首鋼京唐板坯連鑄技術(shù)進(jìn)步

陳凌峰¹⁾，趙長(zhǎng)亮¹⁾,  鄧小旋²⁾, 季晨曦^1,2)

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200； 2.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043）

摘  要：本文回顧了近十年來(lái)首鋼京唐為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板和特厚鋼板而開(kāi)發(fā)的板坯連鑄新技術(shù)。為了降低優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板表面冶金缺陷，開(kāi)發(fā)了浸入式水口防堵塞技術(shù)、結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)綜合控制技術(shù)和中高拉速FC結(jié)晶器技術(shù)等。綜合應(yīng)用這些技術(shù)后，水口堵塞率降低60%以上，結(jié)晶器液面波動(dòng)±3mm比例提高至98%以上，冷軋鋼板表面卷渣缺陷指數(shù)降低了50%以上。通過(guò)倒角結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)傳熱模擬研究、矯直過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變模擬研究、結(jié)晶器銅板溫度分布研究，提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的帶有圓管式附加冷卻孔的大倒角結(jié)晶器窄面銅板，將全鋼種軋材邊部缺陷率＜0.4％。并自主開(kāi)發(fā)、完善10余項(xiàng)鑄機(jī)自動(dòng)化功能，改善了現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，降低了職工勞動(dòng)量。單臺(tái)鑄機(jī)人員數(shù)量由原來(lái)的13人/鑄機(jī)降低至目前的6人/鑄機(jī)。

關(guān)鍵詞：水口堵塞；卷渣；結(jié)晶器流場(chǎng)控制；高拉速；倒角結(jié)晶器；無(wú)人化澆鑄

Progresses of Slab Continuous Casting Technology Development at Shougang Jingtang

CHEN Ling-feng¹⁾,   ZHAO Chang-liang ¹⁾,   DENG Xiao-xuan²⁾,   JI Chen-xi^1,2)

(1.Shougang Jingtang Iron ＆ Steel Co.,LTD ; 2.Research Institute of Technology, Shougang Group Co., Ltd, Beijing, 100043, China )

Abstract: Progresses of developed continuous casting technology to produce high quality cold rolled sheets and heavy plates during last ten years were reviewed in this paper. In order to minimize the metallurgical surface defects of high quality cold rolled sheets, several technologies were developed including clogging prevention of submerged entry nozzle, optimization and control of flow pattern in CC mold, optimization of FC mold under medium-high speed CC. The ratio of SEN clogging was reduced above 60%. The time percentage of fluctuation of mold level within ±3mm is higher than 98%. The index of surface defects caused by entrapped mold powder was reduced more than 50%. Through the simulation study of flow heat transfer in the chamfered mold, stress-strain simulation of the straightening process, and temperature distribution calculation of the copper plate of the mold, a large chamfered mold technology with circular tube type additional cooling holes is proposed. The edge defect rate of the coils is controlled <0.4%. And more than 10 casting machine automation functions were developed independently , improving the on-site working environment and reducing the workload of employees. Employees of single casters have been reduced from the original 13/caster to the 6/caster.

Keyword: SEN clogging; mold powder entrapment; flow control in the mold; high speed; chamfered mold;

前言

自2002年開(kāi)始，首鋼集團(tuán)實(shí)施了搬遷調(diào)整，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)材為主調(diào)整為優(yōu)質(zhì)板材。在曹妃甸京唐公司建成4臺(tái)板坯連鑄機(jī)，主要用于生產(chǎn)汽車板、鍍錫板、家電板和車輪鋼等薄板產(chǎn)品。在冷軋鋼板的表面缺陷中，主要的冶金缺陷有線狀缺陷、翹皮、氣泡和孔洞，這些都與連鑄工序密切相關(guān)^[1-4]。如：簇群狀A(yù)l₂O₃會(huì)在冷軋鋼板表面形成灰白色線狀缺陷，卷入的保護(hù)渣會(huì)造成灰黑色線狀缺陷，氣泡+Al₂O₃會(huì)造成翹皮缺陷等。因此，防止水口堵塞、降低結(jié)晶器液面波動(dòng)和控制結(jié)晶器流場(chǎng)等技術(shù)成為控制這些缺陷的主要措施。同時(shí)，針對(duì)板坯的角橫裂問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了倒角結(jié)晶器技術(shù)。并自主開(kāi)發(fā)、完善鑄機(jī)自動(dòng)化功能，以降低工藝操作難度、提高生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量，同時(shí)改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，降低職工勞動(dòng)量。

1板坯連鑄技術(shù)進(jìn)步

1.1浸入式水口防堵塞技術(shù)

