黎建全，何 博，龍木軍，周明佳，陳 雄，高 原

(1.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠，四川 攀枝花 617062；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044，4. 攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司,四川 西昌 615032)

0 前言

鋼液在連鑄機(jī)中冷卻、凝固過程必然會產(chǎn)生體積收縮，在結(jié)晶器內(nèi)設(shè)置倒錐度，在二冷區(qū)設(shè)置合適的輥縫可彌補(bǔ)鑄坯的凝固收縮，有效防止鋼水負(fù)吸入，減輕鑄坯中心偏析[1,2]，但不合理的輥縫收縮會對連鑄坯質(zhì)量造成影響，收縮量過小時，對于中心偏析和中心疏松改善不明顯；收縮量過大時，鑄坯受到擠壓過度，可能會導(dǎo)致內(nèi)裂的產(chǎn)生；同時收縮量過大時，長時間還容易引起壓下區(qū)域輥?zhàn)拥膿p壞[3]。

連鑄機(jī)的輥縫收縮技術(shù)是依據(jù)鋼種的凝固收縮特性預(yù)先設(shè)定好一定的錐度，對鑄坯的凝固收縮量進(jìn)行一定的補(bǔ)償[4,5]?？梢酝ㄟ^連鑄機(jī)輥縫收縮，在連鑄坯液芯末端施加均勻外力，形成一定的壓縮量來補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量[6]。

本文結(jié)合某廠2號板坯連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)鋼種，研究其輥縫收縮制度，并提出了改進(jìn)建議，提高連鑄坯的質(zhì)量。

1 2號板坯連鑄機(jī)現(xiàn)狀

2號板坯連鑄機(jī)為一臺單流直弧形連鑄機(jī)，鑄機(jī)半徑8 m，冶金長度30 m，澆鑄斷面為200 mm×(900～1350)mm，主要生產(chǎn)碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、耐候結(jié)構(gòu)鋼、汽車用鋼、焊瓶鋼、管線鋼、船用鋼，IF和電工鋼等，工作拉速0.2～2.0 m/min，結(jié)晶器寬面及足輥沒有設(shè)置錐度，沒有收縮，二冷零段直線段前3對夾輥均無輥縫收縮量，之后才開始設(shè)置輥縫收縮，每個扇形段基本上按0.3 mm的規(guī)律收縮，沒有使用二冷動態(tài)輕壓下技術(shù)，從Seg10#開始的扇形段輥縫不再收縮。

2 輥縫收縮曲線的計(jì)算分析

2.1 連鑄機(jī)輥縫收縮的計(jì)算方法

板坯連鑄凝固過程中，必然會產(chǎn)生鋼液體積收縮、兩相區(qū)鋼液凝固收縮和凝固坯殼的冷卻收縮，不同的收縮，其計(jì)算方法也有所不同[7,8]。

2.1.1 鋼液體積收縮的計(jì)算方法

鋼液體積收縮是指鋼液由澆鑄溫度降至液相線溫度的收縮，其體積變化的特點(diǎn)是：沒有發(fā)生相變，體積收縮較小,鋼液密度發(fā)生了變化[9]。根據(jù)質(zhì)量守恒，m=ρ1gv1=ρ2gv2，由計(jì)算軟件逐一計(jì)算每一個液態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量，再將各個液態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量相疊加，即為鋼液的體積收縮量[10]。

采用STA449C綜合熱分析儀、DIL402熱膨脹儀以及Gleeble1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬測試連鑄坯的高溫物理性能，計(jì)算獲得典型鋼種鑄坯的相關(guān)熱物性參數(shù)，四個典型鋼種的澆鑄溫度、固相線溫度、液相線溫度和密度與溫度的函數(shù)關(guān)系如表1所示。表1中T為試樣溫度，℃。

表1 典型鋼種熱物性參數(shù)

2.1.2 兩相區(qū)鋼液凝固收縮的計(jì)算方法

兩相區(qū)鋼液的凝固收縮是指鋼液從液相線溫度降至固相線溫度產(chǎn)生的收縮，體積收縮與鋼種化學(xué)成分有關(guān)[11,12]，本研究中考慮了包晶區(qū)的包晶相變收縮對鋼液凝固收縮的影響。

