据此方程及模型根据此方程及模
36、型边界条件，建立软边界条件，建立软件件，计算出铸坯凝，计算出铸坯凝固壳厚度、液心长固壳厚度、液心长度和铸坯表面温度。度和铸坯表面温度。铸坯凝固曲线见图铸坯凝固曲线见图35。2222yTkxTktTc（1 1）铸坯凝固传热模型）铸坯凝固传热模型图图35 铸坯凝固曲线铸坯凝固曲线（2 2）凝固偏析模型）凝固偏析模型 采用改进的采用改进的Brody-Flemings（BF）模型，）模型，计算凝固过程当中元素计算凝固过程当中元素的偏析，以确定轻压下的偏析，以确定轻压下位置（图位置（图3636），偏析方），偏析方程如下：程如下：)21/()1(/0*/)21(1 kkSSfkkCC0.00.20.40.
37、60.81.0-10123456789101112131415160.00.20.40.60.81.01.21.4 CCl,CfSCl,P,Cl,S P S图图36 钢凝固过程中液相中组元浓度的变化钢凝固过程中液相中组元浓度的变化（3）坯壳应变分析模型）坯壳应变分析模型 铸坯采用轻压下，在固液铸坯采用轻压下，在固液界面所承受的变形量界面所承受的变形量由下式确定：由下式确定：m（i）=如果如果 临界临界 时固液时固液界面就不会产生裂纹。界面就不会产生裂纹。临界应变与钢种成分的临界应变与钢种成分的关系见图关系见图3737。%3002lsmi图图37 临界应变与钢种成分的关系临界应变与钢种成分的关系
38、 表表4 部分学者得出的关于临界应变的代表性结果部分学者得出的关于临界应变的代表性结果%临Researcher(10-4S-1)Mass%CExperimental methodT.Mastumiya et al1.03.850.0420.64ln-situ melt-bending test methodK.Miyamura et al0.320.625400.180.24Bending test of ingotH.Sugitaniet al1.01.50.42.50.42Bending test of ingotH.Fujii et al1.01.620540.120.16Deposit
39、 metal bending testH.Sato et al0.45 0.56120.13Punch press test of ingotK.Marukawa et al3.23.315350.130.15Punch press test of ingotK.Narita et al0.51.030600.160.23Punch press test of ingotT.Ito et al3.23.68670.170.28Punch press test of ingotA.Yamanaka et al0.72.11600.050.8Tensile test of ingot with l
40、iquid coreM.Kinefuchi et al0.20.52500.15Tensile test of ingot with liquid core2345670.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040应 变 量()机 架 号U71Mn 280*380 中包 温 度1505 拉 速0.8m/min 压下量 0.5mm 压下量 1.0mm 压下量 1.5mm 压下量 2.0mm图图38 不同压下量时各机架处铸坯产生的应变不同压下量时各机架处铸坯产生的应变 图图3939压下量对铸坯中心偏析的影响压下量对铸坯中心偏析的影响0204060800.51.01
41、.52.0中心偏析评级/级分布频率/%不采用轻压下(n=19)轻压下量3mm(n=19)轻压下量4.5mm(n=19)轻压下量6mm(n=24)轻压下量7mm(n=24)轻压下量8mm(n=24)图图40 压下量对中心偏析评级的影响压下量对中心偏析评级的影响 9.9.结语结语 采用采用BOF-LF(VD)-CC生产特殊用途的中高碳钢连铸坯质量生产特殊用途的中高碳钢连铸坯质量的基本要求是：的基本要求是：l 钢的成分波动范围要窄。钢的成分波动范围要窄。l l 钢的洁净度要高，总氧含量钢的洁净度要高，总氧含量TO在在20ppm左右。左右。l l 铸坯的内部中心区要致密（疏松、缩孔要小）。铸坯的内部中心区要致密（疏松、缩孔要小）。l l 铸坯中心元素偏析要小（铸坯中心元素偏析要小（C、Mn、S、P）。）。对于生产的钢种和产品的用途不同，根据国内外厂家生产对于生产的钢种和产品的用途不同，根据国内外厂家生产证明，在生产流程中采用不同的工艺技术完全可以达到上证明，在生产流程中采用不同的工艺技术完全可以达到上述的要求，关键在于如何将成熟的技术应用于实际生产中，述的要求，关键在于如何将成熟的技术应用于实际生产中，以获得更好的冶金效果。以获得更好的冶金效果。谢 谢！