冷軋鋼板主要采用Al脫氧，脫氧產(chǎn)物或者二次氧化生成的Al₂O₃是浸入式水口堵塞的主要原因。為了減輕水口堵塞，普遍采用的技術(shù)措施有：1）綜合運(yùn)用潔凈鋼冶煉的各種技術(shù)，提高精煉結(jié)束時(shí)鋼水的潔凈度，嚴(yán)格控制鋼水總氧含量至較低水平；2）嚴(yán)格保護(hù)澆注，如鋼包長(zhǎng)水口浸入式開(kāi)澆、中間包上水口、塞棒（或滑板間）、浸入式水口吹氬等。

采用上述技術(shù)措施后，還存在以下兩個(gè)問(wèn)題：一是在澆鑄過(guò)程尤其是換包過(guò)程中包液面出現(xiàn) “渣眼”，即鋼水裸露，這很容易造成鋼水二次氧化，從而導(dǎo)致水口發(fā)生堵塞，塞棒棒位快速上漲，連澆被迫中斷；二是方形浸入式水口的出口上沿存在低速流區(qū)，堵塞物容易在此聚集。為了解決這些問(wèn)題，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)水口“渣眼”抑制技術(shù)和橢圓形浸入式水口技術(shù)。

對(duì)安裝湍流抑制器的中間包進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)水口“渣眼”的形成原因是：鋼水自水口流出后，沖擊至湍流抑制器底部，形成很強(qiáng)的反向流股，該流股直沖至中間包鋼液表面，在長(zhǎng)水口附近形成“渣眼”，如圖1（a）所示。因此，湍流抑制器優(yōu)化的方向是將鋼水沖擊的能量耗散在湍流抑制器內(nèi)部，確保反向流股不沖擊鋼水液面，使中包鋼水始終被覆蓋劑所覆蓋。采用新型湍流抑制器后鋼液的流動(dòng)見(jiàn)圖1（b）。該湍流抑制器應(yīng)用后，整個(gè)澆次不再出現(xiàn)“渣眼”問(wèn)題，中間包內(nèi)鋼水的二次氧化得到了有效控制，中間包總氧含量降低3ppm左右。

采用1:1水模型對(duì)浸入式水口出口附近的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：出口上部存在反向流動(dòng)區(qū)域，該流股抵消了流出流股的動(dòng)能，如圖2（a）所示，圖中A處為低流速區(qū)。這就相當(dāng)于形成了一個(gè)相對(duì)靜止的區(qū)域，從而夾雜物容易在此區(qū)域聚焦導(dǎo)致水口堵塞。這現(xiàn)象與堵塞水口的實(shí)物照片相符。為此，為水口進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，主要包括：1）水口出口角度由15°增大到25°、水口底部形狀由凸底改為凹底、出口形狀由方形改為橢圓形。圖2（b）為優(yōu)化后浸入式水口出口附近的流場(chǎng)。可見(jiàn)，相對(duì)靜止的區(qū)域消失。綜合采用上述技術(shù)后，水口堵塞率降低了60%以上，冷軋鋼板表面卷渣缺陷指數(shù)也隨之降低。其主要原因是：水口堵塞容易導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)出現(xiàn)偏流，結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇，對(duì)比試驗(yàn)顯示，采用上述技術(shù)后，結(jié)晶器液位波動(dòng)±3mm比例提高至98%以上。

1.2結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)綜合控制技術(shù)

結(jié)晶器保護(hù)渣卷入受鋼液流動(dòng)形態(tài)的影響很大。大量的水模型研究^[5-8]發(fā)現(xiàn):結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)呈現(xiàn)雙股流模式，即鋼液從水口流出后，形成一股很強(qiáng)的射流，撞擊到結(jié)晶器窄面后（距離彎月面約400mm，與浸入式水口的角度和插入深度有關(guān)），射流才改變方向，分成向上和向下兩股鋼流。向上的流股在自由表面附近形成兩個(gè)較強(qiáng)回流，該回流會(huì)促進(jìn)夾雜物的上浮并影響自由表面的波動(dòng)。向下的流股也形成與上部回流方向相反、范圍更大的兩個(gè)回流，其強(qiáng)度在向下延伸時(shí)逐漸減弱。雙股流動(dòng)模式有利于提高鋼水彎月面溫度，促進(jìn)保護(hù)渣熔化。圖3（a）展示了1:1水模型實(shí)驗(yàn)中典型雙股流模式，宏觀流態(tài)見(jiàn)圖中手繪線所示。

