于林輝1， 張振山1，2， Shevchenko Anthony 3， 沈明鋼4， 王一雍1，4
(1. 營口東邦冶金設(shè)備耐材有限公司技術(shù)中心，遼寧營口115100； 2. 遼寧科技大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧鞍山114051； 3. 烏克蘭國家科學(xué)院黑色冶金研究所，第聶伯彼得羅夫斯克49125； 4. 遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）
摘要：中心偏析和等軸晶率是評價連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的重要參數(shù)，而用于改善內(nèi)部質(zhì)量的電磁攪拌、微合金化等技術(shù)相對復(fù)雜，實施成本高。通過對結(jié)晶器插入鋼帶，通過鋼帶的熔化吸熱有效地降低結(jié)晶器內(nèi)鋼液過熱度，可以提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。討論了在給定工藝條件下鋼帶插入對連鑄坯質(zhì)量的影響。計算和生產(chǎn)試驗結(jié)果表明，插入鋼帶可以明顯降低鋼水過熱度；插入鋼帶的連鑄坯疏松和等軸晶率等指標(biāo)均比沒有插鋼帶的連鑄坯好，且噸鋼插入鋼帶量增加可以增加等軸晶率，有利于改善鋼坯內(nèi)部質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：連鑄；插鋼帶；內(nèi)部質(zhì)量
連鑄技術(shù)由于生產(chǎn)效率高、成本低、鑄坯質(zhì)量好，在鋼鐵生產(chǎn)中占有絕對的比例[1-4]。因此，連鑄坯質(zhì)量也直接制約著鋼鐵企業(yè)最終的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。連鑄坯質(zhì)量問題主要有連鑄坯內(nèi)部的偏析、疏松和裂紋等。若要改善這些內(nèi)部質(zhì)量問題，解決思路之一就是改善其凝固的過程，提高等軸晶率[5-7]。提高等軸晶率的方法又包括結(jié)晶器電磁攪拌、輕壓下、微合金化等，但是這些方法技術(shù)上都比較復(fù)雜，成本相對較高。而在結(jié)晶器插入鋼帶，通過鋼帶的熔化吸收熱量來降低周圍鋼液的過熱度；同時通過鋼帶振動擾動鋼液，加速其溫度和成分的均勻；另外，由于鋼帶熔化產(chǎn)生了大量的凝固晶核。通過上述作用，可以有效提高連鑄坯的等軸晶率，使連鑄坯中心組織致密，成分均勻，防止或減輕中心缺陷的產(chǎn)生。該技術(shù)設(shè)備簡單，操作方便，建設(shè)成本低，效果好，對連鑄坯質(zhì)量的提高具有積極作用。結(jié)晶器插鋼帶技術(shù)目前研究多為數(shù)值模擬和熱態(tài)試驗[8-10]，本文通過生產(chǎn)試驗，分析鋼帶插入量對連鑄坯質(zhì)量的影響。
1 生產(chǎn)試驗裝置
連鑄結(jié)晶器振動插鋼帶裝置可以將鋼帶連續(xù)插入結(jié)晶器鋼液內(nèi)，同時使鋼帶持續(xù)振動。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該裝置通過控制系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行指令，通過放帶卷筒旋轉(zhuǎn)將鋼帶送出，然后通過導(dǎo)向和夾持裝置保證其準(zhǔn)確插入鋼水的預(yù)定位置；同時，在鋼帶插入鋼水前，通過振動器進(jìn)行振動，以提高其攪拌和冷卻效果。
2 生產(chǎn)試驗條件
試驗鋼種為Q345B，結(jié)晶器尺寸為220 mm×1 600 mm。本試驗主要研究噸鋼坯插入鋼帶量對連鑄坯質(zhì)量的影響。噸鋼插入鋼帶方案包括：鋼帶振動頻率為60 Hz；插入量為3.5、3.7、5.0 kg/t。鋼液過熱度為20～25 ℃ ，板坯拉速為0.9～1.0m/min。試驗所用鋼液及鋼帶成分見表1。
3 插鋼帶對鋼水過熱度的影響
為計算不同鋼帶插入量對結(jié)晶器鋼水過熱度的影響，建立鋼帶-鋼水傳熱模型，并通過有限元計算軟件procast 進(jìn)行計算。建立的幾何模型及網(wǎng)格劃分示意圖如圖2 所示，圖中中心部位的小長方體為鋼帶，大長方體為鋼水，鋼帶與鋼水的質(zhì)量比根據(jù)鋼帶插入量設(shè)定。
初始條件：鋼水溫度為1 540 ℃，鋼帶溫度為20 ℃。
邊界條件：鋼帶-鋼水體系是絕熱系統(tǒng)，即僅發(fā)生鋼帶和鋼水的傳熱。
因為本計算僅分析鋼帶熔化對鋼水過熱度的影響，所以熱導(dǎo)率的大小僅影響體系到達(dá)平衡的時間長短，并不影響最終的平衡溫度。為使傳熱盡快達(dá)到平衡以節(jié)約計算成本，設(shè)定鋼水和鋼錠的熱導(dǎo)率為10 000 W/ （m·K）；鋼水和鋼帶的其他熱物理參數(shù)均為溫度的函數(shù)，由procast 軟件自帶的材料數(shù)據(jù)庫計算得出。
