高品質(zhì)不銹鋼管坯的連鑄技術(shù)優(yōu)化技術(shù)
針對(duì)不銹鋼管坯潔凈度不足、穿孔裂紋、起皮、軋制表面裂紋等缺陷特征，研究和改進(jìn)了不銹鋼管坯連鑄的相關(guān)工藝，通過(guò)采用復(fù)合脫氧、調(diào)整中間包結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)晶器流場(chǎng)、增加末端電磁攪拌等工藝措施，提升了連鑄鋼水的潔凈度和不銹鋼管原料坯的低倍、表面質(zhì)量，有效保證了高品質(zhì)不銹鋼管的品種開(kāi)發(fā)和質(zhì)量控制。
近年來(lái)，我國(guó)不銹鋼管發(fā)展迅速，但高端不銹鋼管還要依賴(lài)進(jìn)口。為適應(yīng)我國(guó)高端裝備制造發(fā)展的需要，太鋼圍繞高附加值不銹鋼管坯產(chǎn)品研發(fā)投資引進(jìn)了成套的制管、連鑄等關(guān)鍵設(shè)備，建設(shè)起以煉鋼 -型材 -棒線(xiàn)材 -制管為核心的現(xiàn)代化不銹鋼管生產(chǎn)線(xiàn)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，開(kāi)發(fā)出一批以高鐵用精密剎車(chē)管、高壓鍋爐管、加熱爐管、超超臨界火電用管及核電用管、石油化工用管等為主的高端不銹鋼管品種，優(yōu)化了公司的品種結(jié)構(gòu)，大幅提升了公司的競(jìng)爭(zhēng)力。
惡劣的服役環(huán)境對(duì)特殊領(lǐng)域用不銹鋼管耐高溫、耐腐蝕以及壓力等級(jí)提出了很高的要求。不僅需要成分精準(zhǔn)、穩(wěn)定，殘余元素含量低，而且鋼管的原料坯必須達(dá)到很高的潔凈度和良好的疏松、偏析級(jí)別，鑄坯橫截面酸浸低倍試樣上，不允許有肉眼可見(jiàn)的縮孔、分層、夾雜、翹皮、裂紋、氣泡等缺陷。
生產(chǎn)實(shí)踐中，合理的連鑄技術(shù)，對(duì)不銹鋼管產(chǎn)品的研發(fā)和質(zhì)量控制起著決定性作用。潔凈的鋼水和優(yōu)異的低倍質(zhì)量，是高品質(zhì)不銹管質(zhì)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
太鋼不銹鋼管原料坯的生產(chǎn)工藝流程為：90tEAF+45tAOD+LF+CCM（或模鑄）。為了保證原料坯的質(zhì)量穩(wěn)定性，2014年新增了立彎式方坯連鑄機(jī)，相關(guān)參數(shù)如表 1所示。
針對(duì)一些大規(guī)格、連鑄難度大的管坯品種，依然采用傳統(tǒng)的模鑄工藝，通過(guò)對(duì)連鑄、模鑄澆鑄系統(tǒng)的改造和完善，形成了以連鑄為主，連鑄、模鑄相結(jié)合的不銹鋼管原料坯生產(chǎn)路線(xiàn)，在顯著提高質(zhì)量水平的同時(shí)，極大提升了產(chǎn)線(xiàn)的制造柔性和滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化需求的能力。
改進(jìn)前管坯的質(zhì)量現(xiàn)狀 在連鑄機(jī)投產(chǎn)前，模鑄生產(chǎn)的不銹鋼管坯不同爐次間的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，鋼錠縮孔、卷渣等缺陷經(jīng)常發(fā)生。方坯連鑄機(jī)投產(chǎn)初期，不銹鋼管綜合廢品率高達(dá) 4.05%。主要原因是鑄坯內(nèi)部潔凈度不足，夾雜、卷渣幾率較高，導(dǎo)致鋼管探傷合格率低。其次是鑄坯表面質(zhì)量差，如圖1所示。低倍質(zhì)量不穩(wěn)定，疏松、縮孔級(jí)別高，導(dǎo)致軋后荒管坯表面經(jīng)常發(fā)生裂紋等缺陷。
圖2左顯示的是超超臨界機(jī)組用TP347HFG穿管過(guò)程中發(fā)生分層，缺陷部位能譜分析發(fā)現(xiàn)分層中間及附近均存在異物，主要成分為：Si、Al、Ca、Mg、Mn、O、Na、K。這說(shuō)明連鑄過(guò)程中有卷渣，卷入鋼液的非金屬夾雜物殘留在坯料中，熱穿孔過(guò)程中夾雜物促使鋼的基體間的兩個(gè)層面脫開(kāi)，與之相鄰的金屬層發(fā)生分離，形成分層現(xiàn)象。圖2右顯示的是雙相不銹鋼鑄坯表面存在凹坑等缺陷導(dǎo)致在軋成圓棒后表面形成裂紋缺陷。
不銹鋼管坯生產(chǎn)的連鑄技術(shù)優(yōu)化 針對(duì)目前不銹鋼管坯潔凈度不能滿(mǎn)足客戶(hù)需求的現(xiàn)狀，圍繞脫氧還原、中包流場(chǎng)、結(jié)晶器流場(chǎng)等進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，結(jié)合低倍質(zhì)量和表面質(zhì)量控制特征，改進(jìn)了結(jié)晶器流場(chǎng)和增加了末端電磁攪拌裝置，并持續(xù)優(yōu)化了相關(guān)設(shè)置參數(shù)。
