不銹鋼連鑄技術與質量控制

1、方坯連鑄不銹鋼技術與質量控制特鋼連鑄研討會論文O方坯連鑄不銹鋼技術與質量控制寶鋼股份有限公司特殊鋼分公司陳家昶上海新中連鑄技術工程公司葉楓1. 前言不銹鋼的制造技術已有巨大的發(fā)展,從上世紀60年代不銹鋼開始采用連鑄, 到1985年全世界不銹鋼連鑄比已達70%以上，目前西方工業(yè)發(fā)達的國家不銹鋼 生產(chǎn)兒乎100%用連鑄。最近20年來，世界不銹鋼產(chǎn)量每年以超過7%的比例增 長，1997年不銹鋼總產(chǎn)量為1650萬噸/年，2006年全球不銹鋼產(chǎn)量達到了 2840 萬噸，較2005年產(chǎn)量上升了 16. 7%。其中，中國的不銹鋼產(chǎn)量增加最多，達到 T 530萬噸，比2005年的產(chǎn)量增加了 68%,超過日本躍

2、居世界第一。新上馬的 很多產(chǎn)線釋放出了巨大的能力，中國的不銹鋼市場和產(chǎn)能前景樂觀。我國不銹鋼的連鑄起步較晚，80年代才開始起步。經(jīng)過這兒年的發(fā)展，我 國的不銹鋼連鑄比提高較快，已經(jīng)實現(xiàn)大多數(shù)的不銹鋼品種的生產(chǎn)，但不銹鋼連 鑄的生產(chǎn)和質量控制有一定的難度，在一定程度上制約了我國不銹鋼連鑄坯的生 產(chǎn)。2. 生產(chǎn)工藝和流程不銹鋼冶煉方法有多種，如EAF單煉法、與AOD結合的二步法、與轉爐頂?shù)?復吹及VoD或RH-OB相結合的三步法等，但訂前最有優(yōu)勢、應用最廣泛的還是 EAF+A0D的二步法，在冶煉超低碳不銹鋼時，也有較多采用A0D÷V0D的雙聯(lián)脫 碳工藝。因此，一般常用的工藝流程為：EAF

3、+AOD+ (VOD) +CC (IC)習慣上我們把EAF+AOD稱為兩步法，而EAF+AOD (或轉爐頂?shù)讖痛?+VOD 稱為三步法。電爐冶煉不銹鋼可以選擇采用偏心底(EBT).槽式(SPoUt)出鋼和兩種功 能都有的雙爐殼設訃，偏心底爐殼雖然能做到無渣出鋼，但在出鋼過程很難實 施鋼渣混沖，影響合金的收得率，而且EBT出鋼口易被堵塞，不銹鋼冷鋼處理困 難。因此，在不銹鋼母液生產(chǎn)時，電爐一般采用槽式出鋼法，它在出鋼過程鋼渣 混沖，能有效提高合金收得率，但同時也帶來一個回磷問題，山于不銹鋼的脫磷 困難、易回磷，這就對廢鋼和返回料的選擇使用帶來了嚴格的，對降低配料成本 不利。3. 不銹鋼連鑄鑒于不

4、銹鋼鋼種本身的性能特點（鋼水粘度較大，易氧化元素較多、傳熱 慢、熱膨脹系數(shù)大等），其連鑄生產(chǎn)的特殊性和難度較大。而且不銹鋼品種較多, 其中不乏含Ti、Nb. Cu、S、W等元素，鋼種的裂紋敬感性強、連鑄可澆性較差, 對連鑄工藝的參數(shù)確定和過程控制要求較高。近兒年來，隨著連鑄控制技術和精 度的提高，鋼水冶煉的純凈度提高，90%以上的不銹鋼已連鑄成功，但是過程的 不穩(wěn)定性仍然存在。不銹鋼一般分為鐵素體、奧氏體、馬氏體和雙相不銹鋼等兒類，嚴格的說, 這兒類鋼種的凝固性能和組織各不相同，澆注性能也并不一致?？傮w來說，不銹 鋼連鑄工藝可以從以下兩類著手：以i為主含有擴大奧氏體區(qū)元素（Ni、Mn. N、C