圖3 所示為模擬溫度結(jié)果取點的位置。當(dāng)各點溫度相同時，可以認(rèn)為傳熱達(dá)到平衡。經(jīng)過計算，鋼帶插入量為3.5 kg/t 時，平衡溫度為1 533.84 ℃，即鋼水過熱度降低6.16 ℃（圖4）；采用相同方法計算得到鋼帶插入量為3.7 kg/t時，鋼水過熱度降低6.54 ℃；鋼帶插入量為5.0 kg/t時，鋼水過熱度降低8.67 ℃。
4 插鋼帶試驗及結(jié)果分析
插鋼帶試驗一共進(jìn)行了12 個爐次，其中僅有1個爐次由于插帶過程中鋼帶打卷造成試驗中斷，其余爐次均較為順利。
4. 1 插鋼帶對連鑄結(jié)晶器熱流的影響
圖5 所示為插入量為3.5 kg/t 的插鋼帶過程中結(jié)晶器熱流的變化情況，圖中各序號按照時間先后排序。由圖5 可見，在插鋼帶過程中，熱流密度總體呈下降趨勢，寬面下降60～80 kW/m2，窄面下降30～50 kW/m2，這說明插鋼帶具有降低結(jié)晶器鋼水過熱度的作用。
4. 2 插鋼帶對連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的影響
圖6 所示為插鋼帶與未插鋼帶連鑄板坯宏觀組織比較圖。由圖6 可見，未插入鋼帶的鑄坯斷面中心偏析集中，經(jīng)測量其等軸晶寬度為20～30 mm，等軸晶率約13.6%（本文中等軸晶率的計算為等軸晶寬度與鑄坯寬度的比值）；穩(wěn)定插入鋼帶的鑄坯斷面幾乎沒有中心偏析，經(jīng)測量其等軸晶寬度為75～80 mm，等軸晶率約為36.4%；當(dāng)插鋼帶接近結(jié)束時，鑄坯斷面又出現(xiàn)了中心偏析，經(jīng)測量其等軸晶寬度為20～25 mm。由上述變化可見，向結(jié)晶器鋼水中插入鋼帶可以明顯提高等軸晶率，減少中心偏析。
圖7 所示為不同鋼帶插入量時連鑄板坯宏觀組織比較圖。由圖7 可見，由于鋼帶降低鋼水過熱度和其振動的攪拌作用，采用插鋼帶操作的鑄坯中心偏析都得到了較好的改善。當(dāng)鋼帶插入量為3.5 kg/t時，其等軸晶寬度為75～80 mm，等軸晶率約為36.4%；當(dāng)鋼帶插入量為3.8 kg/t 時，其等軸晶寬度為75～80mm，等軸晶率為36.4%；當(dāng)鋼帶插入量為5.0 kg/t時，其等軸晶寬度為80～90 mm，等軸晶率為40.9%?？梢?，插入量增加幅度較大的時候，可以較為明顯地提高鑄坯等軸晶率，這是因為增加插入量可以更大幅度地降低鋼水過熱度，增加形核，加速鑄坯中心等軸晶的形成。
另外，鋼帶插入量為5.0 kg/t時的中心偏析情況相對于3.5 kg/t時的較差，這是因為在進(jìn)行鋼帶插入量為5.0 kg/t的試驗時，由于操作原因拉速變化較為頻繁導(dǎo)致的。但是中心偏析相對于未插鋼帶時明顯被打散。在生產(chǎn)試驗中，雖然插鋼帶對連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量有明顯改善，但是目前還存在一定的問題。一個是鋼帶在插入過程中會出現(xiàn)打卷的現(xiàn)象，造成操作中斷時間較長，需要從插鋼帶設(shè)備方面加以改進(jìn)；另外，鋼帶黏渣會對連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量造成不利影響，目前采用鋼帶預(yù)熱的方式減輕或避免黏渣，但是鋼帶預(yù)熱將會影響其對鋼水的降溫效果，需要另辟途徑解決該問題。
5 結(jié)論
（1）插鋼帶技術(shù)使連鑄坯中心等軸晶區(qū)由原來的13.6%擴(kuò)寬到截面的40%以上，在很大程度上消除了中心偏析，提高了中心組織的致密度，抑制了柱狀晶晶粒生長，因此拓寬了等軸晶區(qū)的比例，而且明顯改善了連鑄坯的宏觀組織結(jié)構(gòu)，可顯著改善連鑄坯的質(zhì)量，提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量。
（2）計算結(jié)果表明，當(dāng)鋼帶插入量為3.5 kg/t 時，鋼水過熱度降低6.16 ℃；鋼帶插入量為3.7 kg/t 時，鋼水過熱度降低6.54 ℃；鋼帶插入量為5 kg/t 時，鋼水過熱度降低8.67 ℃。即隨著鋼帶插入量的增加，鋼水過熱度降低幅度也增加。
（3）當(dāng)鋼帶插入量由3.7 kg/t 增加至5.0 kg/t，等軸晶率由36.4%增加至40.9%，即提高鋼帶插入量可以提高鋼帶降低過熱度的程度，從而提高等軸晶率。
參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] 許志剛，王新華，周力，等. 輕壓下參數(shù)對連鑄板坯半宏觀偏析的影響[J]. 鋼鐵，2014，49（3）：36（. XU Zhi-gang，WANG Xinhua，ZHOU Li，et al. Effects of soft reduction parameters onsemi- macro segregation in continuously cast slab[J]. Iron andSteel，2014，49（3）：36.）
