天鋼40Si2MnV鋼澆鑄穩(wěn)定性工藝研究

李林杰，寧 超

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

在生產(chǎn)鋼種40Si2MnV時(shí)，天鋼方坯2#連鑄6流150×150方坯連鑄機(jī)多次發(fā)生漏鋼事故。漏鋼是連鑄生產(chǎn)作業(yè)中嚴(yán)重事故。針對(duì)該鋼種的特性，以此次生產(chǎn)過程中漏鋼具體情況作為項(xiàng)目進(jìn)行研究，以期找出漏鋼發(fā)生的原因，同時(shí)根據(jù)漏鋼尾坯的外形尺寸來計(jì)算我廠2#連鑄機(jī)在彎月面到結(jié)晶器下口這一段的凝固系數(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，避免再次澆鑄此鋼種時(shí)發(fā)生漏鋼事故。

1 生產(chǎn)情況及研究方向確定

天鋼于2017年生產(chǎn)150方40Si2MnV鋼種1個(gè)澆次中，生產(chǎn)13爐，共漏鋼4次，發(fā)生在前5爐中。主要通過研究漏鋼澆次的生產(chǎn)情況來找出漏鋼的主要原因，且通過漏鋼時(shí)尾坯情況來分析凝固系數(shù)是否與經(jīng)驗(yàn)?zāi)滔禂?shù)相匹配。本文主要結(jié)合以下3點(diǎn)進(jìn)行分析：（1）鋼種的特性，計(jì)算每爐碳當(dāng)量結(jié)合鐵碳相圖分析其凝固過程，凝固后成分結(jié)構(gòu)分析；（2）結(jié)合結(jié)晶器使用，精煉處理時(shí)間及漏鋼時(shí)鋼水溫度、拉速，保護(hù)澆鑄情況分析漏鋼主因；（3）根據(jù)漏鋼尾坯的具體情況來分析漏鋼原因，以及凝固系數(shù)是否與經(jīng)驗(yàn)?zāi)滔禂?shù)相匹配。

本澆次生產(chǎn)150方坯40Si2MnV過程中：第2爐14：26時(shí)5流內(nèi)弧縱裂漏鋼停。漏鋼時(shí)溫度1528℃，拉速2.0 m/min。漏鋼發(fā)生在2A區(qū)，在內(nèi)弧靠近6流側(cè)漏鋼區(qū)域前后均有表面渣溝痕跡，5流漏鋼與鑄坯出結(jié)晶器后的冷卻不均以及表面渣溝有密不可分的關(guān)系。由于鑄坯出結(jié)晶器后、靠6流側(cè)弧方向的鑄坯冷卻滯后，導(dǎo)致其坯殼凝固較其他3個(gè)方向慢。鑄坯在熱應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋，且在內(nèi)弧側(cè)的渣溝處坯殼較薄，在熱應(yīng)力的作用下鑄坯內(nèi)弧開裂漏鋼。漏鋼后殘留鋼液在鑄坯坯殼凝固，不具備測(cè)量坯殼厚度條件[1-3]。

第3爐2流15：30時(shí)角裂漏鋼接鑄后接鑄塞棒控流異常流大15：33時(shí)停。漏鋼時(shí)溫度1 510℃，拉速2.2 m/min。處理廢鋼后2流2次開時(shí)塞棒輕微開啟流大直接滿液位停，廢鋼留在結(jié)晶器中無法再次開。漏鋼圖片見圖1。

圖1 漏鋼樣貌圖片1

2流漏鋼發(fā)為角裂，發(fā)生在1區(qū)，其內(nèi)弧側(cè)發(fā)現(xiàn)明顯渣溝，延伸至漏鋼處，后部發(fā)紅鑄坯為接鑄段。2流漏鋼主因是渣溝引起。渣溝部位在熱應(yīng)力的作用下鑄坯開裂漏鋼，漏鋼后殘留鋼液在鑄坯坯殼凝固，不具備測(cè)量坯殼厚度驗(yàn)證凝固系數(shù)的條件。

第5爐18：28時(shí)6、3流先后角裂漏鋼停，6流漏鋼后未停，3流漏鋼后接鑄一次，未接上停。漏鋼時(shí)溫度1 529℃，拉速2.0 m/min。處理廢鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)3流結(jié)晶器外弧足輥一側(cè)螺絲掉，外弧足輥掉，偏離水平位置。6流漏鋼后未接鑄，6流漏鋼時(shí)開啟度及尾坯見圖2。

