摘 要：為解決亞包晶鋼澆鑄的爐機周期匹配問題、提 高 生 產 效 率，對亞包晶鋼結晶器冷卻、振 動 模 式及結晶器保護渣等進行優化。優化后，結晶器冷卻水流速由7.27m/s提高至8.45m/s，結晶器振動模式的負滑脫時間由0.112～0.128s穩定控制 在0.151s，結晶器保護渣堿度由1.28提 高 至1.29，1300 ℃黏度由0.13Pa·s下調至0.12Pa·s。實現了亞包晶鋼高拉速的穩定生產，最高工作拉速為1.6m/min;鑄坯表面縱裂紋發生率小于0.3 %，中心偏析質量穩定。
劉啟龍; 曹成虎; 鄧勇; 鄭晴; 張敏; 羅霄， 煉鋼 發表時間：2021-07-26
關鍵詞：亞包晶鋼;高拉速;鑄坯質量
隨著汽車輕量化的快速推進，越來越多的高強鋼得到廣泛的應用，終端客戶對高強鋼的質量與成品規格要求日益多樣化與個性化，現有的高強鋼成分體系普遍采用碳處于包晶區范圍與鈮、釩、鈦等微合金化組合方式[1]，尤其是成品寬度不大于1400mm的需求量急劇上升，板坯亞包晶鋼小斷面鑄坯需求量的急劇增加，導致煉鋼與連鑄生產節奏的不平衡，制約了高效生產，其核心問題表現在板坯亞包晶鋼拉速偏低環節。趙紫峰[2]等針對230mm×1200mm斷面亞包晶鋼在某廠板坯鑄機上進 行 了1.5m/min拉 速 的工 業 試 驗，結果表 明：拉 速 由1.3m/min提 高 至1.5m/min，平均熱流增加約0.1MW/m2，寬面彎月面區域局部熱流增加約0.13MW/m2，結晶器窄/寬面平均熱流比超過0.9，寬面坯殼厚度平均減少4mm;因存在諸多風險，板 坯 亞 包 晶 鋼1.5m/min工 作 拉速沒有得到工業推廣應用。本文重點對亞包晶鋼板坯高拉速技術進行了研究與工業實踐，高拉速(不低于1.5m/min)成功應用于現場，最高工作拉速達到1.6m/min，取得了顯著的成效。
1 亞包晶鋼板坯工作拉速現狀
該廠生產亞包晶鋼的工藝流程為：鐵 水 預 處理(KR)→300t頂 底 復吹 轉 爐 → 吹 氬 站 →LF→ 230mm×(950～2150)mm 板坯 連鑄 機，板 坯 連鑄機為直弧型，主半徑為9.59m，配 置 FC-Mould電磁裝置;共有19個扇形段，其中1與2段為機械固定式，3～19段為帶位置傳感器油缸浮動式，可以依據位 置 傳 感 器 設 定 值 進 行 壓 下 與 抬 起，1段為垂直段，2段為彎曲段，9段為矯直段，10～19段為水平 段，冶 金 長 度 為42.6m;典型亞包晶鋼 的化學成分如表1所示。
在 正 常 生 產 過 程 中， 工 作 拉 速 為1.25m/min;生產230mm×1300mm斷面時，澆鑄周期 為53.2min，與鋼水供應周期40min相 比嚴重不匹配，限制了生產效率的提升，為解決爐機周期不匹配問題，提高生產效率，進行了亞包晶鋼高拉速實驗，目標工作拉速1.6m/min;試驗鋼種成 分 如 表 1 所 示，澆 鑄 斷 面 為 230 mm × 1300mm。
2 亞包晶鋼板坯高拉速技術優化
2.1 結晶器冷卻制度優化