3.1 冶煉過(guò)程脫氧方式的改進(jìn)
冶煉過(guò)程中，不同的脫氧方式和渣系控制，決定了鋼水中的全氧含量以及相應(yīng)的夾雜物控制水平。為了保證高品質(zhì)管坯的潔凈度水平，在 AOD試驗(yàn)了三種脫氧方式及研究了相應(yīng)的渣系條件下鋼水中氧含量變化及夾雜物的控制情況。試驗(yàn)時(shí)電爐、連鑄工藝參數(shù)不變，硅脫氧采用傳統(tǒng)的硅鐵進(jìn)行脫氧還原，爐渣堿度（CaO/SiO2）在 1.8～2.2之間。硅鋁復(fù)合脫氧先采用傳統(tǒng)的硅鐵進(jìn)行脫氧，扒渣 85%以后加入鋁丸 200kg進(jìn)行深脫氧，然后用石灰、螢石和鋁粉 0.5kg/t進(jìn)行調(diào)渣后出鋼，爐渣堿度（CaO（/SiO2+Al2O3））在1.8～2.2之間。鋁脫氧采用了高位料倉(cāng)加鋁丸的方式進(jìn)行計(jì)算后加入，扒渣 85%以后加石灰、螢石和鋁粉 0.5kg/t調(diào)渣出鋼，爐渣堿度（CaO（/SiO2+Al2O3））在 2～3.0之間。
表2為不同脫氧方式下典型精煉渣系成分。隨著脫氧方式的變化，渣中（Cr2O3+FeO+MnO）含量由 1.24%分別降低到 0.66%和 0.19%。鋼中全氧含量也呈依次下降趨勢(shì)，如圖3所示。
通過(guò)對(duì)比三種脫氧方式和對(duì)應(yīng)渣系條件下鋼中全氧變化及夾雜物情況，最優(yōu)方案是硅鋁復(fù)合脫氧技術(shù)，采用該方案既能達(dá)到大規(guī)模高效率生產(chǎn)又能保證高質(zhì)量穩(wěn)定控制，全氧含量可以穩(wěn)定控制在 10～30ppm之間。
表3顯示了硅鋁復(fù)合脫氧條件下夾雜物過(guò)程晶相檢測(cè)結(jié)果。在 AOD采用硅鐵還原后再加鋁深脫氧，結(jié)合鋁粉調(diào)渣，鋼中氧含量已達(dá)到了很低水平。同時(shí)鋼水在 LF精煉后通過(guò)鈣化處理，使得夾雜物得到充分的去除，檢測(cè)試樣中未發(fā)現(xiàn)大于 20μm的夾雜物，鑄坯樣中也未發(fā)現(xiàn) 20μm以上的夾雜物。
3.2 連鑄中包流場(chǎng)優(yōu)化
在方坯連鑄機(jī)投產(chǎn)初期，由于中包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，鑄坯內(nèi)部發(fā)生卷渣的現(xiàn)象較為普遍，在觀(guān)察中包鋼液面的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)擋墻通鋼孔鋼流通道處的渣面不穩(wěn)定，容易發(fā)生中包卷渣進(jìn)入結(jié)晶器，同時(shí)也不利于中包內(nèi)夾雜物的上浮。
在中間包內(nèi)加設(shè)合理的控流裝置能夠明顯改善中包流動(dòng)狀態(tài)，促進(jìn)夾雜物去除。因此，首先對(duì)擋墻通鋼孔的孔徑、向上的傾角進(jìn)行了試驗(yàn)改進(jìn)，最終選定圖4右側(cè)的擋墻結(jié)構(gòu)，鑄坯卷渣幾率顯著降低，鑄坯夾雜物穩(wěn)定控制水平提高 32%。
在對(duì)方坯 3流潔凈度的一致性檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn) 2流潔凈度明顯低于 1、3流，而且在日常開(kāi)澆操作中，2流因溫度低導(dǎo)致的液面波動(dòng)大、水口絮流等開(kāi)澆異常明顯多于1、3流。在統(tǒng)計(jì)檢查鑄坯表面質(zhì)量的過(guò)程中 ，1、2、3流鑄坯表面缺陷比例分別是1.5%，6.2%，2.1%。2流鑄坯表面凹陷、振痕扭曲等缺陷明顯高于 1、3流，缺陷特征如上述圖 1所示。
因此，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)中間包流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化控流裝置，減少控流裝置設(shè)置不合理對(duì)其鋼液流動(dòng)特性和溫度分布的影響 。利用商業(yè)軟件 ANSYS-ICEM對(duì)中間包模型劃分六面體網(wǎng)格，然后使用 Fluent進(jìn)行流體計(jì)算。
表 4列舉了 RTD曲線(xiàn)分析結(jié)果的具體數(shù)據(jù)。從中可以看出方案 3為最優(yōu)方案（控流結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 5）：相對(duì)于原方案，各流響應(yīng)時(shí)間和峰值時(shí)間大幅度增加；死區(qū)體積從10.00%降為 6.52%；各流一致性大幅度提高（判別指標(biāo)從0.0146降低為 0.0084）；活塞區(qū)體積大幅度增加（從 45.91%增加至66.34%），這有利于夾雜物的去除。