6流鑄坯角裂后鋼液噴濺在結(jié)晶器足棍處，未在鑄坯上殘留鋼液，鑄坯在過拉機(jī)時(shí)與后面的坯殼分離拉斷分離。6流后半段坯殼掉入拉機(jī)下面，過拉矯機(jī)時(shí)鑄坯發(fā)出開裂響聲，坯殼內(nèi)外弧在拉矯應(yīng)力下開裂，鑄坯發(fā)脆。與鋼中高Si與V含量有密切關(guān)系。6流尾坯測(cè)量其坯殼外型尺寸后計(jì)算其凝固系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)滔禂?shù)做比較。鑄坯表面無明顯渣溝，6流角裂漏鋼原因結(jié)合鋼種特性做下一步分析。

圖2 漏鋼樣貌圖片2

3流外弧足棍一側(cè)螺絲掉，可能是由于鑄坯在出結(jié)晶器時(shí)突然向足棍掉下方向偏移，在強(qiáng)的外在應(yīng)力作用下坯殼當(dāng)即由角部裂開，漏出廢鋼與足棍相粘連，接鑄后鑄坯拉斷，后半段尾坯因足棍處廢鋼冷卻粘連阻擋卡在結(jié)晶器中。3流尾坯因接鑄原因不具備測(cè)量坯殼外應(yīng)尺寸條件。

總結(jié)4次漏鋼中2、5流有明顯的渣溝，在2、5流漏鋼后加強(qiáng)了挑渣帶的操作，之后3、6流漏鋼中漏鋼尾坯未見明顯渣帶。3流因外弧足棍位置突然的變化致使鑄坯在強(qiáng)外在應(yīng)力下角裂，6流漏鋼應(yīng)與鋼種特性有關(guān)。漏鋼后換上同批次未開封保護(hù)渣使用，在本澆次后面7爐鋼及之后澆次中未發(fā)生漏鋼事故。因此此次漏鋼從以下5個(gè)方面進(jìn)行分析：（1）結(jié)晶器及銅管情況分析；（2）保護(hù)渣使用中加渣操作對(duì)產(chǎn)生渣帶的影響；（3）此鋼種的成分對(duì)鋼液凝固過程影響；（4）鋼種特性帶來的澆注不穩(wěn)定性；（5）漏鋼時(shí)初生坯殼的厚度是否滿足澆鋼需求。

2 漏鋼原因的分析

2.1 結(jié)晶器水縫情況分析

在線使用結(jié)晶器水縫情況見表1。

表1 在線使用結(jié)晶器水縫情況

通過對(duì)結(jié)晶器水縫的分析可以看出，漏鋼流2、6流水縫在調(diào)整后有0.05的不均勻，但同樣情況下1、3、4流均沒有發(fā)生漏鋼，水縫0.05的偏差不是漏鋼的主因。且5流水縫完全均勻，仍然發(fā)生漏鋼事故，進(jìn)一步證實(shí)水縫的偏差不是引起此次漏鋼事故的主因。

2.2 結(jié)晶器銅管磨損情況分析

在線使用結(jié)晶器磨損情況見表2。

表2 在線使用結(jié)晶器磨損情況

通過對(duì)下線結(jié)晶器的磨損情況測(cè)量發(fā)現(xiàn)，1、2流內(nèi)外弧磨損較側(cè)弧輕，3、4、5、6流則是內(nèi)外弧磨損較側(cè)弧嚴(yán)重，尤其是4流內(nèi)外側(cè)弧磨損與側(cè)弧磨損相差最大。但4流未發(fā)生漏鋼事故，反而磨損情況較輕，內(nèi)外弧與側(cè)弧磨損相差不大的2、5、6流發(fā)生漏鋼事故，這也證明結(jié)晶器的磨損情況也同樣不是造成此次漏鋼事故的主因。

2.3 保護(hù)渣使用情況分析

天鋼使用保護(hù)渣為30MnSi專用保護(hù)渣、批號(hào)為083156。連鑄保護(hù)渣是以 CaO-SiO2-Al2O3為基料，Na2O、CaF2等為熔劑，結(jié)晶器保護(hù)渣在連鑄生產(chǎn)中發(fā)揮如下5大基本功能[4-5]：