在結晶器內，鋼液和凝固坯殼的絕大部分熱量是通過垂直于拉坯方向傳遞的，主要由3部分構成：鑄坯液芯與坯殼間的傳熱、坯殼與結晶器壁間的傳熱、結晶器壁與冷卻水之間的傳熱。結晶器內的傳熱過程較為復雜，與坯殼和結晶器之間的傳熱系數、拉速、保護渣特性、鋼的高溫強度、結晶器錐度、長度和凝固坯殼的表面溫度等多種因素有關，一般采用結晶器熱流密度q 來衡量結晶器的熱工作狀態，它對亞包晶鋼鑄坯表面裂紋的發生有著重要的影響。
板坯結晶器熱流密度q 可以定義為：q=ωcΔT/S (1)式中：ω 為 冷 卻 水 流 量，m3/s;c 為 水 比 熱 容，J/(kg·℃);ΔT 為進出水溫差，℃;S 為結晶器有效傳熱面積，m2。
對不同拉速下亞包晶鋼結晶器寬面平均熱流密度進行統計，見圖1所示。可以看出，拉速與結晶器平均熱流之間呈線性關系，平均熱流密度隨著拉速的增加而增加，拉速為1.30m/min時熱流密 度 為 1.17 ～ 1.56 MW/m2， 平 均 為1.37MW/m2，拉速增加至1.40m/min時平均熱流密 度 為1.48 MW/m2，拉 速增加 到1.50m/min時平 均 熱 流 密 度 為1.55 MW/m2，拉 速 增 加 到1.60m/min時平均熱流密度為1.58MW/m2。
在一定的過熱度條件下，熱流密度的增加，結晶器內鋼液凝固推遲，凝固坯殼減薄或坯殼表面溫度升高[3]，在應力不變的情況下，坯殼表面溫度向第I脆性溫度區(熔點 Tm ～1300 ℃)移動，鑄坯的表面縱裂紋傾向增加，惡化鑄坯的表面質量;甚至還會造成結晶器膜態沸騰，影 響 生 產 安 全，Kanazawa等通過實驗表明，當結晶器熱流密度高于1.70MW/m2時，亞 包晶鋼 鑄 坯 表 面 縱 裂 紋 發生幾率將大幅提高[4]。
隨著亞包晶鋼拉速的提升，考慮到其增加的傳熱量，將結晶器水流速從當前的7.27m/s增 加 到8.45m/s，即 窄 面 冷 卻 水 由430L/min提 升 至500L/min。調整結晶器冷卻強度后，當拉速提升至1.50m/min 以 上 時，熱 流 密 度 在 1.45 ～1.50MW/m2，拉速提升過程中熱流密度更為平穩，更有利于生產安全和產品質量的控制，見圖2所示。
2.2 結晶器振動模式優化
優化前的結晶器振動參數見圖3所 示，可 以看出，優化前所使用的振動參數，振動幅度一定，振動頻率與拉速呈正比，隨著拉速的增加，負滑脫時間逐漸降低，增加了粘結漏鋼的風險[5];因此考慮到改善鑄坯表面質量和降低粘結漏鋼的風險，對現有振動參數進行優化，采用振動頻率隨拉速呈反向變化，即振動頻率隨拉速提高而降低，振幅隨拉速提高而增加，從而使正滑脫時間增加，增加保護渣消耗量，改善潤滑，防止粘結漏鋼，而同時保持負滑脫時間穩定不變，使振痕深度變淺，改善鑄坯表面質量。
表2為優化前后結晶器振動參數的對比。可以看 出，優 化 后 亞 包 晶 鋼 拉 速 提 升 至1.40～1.60m/min，負 滑 脫時 間 基 本 控 制 在0.151s，負滑脫率控制在36 %左右，與優化前相 比，負 滑 脫時間 分 別 增 加17.97 %、25.83 %、34 .82 %，降低了粘結漏鋼的風險，提高了生產的安全性。優化后的振動參數見圖4所示。
2.3 結晶器保護渣性能優化