為了緩解浸入式水口堵塞，普遍采用塞棒、上水口和浸入式水口吹氬技術(shù)。但是，隨著吹氬量的增加，結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流場(chǎng)形態(tài)會(huì)發(fā)生明顯的變化：上回流增強(qiáng)，渦心位置向結(jié)晶器表面和浸入式水口側(cè)移動(dòng)；下回流減弱，沖擊深度降低。當(dāng)吹氬量超過(guò)某臨界值時(shí)，流動(dòng)模式會(huì)轉(zhuǎn)化為單股流動(dòng)模式，如圖3（b）所示。與圖3（a）的流場(chǎng)完全不同，鋼水流攜帶氣泡從水口吐出后，大量氣泡伴隨著鋼水流往結(jié)晶器液面中心運(yùn)動(dòng)，一部分在結(jié)晶器中部形成兩股近乎垂直的上沖流，另一部分氣泡和鋼水朝窄面運(yùn)行，到達(dá)窄面后向下折返形成一個(gè)大環(huán)流。向上的沖流會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動(dòng)加劇，對(duì)保護(hù)渣的剪切力增大。研究表明：?jiǎn)喂闪鞯牧鲌?chǎng)形態(tài)對(duì)卷渣有非常不利的影響^[10-12]。不僅如此，寬斷面冷軋鋼板表面卷渣的發(fā)生率高于常規(guī)寬度，而相關(guān)的連鑄工藝參數(shù)及保護(hù)渣未發(fā)生變化。該問(wèn)題是否與單流股相關(guān)也需要開(kāi)展研究。

為了避免單股流模式所帶來(lái)的危害，采用水模型和插釘法研究了不同拉速、斷面條件下，保證結(jié)晶器雙股流的臨界吹氬量，如圖4所示�？梢�(jiàn)，1）臨界吹氬量隨通鋼量的增加而增大。以1300mm寬度為例，當(dāng)通鋼量為3.5t/min，即拉速為1.5m/min時(shí)，臨界吹氬量為8L/min。2）相同通鋼量條件下，隨之?dāng)嗝鎸挾鹊脑黾�，臨界吹氬量迅速降低。當(dāng)通鋼量為3.5t/min時(shí)，與1050mm斷面相比，1900mm斷面臨界吹氬量降低了約40%。采用臨界吹氣量控制策略后，結(jié)晶器內(nèi)翻騰現(xiàn)象基本解決，消除了結(jié)晶器翻騰導(dǎo)致的卷渣。

1.3 中高拉速下FC結(jié)晶器技術(shù)

FC-mold是由兩個(gè)覆蓋整個(gè)板坯寬度的水平磁場(chǎng)構(gòu)成。一段磁場(chǎng)放置在彎月面處，目的是為了降低彎月面處的鋼液流速。另一段磁場(chǎng)施加在浸入式水口下方，降低結(jié)晶器主流股對(duì)窄面的沖擊速度^[13]。其主要用于高拉速（≥1.8m/min）下結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的控制，當(dāng)拉速低于1.8m/min時(shí)，投入FC結(jié)晶器反而增加了卷渣發(fā)生概率。

為了建立高效化的生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)煉鋼、精煉以及連鑄的匹配，對(duì)于斷面在1300mm以下時(shí)，需要將拉速提高至1.5-1.7m/min。在此拉速下，結(jié)晶器液面波動(dòng)明顯增加，冷軋鋼板表面卷渣缺陷指數(shù)也隨之增加，因此，有必要開(kāi)發(fā)中高拉速下FC結(jié)晶器技術(shù)。

圖5給出了FC結(jié)晶器上部線圈電流對(duì)冷軋鋼板表面卷渣缺陷指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：拉速1.6m/min、斷面寬度1300mm、下部線圈電流542A，上部線圈電流在0-450A之間變化�？梢�(jiàn)，1）與沒(méi)有應(yīng)用FC-mold技術(shù)相比，即便是上部線圈的電流為0，卷渣缺陷指數(shù)下降了約40%。主要原因是下部磁場(chǎng)在降低鋼液撞擊到窄面的速度的基礎(chǔ)上，降低了向上反流的速度，從而減少了液面波動(dòng)。插釘法測(cè)定的結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)的波形顯示，沒(méi)有應(yīng)用FC-mold時(shí)，液面波峰波谷差達(dá)到30mm以上，使用電流組合為 0/542A后，結(jié)晶器液面波峰波谷差縮小至15mm左右，降低了約50%。2）當(dāng)上部線圈電流增加至50-150A時(shí)，卷渣缺陷指數(shù)降低了50%以上，插釘法測(cè)定的結(jié)晶器液面波峰與波谷的差值在10mm以下。3）隨之上部線圈電流進(jìn)一步增大，卷渣發(fā)生率增加。其主要原因是結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂闪鳎�插釘法顯示，在寬度1/4處，結(jié)晶器表面鋼液流速指向窄面。

在綜合浸入式水口角度、插入深度、結(jié)晶器斷面和拉速優(yōu)化的基礎(chǔ)上，成功開(kāi)發(fā)了中高拉速下FC結(jié)晶器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了1.5-1.7m/min拉速下FC結(jié)晶器的常態(tài)化應(yīng)用，在有效抑制結(jié)晶器液面波動(dòng)的同時(shí)，將鉤狀坯殼深度從2.3mm降低至1.7mm，有效地降低了卷渣缺陷。使用FC mold對(duì)鉤狀坯殼影響見(jiàn)圖6所示。