（1）防止鋼液特別是鋼液彎月面的二次氧化。（2）絕熱保溫。在高溫鋼液面上加入保護(hù)渣，由于3層甚至多層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，防止鋼水的過熱度的降低以及減少鋼液的輻射熱損失，所以生產(chǎn)過程中的保護(hù)渣操作就要求液渣層上有一定厚度的粉渣層，即黑渣操作。（3）保護(hù)渣吸收夾雜的能力。鋼液上浮的夾雜物被卷入初生坯殼，會(huì)造成鑄坯表面或皮下缺陷，熔融的保護(hù)渣形成的液渣層具有吸收和同化鋼液中上浮的非金屬夾雜的能力。（4）保護(hù)渣具有均勻傳熱功能。液渣均勻流入結(jié)晶器壁與凝固坯殼間，便能形成均勻的渣膜，可以減小上部的傳熱速率，加大下部傳熱速率，從而改善傳熱的均勻性，提高鑄坯質(zhì)量。（5）改善鑄坯潤(rùn)滑的作用。熔融液渣流入結(jié)晶器壁與凝固坯殼間形成的渣膜可以作為拉鋼的潤(rùn)滑劑，減少拉坯阻力，防止坯殼與結(jié)晶器銅管內(nèi)壁粘結(jié)造成粘結(jié)漏鋼。目前認(rèn)為摩擦力＜0.2 kgf/cm2時(shí)，可以防止漏鋼。由于保護(hù)渣在存放過程中在潮濕的情況下，其中的機(jī)制CaO會(huì)與空氣中的水發(fā)生反應(yīng)生成CaOH2，這對(duì)保護(hù)渣的溶化性的破壞是巨大的。本次漏鋼事故發(fā)生后對(duì)使用保護(hù)渣進(jìn)行理化分析，3個(gè)試樣中其中1個(gè)試樣水分含量超標(biāo)，理化性能異常。

2.4 鋼種特性對(duì)漏鋼的影響

2.4.1 高硅對(duì)鋼性能的影響

經(jīng)高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)鋼中硅富集區(qū)域的微觀組織進(jìn)行深層次分析，發(fā)現(xiàn)硅富集區(qū)域有明顯特殊的微觀組織。該組織的晶粒異常粗大，除去組織晶界有斷續(xù)狀鉻的碳化物顆粒析出之外，組織結(jié)構(gòu)的晶內(nèi)有呈現(xiàn)為織紋狀的類調(diào)幅組織。結(jié)合鐵硅合金的二元系相圖可知，在硅富集區(qū)域可能會(huì)發(fā)生調(diào)幅分解。調(diào)幅分解就是一種和形核長(zhǎng)大機(jī)制相互并列的相分解機(jī)制，調(diào)幅分解與有序化共存的現(xiàn)象在許多合金系中都存在，發(fā)生調(diào)幅分解后的材料可以形成非常均勻并且精細(xì)的結(jié)構(gòu)。然而鋼基體組織性能與硅富集區(qū)域脆性的調(diào)幅分解后形成的精細(xì)組織性能存在很大的差別，這樣就造成熱（冷）加工過程中將鋼中會(huì)產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致材料產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。有文獻(xiàn)表示，當(dāng)鋼種中Si含量超過0.60%之后，鋼液的粘度將隨Si的增加而增加，這將極大地增加鋼業(yè)的表面張力，這對(duì)于夾雜物的上浮析出是非常不利的，不利于高硅鋼的鋼液潔凈及澆鑄穩(wěn)定。

2.4.2 釩對(duì)鋼性能的影響

合金鋼種單獨(dú)加入釩時(shí)形成VC，屬于中間相，化學(xué)式在VC-V4C3之間變化。與其他的微合金化元素機(jī)理基本相同，釩影響鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能主要是通過形成碳氮化物來完成。碳氮化物對(duì)鋼的影響取決于氮化物和碳化物的形成溫度以及轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系。這些溫度依賴于冷卻速度（或加熱速度），鋼的化學(xué)成分，主要是氮的含量及所加入合金的含量。在1 050℃以下時(shí)，釩的碳氮化物在奧氏體中仍有很大的溶解度。到目前為止，關(guān)于夾雜物或析出物促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形核的機(jī)制主要有以下幾種[6-7]：

（1）鋼液中的夾雜物以及凝固析出物周圍的奧氏體化學(xué)成分變化引起形核；

（2）鋼液中的夾雜物及凝固析出物與鐵素體核心共格，引起較小的晶格錯(cuò)配度，通過降低形核勢(shì)壘促進(jìn)形核；

（3）鋼液中的夾雜物及凝固析出物作為惰性界面促進(jìn)形核；

（4）鋼液中的夾雜物及凝固析出物和奧氏體的熱膨脹系數(shù)的差異引起形核。

夾雜物在晶界表面的富集是含V鋼種易漏鋼的原因之一，也是尾坯在過拉矯時(shí)會(huì)受壓開裂的原因之一。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，尾坯發(fā)生脆性裂紋最主要的原因?yàn)镾i的富集以及夾雜物在含V鋼初生坯殼晶間富集。

