中高碳钢连铸坯缓冷技术开发及应用

张明海

摘 要：为消除铸坯表面微裂纹缺陷，大幅提高钢坯质量，对微裂纹产生原因进行了分析，结合铸坯低倍检验结果，找出了微裂纹产生的主要原因。通过对红热连铸坯切后冷却工艺的改进优化，使铸坯缓慢冷却，有效地降低了铸坯表层温度梯度，相变应力不再增加，减少了铸坯表面微裂纹的产生。减少品种钢铸坯轧制缺陷的出现概率，满足品种钢生产的要求。

关键词：连铸坯；缓冷技术；裂纹缺陷

中图分类号： TG335.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）29-178-2

0 引言

宣钢炼钢厂1#连铸机是全国首台12机12流方坯连铸机，弧形半径R9米，年设计生产能力200万吨钢，承担着炼钢厂约1/3的钢坯生产任务，对炼钢厂生产任务的完成起着至关重要的作用。1#连铸机初始设计断面为150×150mm2，后为配合中型材增上200×285mm2断面结晶器。自投产以来，连铸机的产能不断提高，已远远超过设计能力；品种不断增加，生产的钢种有低合金系列、普碳系列、40#-65#钢、37Mn5、27SiMn、Q345B、Q420B、20管坯等，铸坯供中型轧制角钢、槽钢及大规格圆钢。随着品种的不断开发，在生产大断面中高碳钢时，铸坯表面微裂纹逐渐显现，轧后裂纹废品增多，裂纹一度成为困扰该连铸机的主要问题。同时内部存在不同程度中心偏析，严重影响铸坯质量。

1 中高碳钢连铸坯缓冷技术内容及思路

依据大断面铸坯缓冷的特殊工艺要求，认为通过对红热连铸坯切后冷却工艺的改进优化，使铸坯缓慢冷却，可以有效地降低铸坯表层温度梯度，相变应力不再增加，能够减少铸坯表面微裂纹的产生。在借鉴国内外有关资料后决定在1#机坯跨增设两个27×15×5.5m3的缓冷坑，将红热铸坯吊入坑内实施缓冷，在保温状态下让其缓慢地冷却到200℃以下，以解决连铸坯表面微裂纹及中心偏析缺陷，提高铸坯合格率，减少品种钢铸坯轧制缺陷的出现概率，满足品种钢生产的要求。

2 缓冷技术设计方案

2.1 铸坯冷却速度的确定

1#连铸机原铸坯冷却方式为自然冷却：铸坯切割后通过翻钢机翻到移钢车轨道，再由移钢车推至步进式翻转冷床，经天车吊至地面坯位堆垛空冷。这一方式由于采用传统的空冷，受气候环境影响很大。尤其我北方地区冬季气温低，多大风天气，铸坯暴露在空气中，冷却速度过快，无形中加大了铸坯的温度梯度，会引起表面张应力，促进已形成的裂纹扩展，或使铸坯表面温度处于脆性区，产生新的裂纹。有资料表明：冷却速度应控制在200℃/m之内为宜。高温铸坯（一般在500℃以上）在冷却过程发生相变，组织应力发生变化而导致铸坯表面和内部产生裂纹。当冷却到200-300℃时，由于产生马氏体相变，导致体积膨胀，引起组织应力而形成铸坯的脆性。解决这一问题的有效方法就是建造铸坯缓冷坑，在连铸坯出坯以后将高温铸坯都吊入设置的缓冷坑内，在保温状态下让其缓慢地冷却到200℃以下。

2.2 缓冷坑尺寸的确定

根据现场条件，在出坯南一跨、南二跨原坯位处分别挖两个缓冷保温坑。考虑到铸坯断面为200×285mm2，最大定尺为11.95m，需设置两个坯位，砌砖后尺寸会有所减小，缓冷坑尺寸定为：长×宽×高=27m×15m×5.5m。每个缓冷坑内可存坯两垛，每垛27层，约5000t。

2.3 缓冷坑壁材质的确定

结合国内其他厂家缓冷坑经验，缓冷坑整体采用钢筋混凝土结构，内壁砌黏土砖。为了防止冬季大风直接吹到铸坯，沿坑上口四周砌0.5m宽，1.5m高围墙，墙棱部用角钢包住，墙体外侧用钢坯防护。这样既能够保证缓冷坑的隔热保温，改善铸坯冷却效果，又可防止铸坯装、出缓冷坑时撞击损坏墙体，提高缓冷坑强度和抗热震性，延长其使用寿命。