由鐵碳相圖可以知道，碳鋼由液態(tài)降溫凝固，隨著溫度降低不斷析出δ相或者γ相。在固-液兩相區(qū)，以(L+δ)或(L+γ)兩相存在，或者(L+δ+γ)三相共存，具體的存在狀態(tài)跟鋼種的碳含量和其他成分含量有關(guān)，隨著固相(δ、γ相)的增加，密度不斷增大，體積不斷收縮。利用相圖和杠桿定律，求得δ相和γ相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再根據(jù)每一個兩相區(qū)網(wǎng)格中的組相成分的密度，利用表2中的方程逐一計(jì)算(L+δ)、(L+γ)和(L+δ+γ)兩相區(qū)的密度就可獲得到鋼液凝固收縮。表2中ρ0為溫差0K時的液相密度，取7.02×103kg/m3；ΔρL/δ、ΔρL/γ分別為在δ、γ相內(nèi)液相線和固相線的密度差，ΔρL/δ=0.25×103kg/m3，ΔρL/γ=0.39×103kg/m3；fδ、fγ分別為在δ、γ相內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2 兩相區(qū)的密度計(jì)算方程式

不同鋼種成分對收縮的影響不同。對于C大于0.09%小于0.18%的鋼種，冷卻到固相線溫度時(約為1 493 ℃)，將發(fā)生包晶反應(yīng)[13]。這種鋼同時承受溫度下降的自然熱收縮和相變收縮，且相變收縮的量較大[14,15]。因此對于包晶鋼的輥縫設(shè)計(jì)應(yīng)與非包晶鋼有所區(qū)別。

對包晶鋼的收縮行為，已有不少學(xué)者開展了相關(guān)研究。如包晶鋼的凝固正好處于包晶區(qū)(L+δ→γ)，凝固過程中會發(fā)生δFe→γFe相變，并伴隨著較大的體積收縮，體積收縮大概為0.38%[16]。Q235B2(碳含量為0.12%～0.14%)的坯殼的體積收縮率高達(dá)0.5%[17]。對于碳含量在0.08%～0.14%的鋼種，相變過程中的收縮量比此碳含量以外的鋼種增加3.8%[18]。

在實(shí)際連鑄生產(chǎn)中，鑄坯內(nèi)部液芯的鋼水靜壓力較大，鋼液對碳含量處于包晶鋼范圍的鋼種鑄坯的包晶反應(yīng)收縮有一定的補(bǔ)縮作用[19]。而且，每一爐鋼液成分即使處在包晶范圍，也未必會達(dá)到最大收縮。通過對已有文獻(xiàn)的總結(jié)和分析計(jì)算，對于包晶鋼的具體碳含量范圍，不同的鋼廠或文獻(xiàn)報(bào)道均不盡相同，結(jié)合該廠情況，選取包晶鋼的包晶反應(yīng)對連鑄坯收縮的影響系數(shù)為0.38%。

2.1.3 凝固坯殼體積收縮的計(jì)算方法

凝固坯殼的收縮是指在拉坯過程中，鑄坯溫度逐漸下降，引起已凝固坯殼的固態(tài)體積自然收縮，根據(jù)鋼種連鑄坯的熱膨脹性能(相對膨脹量與溫度的函數(shù)關(guān)系)，逐一計(jì)算每一個固態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量，將各個固態(tài)網(wǎng)格的體積收縮量相疊加，即為凝固坯殼的體積收縮量。在模擬連鑄過程的實(shí)驗(yàn)條件下測試分析得到鑄坯在固態(tài)下的熱膨脹性能(此熱膨脹性能包括了鑄坯二次低延性區(qū)域的奧氏體相變收縮)，獲得的四個典型鋼種在降溫速度為5 ℃/min條件下的熱膨脹曲線回歸處理，得到各鋼種鑄坯在固態(tài)下相對膨脹量與溫度的函數(shù)關(guān)系如表3所示。表3中L0為室溫下熱膨脹測試試樣的長度，m；ΔL為試樣長度變化(增加)的差值，m；為試樣溫度，℃。