1.4倒角結(jié)晶器技術(shù)

連鑄板坯角橫裂紋缺陷是微合金化鋼板坯的主要表面缺陷。其主要原因是角部二維傳熱使板坯角部溫度在連鑄彎曲或矯直過(guò)程落入鋼種的第三脆性區(qū)，導(dǎo)致應(yīng)力開(kāi)裂^[14]。傳統(tǒng)控制板坯角橫裂紋的方式是優(yōu)化結(jié)晶器振動(dòng)方式和二冷制度等，但無(wú)法從根源上消除此缺陷。倒角結(jié)晶器技術(shù)的主要思路是將板坯角部的傳熱狀態(tài)由二維改為一維，提高角部溫度。針對(duì)首鋼京唐公司板坯連鑄微合金化鋼中所存在的角部橫裂紋發(fā)生率高的問(wèn)題，采用大倒角結(jié)晶器技術(shù)對(duì)現(xiàn)有連鑄工藝優(yōu)化改進(jìn)，從結(jié)晶器傳熱均勻性及鑄坯凝固過(guò)程角度出發(fā)，分析了鑄坯角橫裂的形成機(jī)理，通過(guò)倒角結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)傳熱模擬研究、矯直過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變模擬研究、結(jié)晶器銅板溫度分布研究，確定了鑄坯角部倒角角度、倒角部長(zhǎng)度及倒角面冷卻結(jié)構(gòu)，提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的帶有圓管式附加冷卻孔的大倒角結(jié)晶器窄面銅板，其橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

采用倒角結(jié)晶器技術(shù)生產(chǎn)鋼種包括低碳、超低碳鋼，石油管線鋼（X80、X65、X60、X52），石油套管鋼（J55），Q345B、Q345qc，SS400、SS400加硼，高強(qiáng)機(jī)械用鋼、船板鋼等20多個(gè)鋼種。鑄機(jī)正常生產(chǎn)微合金化鋼的拉速為1.0～1.4m/min。對(duì)所生產(chǎn)的662塊（約占總生產(chǎn)量的三分之一）帶倒角的連鑄坯進(jìn)行清理檢查，結(jié)果無(wú)一塊鑄坯存在角部橫裂、縱裂缺陷。對(duì)全部帶倒角連鑄坯進(jìn)行軋制后，軋材邊部缺陷率＜0.4％。

1.5連鑄無(wú)人化智能澆鑄平臺(tái)

進(jìn)入21世紀(jì)，板坯連鑄自動(dòng)化控制技術(shù)又有了長(zhǎng)足進(jìn)步，京唐公司以工藝、操作需求為前提，自主開(kāi)發(fā)、完善10余項(xiàng)鑄機(jī)自動(dòng)化功能，實(shí)現(xiàn)了中包無(wú)人值守澆注；開(kāi)發(fā)了澆鑄系統(tǒng)智能語(yǔ)音自動(dòng)報(bào)警及智能事故處理系統(tǒng)，不僅降低了工藝操作難度、提高了生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量，同時(shí)改善了現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，降低了職工勞動(dòng)量。單臺(tái)鑄機(jī)人員數(shù)量由原來(lái)的13人/鑄機(jī)降低至目前的6人/鑄機(jī)，各崗位均達(dá)到浦項(xiàng)光陽(yáng)廠單臺(tái)鑄機(jī)人員數(shù)量水平。

3結(jié)論

為了滿足優(yōu)質(zhì)板材對(duì)冶金質(zhì)量的要求，介紹了過(guò)去十年在連鑄技術(shù)上取得的進(jìn)步，主要結(jié)論有：

1）針對(duì)優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板表面冶金缺陷，開(kāi)發(fā)了浸入式水口防堵塞技術(shù)、結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)綜合控制技術(shù)和中高拉速下FC結(jié)晶器技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了水口堵塞率降低60%以上，結(jié)晶器液面波動(dòng)±3mm比例提高至98%以上，冷軋鋼板表面卷渣缺陷指數(shù)降低了50%左右。

2）通過(guò)倒角結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)傳熱模擬研究、矯直過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變模擬研究、結(jié)晶器銅板溫度分布研究，提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的帶有圓管式附加冷卻孔的大倒角結(jié)晶器窄面銅板，將全鋼種軋材邊部缺陷率＜0.4％。

3）在以工藝、操作需求為前提，自主開(kāi)發(fā)、完善10余項(xiàng)鑄機(jī)自動(dòng)化功能，改善了現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，降低了職工勞動(dòng)量。單臺(tái)鑄機(jī)人員數(shù)量由原來(lái)的13人/鑄機(jī)降低至目前的6人/鑄機(jī)。

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