2.5 凝固系數(shù)的分析

溫度拉速變化，液相線1 486℃，中包目標(biāo)溫度1 506～1526 ℃。

我廠鑄機(jī)的設(shè)計(jì)理論凝固系數(shù)為26，坯殼厚度計(jì)算公式為：s=26（l/v）0.5

6流的坯殼外表尺寸在漏鋼部位以后153 mm處外弧殼厚度為8.9 mm，漏鋼處坯殼四面正中部位厚度按內(nèi)弧、外弧，以內(nèi)弧為正面，左側(cè)外弧，右側(cè)外弧分別為 10.1、10.3、10.5、10.3 mm。漏鋼部位在出結(jié)晶器下口處。彎月面距離上口位置為150 mm，結(jié)晶器長(zhǎng)度為1 000 mm。漏鋼時(shí)的冶金長(zhǎng)度為850 mm，拉速為 2.0 m/min，溫度 1 529 ℃。

將坯殼厚度為平均值10.3 mm，在漏鋼時(shí)，鋼液瞬間流出，依照經(jīng)驗(yàn)值會(huì)導(dǎo)致初生漏鋼尾坯的坯殼較正常澆鑄的坯殼厚度減少10%，修正后的坯殼厚度應(yīng)為11.3 mm，代入公式中，計(jì)算凝固系數(shù)為公式為：

計(jì)算可得k=17.3。

此凝固系數(shù)為一冷結(jié)晶器的凝固系數(shù)。k=17.3代表了中包溫度在1 529℃，拉速為2.0 m/min時(shí)一冷結(jié)晶器的凝固系數(shù)值。為了考慮在特定過熱度下，拉速變化對(duì)結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度變化的影響，我們做以下分析：

溫度為1 529℃情況下，坯殼厚度與拉速對(duì)應(yīng)情況見表3。

表3 坯殼厚度與拉速對(duì)應(yīng)情況

坯殼厚度與拉速對(duì)應(yīng)圖見圖3。

圖3 坯殼厚度與拉速對(duì)應(yīng)圖

可以看出，當(dāng)在1 529℃情況下，拉速由2.0～2.8 m/min 時(shí)，坯殼厚度減少了 1.75 mm。拉速變化可以調(diào)節(jié)因過熱度提高對(duì)初生坯殼厚度的影響在1.75 mm內(nèi)。在一定程度上可以調(diào)節(jié)由于過熱度變化對(duì)初生坯殼厚度帶來的影響。

3 針對(duì)40Si2MnV漏鋼分析后結(jié)論及改進(jìn)措施

漏鋼事故發(fā)生原因有以下3點(diǎn)：

（1）此鋼種為高Si，且含V鋼種，局部的成分不均使得Si局部富集。

（2）澆鑄過程中的結(jié)晶器保護(hù)渣長(zhǎng)期敞開放置導(dǎo)致性能發(fā)生異變而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)更換。

（3）澆鑄過程中結(jié)晶器的冷卻情況突然發(fā)生變化，使冷卻不均。

針對(duì)漏鋼事故提出以下措施：

（1）此鋼種在精煉時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)吹氬攪拌時(shí)間，使得成分分布更加均勻。

（2）保護(hù)渣應(yīng)該在避光，干燥環(huán)境下放置，避免因受潮發(fā)生性能改變。

（3）加強(qiáng)結(jié)晶器上線前的檢查，避免因冷卻環(huán)境突然生發(fā)變化提高漏鋼發(fā)生幾率。

（4）適當(dāng)增強(qiáng)結(jié)晶器1區(qū)冷卻強(qiáng)度及2A區(qū)的冷卻強(qiáng)度，采取高液位澆鑄，使得初生坯殼厚度增加，降低漏鋼幾率。

4 預(yù)防措施實(shí)施效果

冶煉過程中加強(qiáng)了強(qiáng)氬氣攪拌的作用，氬氣攪拌圖見圖4。

圖4 增強(qiáng)鋼包底吹氬氣強(qiáng)度情況

在加強(qiáng)氬氣攪拌的同時(shí)，加強(qiáng)專用保護(hù)渣的儲(chǔ)存防潮處理，使用時(shí)未見保護(hù)渣結(jié)塊現(xiàn)象及使用過程中融化不良與渣膜不良情況。加強(qiáng)結(jié)晶器及二冷1區(qū)及2區(qū)的冷卻強(qiáng)度，由原因數(shù)分別上調(diào)10%。通過以上措施的實(shí)施，大大加強(qiáng)了40Si2MnV的可澆性，實(shí)現(xiàn)了后續(xù)生產(chǎn)過程中連澆22爐未發(fā)生漏鋼停流事故。

5 結(jié)論

通過加強(qiáng)冶煉氬氣，保護(hù)渣合理存放，結(jié)清器維護(hù)和加強(qiáng)二冷強(qiáng)度這些工藝優(yōu)化措施，使40Si2MnV的澆注穩(wěn)定性得到了大幅提升，實(shí)際生產(chǎn)中未再出現(xiàn)多流集中漏鋼事故，取得了良好效果。