5、）的奧氏體不銹鋼；以Cr為主含有擴大鐵素體區(qū)元素（Cr> Mo、Si、Nb）的 鐵素體不銹鋼。特別還要考慮不銹鋼的成份設計的裂紋敬感區(qū)，見下圖：Cr 當量=%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5x%Cb淬火裂紋熱裂紋b相脆性晶粒長大山圖中可以看出，凝固時新生鐵素體對裂紋不敏感，位置的奧氏體對裂 紋敬感、位置馬氏體的淬火裂紋、位置奧氏體中的相脆性、位置鐵素體的 蠕變行為等都對我們的生產(chǎn)凝固工藝提出了挑戰(zhàn)。不銹鋼方坯連鑄，一般供軋制棒材、卷材、線材和不銹鋼管坯成材。從最 終的產(chǎn)品性能來看，對方坯連鑄坯的表面質量和內部質量要求極高。山于不銹鋼 品種多，工藝的適應性猶為復雜，我們就一些

6、共性的問題做一下探討。3.1.表面質量控制單就熱膨脹系數(shù)而言，奧氏體鋼的值比碳鋼大（50OOC時大56%, IOOOoC時 大54%）,鐵素體鋼與碳鋼相近。這說明奧氏體鋼在結晶器內凝固坯殼會過早收 縮，更易使坯殼厚度不均勻，容易導致表面凹陷，裂紋等缺陷。而且鋼水中的易 氧化元素的夾雜物被連鑄結晶器保護渣吸附后，保護渣的性能容易惡化，從而影 響坯殼與結晶器銅壁之間的液渣流入，形成不均勻渣膜，加劇了傳熱的不均，對 鑄坯的表面質量產(chǎn)生嚴重的破壞。以Ll前的技術裝備而言，常規(guī)連鑄機的結晶器振動技術，對連鑄坯表面質 量造成的直接后果就是產(chǎn)生了振痕，振痕是山于結晶器的周期性振動而在鑄錠表 面產(chǎn)生的間距均勻

7、有一定深度的橫向皺折。山于振痕的普遍存在，因此在一般情 況下，已不將它看成是鑄坯的表面缺陷或者說振痕是連鑄坯的本征缺陷；但是， 對連鑄坯表面振痕的研究，發(fā)現(xiàn)伴隨著振痕的產(chǎn)生，皮下往往有磷、鐳等合金元 素的顯微正偏析，容易導致鑄坯表面產(chǎn)生微小的橫向裂紋，對后步工序產(chǎn)生不利 影響，降低了產(chǎn)品各種物理性能橫向斷面的均勻性。研究表明，振痕是產(chǎn)生表面 偏析和裂紋的原因之一。對于普通鋼的振痕，通過熱軋加熱中的氧化，振痕一般不會對成品質量造 成影響；而不銹鋼則不同，山于具有高的抗氧化性，較深的振痕難以在熱軋中完 全消除，如果用這種坯料軋制，就會在軋材表面產(chǎn)生缺陷。因此，不銹鋼連鑄坯 的振痕的修磨率很高，有些

8、廠家的不銹鋼連鑄坯的修磨率棋至可達100%。控制和減少表面缺陷，減少修磨量和修磨率是不銹鋼降本增效的關鍵。要 做好這方面的工作，主要從結晶器保護渣的選取、振動參數(shù)的確定和結晶器銅管 錐度的設計（包括結晶器水量控制）等方面著手。3.1.1結晶器保護渣連鑄保護渣在連續(xù)鑄鋼的保護澆注中具有非常重要的作用，保護渣的性能 取決于澆鑄中的實際行為，Ll前衡量保護渣的標準還是看它實際使用的效果，對 它的性能優(yōu)化只有一個宏觀的取向：即提高鑄坯表面質量與澆鑄質量。不銹鋼保護渣的研制可以說是一個世界性的難題，由于不銹鋼中含有許多易 氧化元素，需要吸收的夾雜物與特鋼相比差別較大，保護渣性能的設計與保持對 表面質量來

9、說至關重要。奧氏體不銹鋼線具有膨脹系數(shù)大的特點，冷卻過程中氣 隙出現(xiàn)較早，容易產(chǎn)生凹陷等表面缺陷。一般的保護渣設計時針對凹陷型和黏附 4型的鋼種有兩類不同的設計，凹陷型保護渣的特點是堿度較高（渣液在凝固過程 中有析晶現(xiàn)象，渣的粘度曲線有明顯的拐點）形成的固態(tài)渣膜導熱系數(shù)較低，以 降低傳熱速度，改善坯殼的凝固狀況；黏附型保護渣則通過低熔點、低堿度（易 形成玻璃態(tài)液相渣膜層）的設訃，以達到減少摩擦阻力，提高表面質量的Ll的。 不銹鋼保護渣的設計一般采用的是前一種方案。這里要說明一下，由于不銹鋼的 固、液相線較低，因此不銹鋼保護渣的熔點還是較低的。不銹鋼的保護渣耗量一般要大于碳鋼的耗量，這一方面是為