亞包晶鋼拉速提升后，噸鋼消耗的保 護 渣 量降低，凝固坯殼與結晶器銅板之間的液渣流入不足，增加拉速阻力，易發生粘結 報 警[6]，因 此在高拉速條件下，保護渣應具備較好的傳熱性能，適當提高堿度，減輕縱裂紋風險;同時還應具備較好的潤滑性能，適當降低黏度，基于此開展保護渣物性參數優化，見表3所示。
由表3可以看出，優化后的高拉速保護渣1，適當增加了保護渣堿度，提高保護渣傳熱能力，防止拉速提升后出現縱裂紋等問題，同時考慮到拉速提升后保護渣消耗量降低的問題，適當降低保護渣黏度，增加保護渣的流入量，經過實踐發現，高拉 速 保 護 渣 1 使用過程中保護渣消耗量約0.50kg/t，液渣 層厚 度10～12mm，未 發 現縱 裂紋等質量問題。
考慮到鑄坯表面振痕對角部質量的 影 響，將拉速提升到1.50m/min以上時，進一步優化調整保護渣物性參數，優化后的高拉速保護渣2，略降低了保護渣的堿度，提升了保護渣的黏度，既能一定程度上控制保護渣傳熱，防止縱裂紋的出現，也能通過提升黏度減少保護渣的流入量，使得振痕變淺，一定程度上改善了鑄坯的角部質量，通過實踐，高 拉 速 保 護 渣2渣 耗 量 在0.45～0.50kg/t，液渣層厚度8～12mm，未發 現縱 裂 紋 等 表 面 質量問題。
通過生產實踐，在滿足實際生產需求的保護渣傳熱、潤滑等需求基礎上，對保護渣物性參數進行了優化調整，目前將高拉速保護渣2應用于拉速提升至1.40m/min以上，將常規保護渣應用于拉速小于等于1.40m/min時。
3 亞包晶鋼高拉速對鑄坯質量的影響
3.1 對鑄坯中心偏析質量的影響
對不同拉速下典型亞包晶鋼中心偏析質量進行統計，見表4所示。不同拉速下鑄坯的宏觀低倍照片見圖5、圖6所示。
由 表 4 和圖 5、圖 6 看出，在拉速小于等于1.3m/min下，典型 鋼種1與 典 型 鋼 種2鑄 坯 的中 心 偏 析 集 中 在 B0.5～ B1.0;在 拉 速 大 于1.4m/min拉速下，典型 鋼 種1與 典 型 鋼 種2鑄坯的中心偏析集中在B0.5～B1.0;隨著拉速的增加，并未惡化鑄坯的中心偏析質量。
3.2 對鑄坯表面縱裂紋發生率的影響
經統計，不同拉速下鑄坯表面縱裂紋發生率(裂紋長度大于4mm)如表5所示，針對典型鋼種1，通過檢查1089塊鑄坯，其表面縱裂紋平均發生率為0.16 %;針對典型鋼種2，通過檢查736塊鑄坯，其表面縱 裂 紋 平 均 發 生 率 為0.18 %;表 明 經連鑄工 藝 優 化 后，1.5～1.6m/min拉 速 條件 下，微合金亞 包 晶 鋼 鑄 坯 表 面 縱 裂 紋 發 生 率 控 制 較好，都小于0.30 %。
結 論
1)從亞包晶鋼結晶器冷卻、振動模式及結晶器保護渣等方面對亞包晶鋼板坯工藝技術優化，結晶器冷卻水流速由7.27m/s提高至8.45m/s，結晶器振動模式的負滑脫時間由0.112～0.128s穩定控制在0.151s，結 晶 器 保 護 渣 堿 度 由1.28提 高 至1.29，1300℃黏度由0.13Pa·s下調至0.12Pa·s。
2)實現了亞包晶鋼高拉速的穩定生產，最高工作拉速達1.6m/min，解決了爐機周期匹配問題。
3)亞包晶鋼高拉速生產工況下，鑄坯表面縱裂紋發生率小于0.3 %，中心偏析質量穩定。
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