由圖 6可知，由于第 2流澆注區(qū)存在死區(qū)，鋼液更新速度慢，2#水口上方存在低溫區(qū)，中間包整體溫降達(dá) 36K；由 Y=-1m等截面溫度分布圖可知，1#和 2#水口附近溫度分布差異大，溫降梯度明顯，第 1流鋼液溫度整體比第 2流高約 2K。由圖 7可知，流場(chǎng)優(yōu)化后，2#水口上方低溫區(qū)域消失；中間包整體溫降大幅度降低為 28K，1#和 2#水口附近溫度分布基本一致，且溫度梯度較小。
通過(guò)對(duì)中包流場(chǎng)優(yōu)化，各流金相夾雜分析和鑄坯表面缺陷檢查統(tǒng)計(jì)結(jié)果均有明顯改善，2流 30μm以上夾雜未發(fā)現(xiàn)，和 1、3流沒(méi)有明顯區(qū)別。
3.3 連鑄結(jié)晶器流場(chǎng)優(yōu)化
針對(duì)方坯連鑄結(jié)晶器流場(chǎng)不穩(wěn)定，拉鋼過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生卷渣的情況，采用數(shù)值模擬對(duì)比了不同插入深度情況下流場(chǎng)及卷渣情況，如圖 8所示。插入深度在大于120mm的情況下基本不會(huì)卷渣，大于140mm時(shí)渣面比較穩(wěn)定。
為保證鑄坯潤(rùn)滑和表面質(zhì)量，防止插入深度過(guò)深造成結(jié)晶器保護(hù)渣化渣不良，跟蹤了不同插入深度下結(jié)晶器液渣厚度變化情況（鐵絲 /鋁絲法插入 2s，測(cè)量同一溫度下液渣厚度，每個(gè)深度測(cè) 5組數(shù)據(jù)取均值）。測(cè)量結(jié)果如圖 9所示。綜合防止結(jié)晶器內(nèi)卷渣和保證潤(rùn)滑兩個(gè)因素，最優(yōu)的浸入式水口插入深度為 120～130mm。
通過(guò)采取以上潔凈度改進(jìn)的技術(shù)優(yōu)化措施，成品管坯非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果如表5所示，實(shí)踐證明，技術(shù)優(yōu)化措施取得了很好的效果。
3.4 鑄坯低倍質(zhì)量控制
結(jié)晶器電磁攪拌有利于結(jié)晶器內(nèi)溫度的均勻分布和減少皮下夾雜、氣泡、裂紋等缺陷，還能改善鑄坯中心低倍質(zhì)量，尤其是針對(duì)一些高合金含量的鋼種，結(jié)合末端電磁攪拌效果更好。
但對(duì)于方坯連鑄來(lái)說(shuō)，過(guò)大的結(jié)晶器攪拌強(qiáng)度容易造成角部漩渦卷渣，因?yàn)閿嚢鑿?qiáng)度決定了結(jié)晶器內(nèi)鋼水流速，流速超過(guò)0.4m/s，角部會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)流動(dòng)而導(dǎo)致保護(hù)渣卷吸。過(guò)小的攪拌強(qiáng)度，不利于質(zhì)量的改善。高品質(zhì)的不銹鋼管對(duì)潔凈度和低倍質(zhì)量都有很?chē)?yán)格的要求，因此，結(jié)晶器電磁攪拌以及配置相應(yīng)的末端攪拌，對(duì)于提升不銹鋼管坯的質(zhì)量是非常有必要的。如圖10所示，沒(méi)有采用電磁攪拌時(shí)縮孔較為明顯，柱狀晶發(fā)達(dá)，單獨(dú)采用末端電磁攪拌，等軸晶比例較低，同時(shí)伴隨著輕微縮孔和裂紋，采用結(jié)晶器和末端電磁攪拌組合的情況下，很好的保證了等軸晶比例，同時(shí)疏松和縮孔控制的比較好。
1）根據(jù)不同的客戶(hù)需求，采用合適的脫氧方式，確保合理的鋼水潔凈度水平，通過(guò)對(duì)比，硅鋁復(fù)合脫氧可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和成本、效率的最佳平衡匹配，在未大幅增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)了鋼中全氧 10～30ppm的穩(wěn)定控制。
2）實(shí)踐證明，改進(jìn)后的中包內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了方坯各流溫度和潔凈度的一致性，也改善了鑄坯表面質(zhì)量。
3）通過(guò)調(diào)整結(jié)晶器電磁攪拌和增加末端電磁攪拌，明顯改善了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，促進(jìn)了高品質(zhì)管坯的質(zhì)量控制。
（作者：謝恩敬等）
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