10、了形成均勻的 渣膜厚度；另一方面山于渣耗量大，保護渣的更新速度加快，可以減輕和稀釋被 吸附的夾雜物對保護渣的污染。在整個澆鑄過程中，鋼水彎月面處形成的液渣層 要保持足夠的片度以保證其連續(xù)流人鑄坯與結晶器之間的氣隙，從而形成有效渣 膜，提高傳熱效率與均勻度。而不銹鋼的容易產(chǎn)生表面凹陷的特性，更需要形成 均勻有效的渣膜。在這里保護渣的黏度起了非常重要的作用。通過一定的推導，我們可以得到一個熔渣層厚度與拉速之間的關系圖如下:圖中左邊紅色曲線表示連鑄保護渣的熔化速率高于保護渣消耗速率的悄 況，過了臨界點右邊藍色曲線則表示連鑄保護渣熔化速率低于最大消耗速率的情 況。山上所述充分表明，保護渣黏度與對整個生

11、產(chǎn)中的熱傳導性能有著非常密切 的關系。在這里，我們仍然要強調的是保證穩(wěn)定均勻渣膜對連鑄坯表面質量的提 高大有益處，我們設計選用的保護渣就是要針對連鑄鋼種的具體情況及拉速水平 來進行的。所以在現(xiàn)場澆鑄性能的評判上，渣耗是一個很重要的數(shù)據(jù)。在不銹鋼的結晶器保護渣里，還要注意碳質材料的添加問題。眾所周知， 為了控制保護渣的熔化速度，通常都在保護渣內配入一定量的炭質材料（炭黑或 石墨等），但是絕大部分的不銹鋼是低碳或超低碳，很容易引起增碳，特別在振 痕部位容易岀現(xiàn)碳的正偏析現(xiàn)象；如果不銹鋼表面修磨，一般該種缺陷不會影響 下道工療:。但未經(jīng)修磨的鑄坯進行軋制時，情況就不相同，我們曾經(jīng)檢測到如下 缺陷，在

12、規(guī)格為63的304不銹鋼連鑄管坯上，經(jīng)穿孔酸洗后發(fā)現(xiàn)荒管表面出 現(xiàn)螺旋狀缺陷，如下圖：電子探針面分析結果表明，荒管缺陷區(qū)域內的黑色溝槽中聚集C元素，如 下圖:電子13像1ImfnIminCKal 2無獨有偶，在一個低碳不銹鋼連鑄坯橫向低倍的試樣上，對其中心疏松部位 做掃描電鏡時，也發(fā)現(xiàn)了碳質材料的痕跡，如下圖：詰國6滿呈程 5157 CtS 光祝:9.745 (0 CiS)keV為此，有些要求高的無碳不銹鋼保護渣，采用超細微的金屬粉末取代碳質材 料，用來控制保護渣的熔化速度，所以在保護渣的選擇上，應多方面的考察和試 驗，才能找到符合不銹鋼各鋼種質量要求的保護渣。3.1.2結晶器振動對振痕的產(chǎn)生

13、機理長期以來一直存在很多理論，如撕裂-愈合機理、機械變 形機理、二次彎月面機理、保護渣作用機理等等，但直到今天還沒有一個理論能 夠完整的解釋所有的現(xiàn)象。不過有一點LI前已達成了共識：即振痕的深度主要與 負滑脫時間、負滑脫量有關。因此，研究振動參數(shù)控制負滑脫時間對連鑄坯表面 質量的提高有著非常重要的意義。早期，負滑脫時間一般認為在0.5s左右對防止粘連及順利脫模有利，如果 超過這個值，就會影響振痕深度，過深的振痕會導致鑄坯表面橫裂紋的產(chǎn)生。但 山于Ll前連鑄設備與澆鑄水平提高很快，鑄坯與結晶器的脫模已經(jīng)不再成為主要 矛盾，相反隨著連鑄坯表面質量要求的提高。Ll前，已有連鑄機將負滑脫時間控 制在0

14、. IS的水平。山于負滑脫時間對振痕的深度影響較大，為減小振痕的深度，減少負滑脫時 間是一行之有效的方法,在傳統(tǒng)連鑄過程中，結晶器振動的模式為正弦振動模式, 為減小負滑脫時間，只有通過高頻小幅振動的方式來實現(xiàn)。但在高頻小幅振動條 件下，將會在一定程度上減少保護渣的消耗，影響保護渣的流入與渣膜的均勻形 成，破壞了初生坯殼和結晶器壁的潤滑，從而增加了表面裂紋其至拉漏的可能。 因此應用高頻小幅振動減少負滑脫時間的描施雖然有效，但仍然存在一定的隱 患，應用上受到限制。而在非正弦振動條件下，不改變頻率，也能達到減小負滑脫時間的Ll的，這 種情況下，與正弦振動模式相比，它的正滑移時間更長，振痕的深度也相應