[ 2 ] 高仲，韓傳基，陶金明，等. 基于QES系統(tǒng)分析和改善板坯中心偏析[J]. 鋼鐵，2013，48（9）：31（. GAO Zhong，HAN Chuan-ji，TAO Jin- ming，et al. Analysis and improvement of the centersegregation in continuous casting slab based on QES[J]. Ironand Steel，2013，48（9）：31.）
[ 3 ] 曹磊. 寬厚板連鑄動態(tài)輕壓下工藝[J]. 中國冶金，2015，25（1）：45.（CAO Lei. Dynamic soft reduction technology of wideheavy slab continuous casting[J]. China Metallurgy，2015，25（1）：45.）
[ 4 ] 程常桂，車芳，帥靜，等. 連鑄坯中心偏析控制技術(shù)的發(fā)展[J].連鑄，2009（6）：39.（CHENG Chang- gui，CHE Fang，SHUAIJing，et al. Development of centerline segregation control technologyfor continuous casting strand[J]. Continuous Casting，2009（6）：39.）
[ 5 ] 鮑磊，韓自力，張銀花，等. 高速鐵路鋼軌質(zhì)量評估[J]. 中國冶金，2014，24（11）：11（. BAO Lei，HAN Zhi-li，ZHANG Yin-hua，et al. Quality evaluation of high- speed railway rail[J]. ChinaMetallurgy，2014，24（11）：11.）
[ 6 ] 陳永，楊素波，朱苗勇. 高速軌用鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 鋼鐵，2006，41（12）：37.（CHEN Yong，YANG Subo，ZHU Miao-yong. Key technologies of internal quality controlfor continuously cast high speed rail steel bloom[J]. Ironand Steel，2006，41（12）：37.）
[ 7 ] 占賢輝，毛敬華，閻建武，等. 特厚板坯連鑄機(jī)二冷區(qū)噴嘴選型與布置[J]. 鋼鐵，2014，49（5）：42.（ZHAN Xian- hui，MAOJing-hua，YAN Zhan-wu. Selection and layout of nozzle for ultra-thick slab continuous caster[J]. Iron and Steel，2014，49（5）：42.）
[ 8 ] 李維彪，王芳，齊鳳升，等. 結(jié)晶器插鋼帶連鑄坯凝固過程的數(shù)學(xué)模擬[J]. 金屬學(xué)報，2007，43（11）：1191.（LI Wei- biao，WANG Fang，QI Feng- sheng，et al. Mathematical model onsteel strip-feeding of mold in continuous casting process[J]. ActaMetallurgica Sinica，2007，43（11）：1191.）
[ 9 ] 李云濤，張立，徐紅偉. 鋼帶插入比對鑄坯組織的影響[J]. 世界鋼鐵，2011（4）：27（. LI Yun-tao，ZHANG Li，XU Hong-wei. Effectof strip feeding ratio in molten steel on slab microstructure[J].World Iron and Steel，2011（4）：27.）
[ 10 ] 李寶寬，李維彪，王芳，等. 結(jié)晶器喂鋼帶技術(shù)及其模型化研究[C]//第十六屆全國煉鋼學(xué)術(shù)會議論文集. 深圳：金屬學(xué)會煉鋼分會），2010：400.（LI Bao-kuan，LI Wei-biao，WANG Fang，et al. Mathematical model on feeding steel strip of mold in continuouscasting process[C]//Proceedings of the 16th NationalConference on Steelmaking. Shenzhen：Steelmaking Committeethe Chinese Society for Metals，2010：400.）