表3 鑄坯在固態(tài)下相對膨脹量與溫度的函數(shù)關(guān)系

2.1.4 連鑄坯凝固末端壓下輥縫控制

連鑄過程中，由于二冷區(qū)冷卻的不均勻性，造成鑄坯傳熱的不穩(wěn)定[20,21]，導(dǎo)致柱狀晶生長不穩(wěn)定，局部區(qū)域優(yōu)先生長，在某一局部區(qū)域兩邊相對生長的柱狀晶相連接，或者等軸晶的下落被柱狀晶捕集而形成“搭橋”，液相穴內(nèi)鋼液被“凝固橋”分開，橋下面的殘余鋼液凝固收縮時得不到上面鋼液的補(bǔ)充，與鑄坯凝固殼之間會產(chǎn)生一定的間隙，從而形成疏松或縮孔[22]?？梢酝ㄟ^鑄坯凝固末端壓下技術(shù)來彌補(bǔ)這個間隙，改善這種狀況。

2.2 輥縫收縮計(jì)算結(jié)果與分析

Q235G和L245MB鋼的碳含量都處于包晶區(qū)范圍內(nèi)，而P510L和Q450NQR1的碳含量處于包晶區(qū)的邊緣區(qū)域，包晶鋼和非包晶鋼的鑄坯凝固收縮存在較大差異，分別計(jì)算兩類鋼種的輥縫收縮值見表4，輥縫收縮曲線如圖1所示。

表4 鑄坯的輥縫收縮計(jì)算結(jié)果

圖1 連鑄機(jī)的輥縫收縮曲線

圖1、圖2和表4中的現(xiàn)有輥縫收縮值是指2號板坯連鑄機(jī)目前使用的輥縫收縮值。基礎(chǔ)輥縫收縮值是指根據(jù)前面計(jì)算方法計(jì)算得到的輥縫收縮值。推薦輥縫收縮值是在基礎(chǔ)輥縫收縮值的基礎(chǔ)上，加上了鑄坯凝固末端輥縫壓下控制的輥縫收縮值。

圖2 兩類鋼種輥縫收縮比較

從圖2中可見，在二冷前期，計(jì)算所得Q235G和L245MB的基礎(chǔ)及推薦輥縫收縮量比現(xiàn)用輥縫收縮量要大，而P510L和Q450NQR1的鑄機(jī)基礎(chǔ)及推薦輥縫收縮值，二冷前期的跟現(xiàn)用輥縫收縮量基本上相同，這是因?yàn)镼235G和L245MB的碳含量都處于包晶區(qū)范圍內(nèi)，連鑄凝固過程中，在結(jié)晶器彎月面處凝固時會發(fā)生包晶反應(yīng)，坯殼的收縮率高，凝固收縮量比其他鋼種要大。

二冷后期的基礎(chǔ)輥縫收縮比現(xiàn)用輥縫收縮小，推薦輥縫收縮均比現(xiàn)用大。因此推薦在連鑄坯凝固末端的實(shí)施輥縫輕壓下控制，有利于改善甚至消除連鑄坯的中心疏松、中心偏析、中心縮孔等問題。

由圖2可見，Q235G鋼和L245MB鋼的輥縫收縮量大于P510L鋼和Q450NQR1鋼，這主要是前者在結(jié)晶內(nèi)凝固時會發(fā)生包晶反應(yīng)，坯殼的收縮率高，凝固收縮量大，在出結(jié)晶器時，鑄坯的外在橫斷面尺寸比P510L鋼和Q450NQR1鋼要小。二冷中后期，由于鋼水靜壓力大，鋼液對包晶鋼收縮的補(bǔ)縮效果比較好，連鑄坯的收縮差異不大。在鑄坯凝固末端，由于鑄坯凝固枝晶“搭橋”之后，鋼液無法補(bǔ)縮，此時包晶鋼的收縮量比較大，產(chǎn)生中心疏松、縮孔等問題更嚴(yán)重，因此生產(chǎn)Q235G鋼和L245MB鋼時，凝固末端壓下量比P510L鋼和Q450NQR1鋼大。