15、地降 低。目前的液壓振動控制設備，已成為實現(xiàn)非正弦振動的保證。多次現(xiàn)場試驗測定證明，采用了非正弦振動方式后，結晶器保護渣的渣耗量 并沒有因為負滑脫時間的降低而下降，反而略微有所上升。這在一定程度上證明 了保護渣的液渣基本上是在正滑脫期內流入的機理（Ll前世界上一直存在有正、 負滑脫時間流入的兩派爭論，前者以韓國浦項為代表，后者以S. TakaUChi為代 表）。而隨著拉速、AS值的提高，保護渣的耗量有降低的趨勢，因此選取連鑄 保護渣要以連鑄機正常工藝的拉速范圍為依據(jù)。至于振動頻率的選擇，按照流體力學理論，液體表面波動存在一個本征頻率, 它與材料本身、斷面、深度、液體表面張力等因素相關，相關領域

16、(有色金屬) 的研究表明，如果實際振頻接近系統(tǒng)固有頻率時，容易產(chǎn)生共振，此時渣膜通道 最大，拉坯阻力最小，鑄坯表面最光滑。雖然這個工作不見連續(xù)鑄鋼領域報道， 但對我們選擇合適的振動參數(shù)又多了一個考慮方向。3. 2.連鑄坯內部質量不銹鋼的內部質量很大程度上取決于鋼種的特性，鋼的凝固行為在一定程度 上決定了連鑄坯內部的鑄態(tài)組織。根據(jù)加藤等人的研究結果，根據(jù)含傑不銹鋼的 Cr/Ni當量比，在鑄坯凝固過程中發(fā)生如下相變反應：CreqNieq>2. 0： L*L÷ ( ) ( ) ÷ Creq/Nieq 在 1. 6 1. 9： Lf L+ -L÷ + ( ) + C

17、req/Nieq 在 1. 26 1. 46： L-*L+ Y -*L+ + -* + (CI) CreqNieq<l. 2： L*L÷ Y-kY一般可以按Cri當量比1.5為界，初晶分別為相和Y相。初晶相的差別 對于微觀偏析的程度有著影響，因為溶質元素在相的擴散速度約為在Y相中的 100倍。所以初晶為Y相時，一般存在明顯的微觀偏析。微觀偏析，特別是P、S 的偏析和聚集，對鑄坯裂紋的形成存在著很大的隱患。因此，鑄坯的低倍組織與鑄坯凝固時的鑄態(tài)組織存在著一定的區(qū)別，有時很 難復原分析；對于上列第4種單相組織相變，做金相的微觀分析還比較容易。不 同的不銹鋼鋼種表現(xiàn)出不同的宏觀組織特

18、性，比較典型的方坯低倍組織如下：7G鐵素體不銹鋼的低倍組織b）奧氏體不銹鋼的低倍組織C)雙相不銹鋼的低倍組織針對不銹鋼方坯的質量要求，山于各種鋼種的差異較大，這里就不詳細分析 了。但通常用來控制提高內部質量鑄態(tài)組織要求的是電磁攪拌和二冷控制。3. 2.1.電磁攪拌對鑄坯質量的影響對于不銹鋼，電磁攪拌選用的參數(shù)與特鋼相比變化還是比較大的。下式表示在鋼水中產(chǎn)生感應電流與該處磁場作用產(chǎn)生電磁力的大小可用下 式表示：f = J × B = (E + v × B)× B上式中：J為電流密度；為鋼水電導率；V為磁場和鋼水相對運動速度速度;B為磁感應強度；7為電磁力；為真空磁導

19、率；E為電場強度。通過上式，我們可以認為在相同磁場條件下，電磁力的作用取決于材料的 電導率水平，通常不銹鋼的電導率略小于特鋼，但相差并不大。而對于一般的金 屬當其溫度大于760°C時以及液態(tài)的鋼水通常都是不導磁的，這方面特鋼和不銹 鋼的特點是一致的。試驗證明，作用于鑄坯中心液相的磁感應強度B不銹鋼反而要比特鋼強一 些，這可能是由于不銹鋼的合金含量高，液芯的粘度較大，運動時產(chǎn)生的阻力也 大；其次，由于不銹鋼導熱率低，凝固時，其柱狀晶生長傾向，大大地高于一般 的特鋼，因此，如果我們?yōu)榱诉_到相同的電磁攪拌效果，一般說來，對于不銹鋼 無論是M-MES或F-MES工作電流的設定應高一些。對于方坯而言，電磁攪拌的Ll