3 2號板坯鑄機(jī)現(xiàn)有的輥縫收縮存在問題及建議

從2號板坯連鑄機(jī)現(xiàn)用的輥縫收縮制度看，也使用了鑄坯凝固末端壓下技術(shù)，總壓下量約為0.8 mm，分布在Seg7#、Seg8#和Seg9#三個扇形段，壓下位置為14.325～21.198 m，且壓下量偏小僅0.8 mm。而4個典型鋼種拉速1.0～1.6 m/min時，凝固末端至結(jié)晶器彎月面的距離為14.60～24.09 m。由此可見，在較高拉速(如1.6 m/min)生產(chǎn)的情況下，連鑄坯在Seg10#還存在液芯，沒有完全凝固；但2號板坯連鑄機(jī)的輥縫值從Seg10#開始就不再收縮，達(dá)不到鑄坯凝固末端壓下的效果，鑄坯容易產(chǎn)生中心疏松、中心偏析等質(zhì)量問題。

鑄坯凝固末端輥縫壓下技術(shù)屬于靜態(tài)壓下技術(shù)，不能在線調(diào)整壓下的位置，壓下位置只能是一個固定的區(qū)域，因此，壓下位置需要兼顧各種工況下的鑄坯凝固狀態(tài)，使輥縫收縮在各種工況下都能有效地實(shí)施鑄坯凝固末端壓下技術(shù)。為了兼顧高拉速下連鑄坯的凝固末端壓下效果，建議延長實(shí)施鑄坯凝固末端壓下的區(qū)域，壓下位置延長至Seg10#扇形段，適當(dāng)增加壓下量，Q235G鋼和L245 MB鋼增加到1.3 mm，P510L鋼和Q450NQR1鋼增加到1.1 mm。

2號板坯鑄機(jī)為直弧形鑄機(jī)，結(jié)晶器寬面是平行的，沒有錐度，足輥段與結(jié)晶器相連，也沒有輥縫收縮，容易造成二冷前期鑄坯尤其是包晶鋼鑄坯，在出結(jié)晶器時的凝固殼比較薄，在拉坯方向上不均勻，鼓肚增加，造成鑄坯裂紋等質(zhì)量問題。在工程改造允許的情況下，建議板坯連鑄機(jī)的結(jié)晶器設(shè)置錐度，不但有利于提高結(jié)晶器的傳熱效率，改善鑄坯在拉坯方向上的凝固殼均勻性，而且足輥區(qū)域的輥縫能適應(yīng)補(bǔ)償連鑄坯出結(jié)晶器后的尺寸收縮，改善鑄坯出結(jié)晶器后的鼓肚情況，提高連鑄坯質(zhì)量尤其是包晶鋼連鑄坯的質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)連鑄機(jī)輥縫收縮與鋼種成分有較大關(guān)系，鑄機(jī)輥縫收縮制度應(yīng)有所不同，包晶鋼的收縮要大于非包晶鋼種。

(2)實(shí)際生產(chǎn)中對輥縫收縮來說，包晶鋼主要應(yīng)考慮兩個方面，一是凝固初期結(jié)晶器的錐度和二冷初期的輥縫問題；二是凝固末期由于“小鋼錠”問題引起的中心過大收縮造成中心疏松和偏析問題。

(3)2號板坯連鑄機(jī)現(xiàn)用凝固末端輥縫總壓下量(0.8 mm)稍微偏小，需要在鑄坯凝固末端實(shí)施一個更大的末端壓下量，建議Q235G鋼和L245MB鋼增加到1.3 mm，P510L鋼和Q450NQR1增加到1.1 mm。

(4)2號板坯連鑄機(jī)現(xiàn)用鑄機(jī)輥縫的末端壓下位置為14.325～21.198 m，不能兼顧4個典型鋼種高拉速生產(chǎn)時的凝固末端壓下，達(dá)不到減輕鑄坯中心偏析、縮松的效果，建議將壓下位置延長至第10扇形段。

(5)連鑄坯尤其是包晶鋼鑄坯，在出結(jié)晶器時的凝固殼比較薄，凝固殼厚度在拉坯方向上不均勻，容易導(dǎo)致二冷前期鑄坯發(fā)生嚴(yán)重鼓肚變形。2號板坯連鑄機(jī)的結(jié)晶器和足輥段都沒有錐度，建議對結(jié)晶器設(shè)置錐度，對提高連鑄坯質(zhì)量尤其是包晶鋼連鑄坯的質(zhì)量有重要影響。