2.4 缓冷铸坯温度的变化

堆冷铸坯的温度分布与其在堆垛中的位置有关。开始堆垛时，由于热履历相同。每支铸坯的温度分布基本相同，但在堆垛一段时间后。由于各铸坯上下表面紧密接触，传热良好，处于堆垛中间部位的铸坯上、下表面温度并未随着堆垛顶部铸坯表面和堆垛侧面温度继续下降，而是在热传导的作用下温度趋同。

堆冷开始时，堆垛的中间区域是高温区，随着冷却时间延长，高温区缓慢向下移动。由于堆垛顶部的空气对流冷却相对较强，冷却速率最快的是顶部铸坯，而中间区域和底部区域的冷却速率较慢。堆垛顶部铸坯冷却速率最快，尤其是在堆冷的开始阶段，24h内顶部铸坯的上表面中心冷却速率达到14.2℃/h，这是由于堆垛顶部的空气对流冷却相对较强；其次是第2层，其上表面中心冷却速率达到13.0℃/h；中间区域和底部区域的冷却速率较慢，且较为接近，另外堆垛开始时，堆垛中间区域的高温区随时间延长缓慢下移，经计算堆垛底部铸坯上表面中心冷却速率为8.1℃/h，中间第6层铸坯上表面中心的冷却速率为8.5℃/h。

由上述可知24h内堆垛铸坯的主要冷却速率范围为8.1-14.2℃/h，远小于铸坯在空气中自然冷却时的冷却速率。

3 实施效果

3.1 优化后工艺流程

铁水（扒渣）—130t顶底复吹转炉—LF精炼炉—连铸机—二冷、拉矫、切割—翻转冷床—缓冷坑缓冷—精整—轧制

3.2 项目实施后效果

通过对缓冷后铸坯进行热酸检验，结果钢坯中心疏松、缩孔、各类型裂纹指数均在二级以下，达到了产品的质量要求，收到预期效果。

3.2.1 缓冷前试样检验结果分析

1#连铸机取试样36块，从热酸检验评级结果上看：

表面裂纹评级： 37Mn5≥2级比例为100%；45#≥2级比例为66.7%；20g≥2级比例为75%；27SiMn≥2级比例为50%。

中间裂纹评级： 37Mn5≥2级比例为100%；45#≥2级比例为50%，其中≥3级比例为33.3%；20g≥2级比例为58.3%。

铸坯评级： 0级和1级为优质坯。

在缓冷前生产的连铸坯评级： 37Mn5无优质坯，45#优质坯约为30%左右，20g优质坯约为25%左右。

3.2.2 缓冷后试样检验结果分析

1#连铸机试取试样29块，如果只考虑表面裂纹评级，37Mn5优质坯约为75%左右（其余25%为2级），45#优质坯为100%（37Mn5和45#取样数较多，数据的数量符合统计规律要求）。

3.2.3 实施缓冷后对铸坯偏析及轧材组织的影响

通过对试验铸坯横断面的低倍硫印检验和沿铸坯厚度方向上的化学分析以及对轧后钢材的断面组织观察，发现轧前堆垛缓冷处理减轻了铸坯中心碳偏析和轧后钢材带状组织。堆垛缓冷48 h的铸坯中心偏析级别由C类2.0下降到C类1.5；堆垛缓冷36 h的铸坯轧后钢材与堆垛缓冷24 h的试样相比，其断面带状组织明显减轻，且没有明显连续的珠光体带状组织。

4 与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

国内关于缓冷技术主要应用在钢材生产中，轧材在轧后入缓冷坑中，缓冷24-48小时，以进一步释放轧材中的氢和应力，使钢材性能均匀稳定。铸坯缓冷多见于板坯，在轧制前将高温铸坯吊进缓冷坑中，对铸坯堆垛缓冷，利用铸坯高温缓慢冷却，释放铸坯的残余应力，可减轻铸坯中心碳偏析和轧后钢板带状组织。本项目投资小，见效快，技术成熟，运行稳定。通过对大断面铸坯入缓冷坑实施缓冷工艺，有效解决了中高碳钢铸坯冷却中控制难点，降低了铸坯表面和内部缺陷，极大地提高了铸坯质量，达到了国内领先水平。

5 应用情况

本项目投入应用以后，取得了良好效果，连铸坯质量有明显提高，减少了品种钢铸坯轧制缺陷的出现概率，满足了品种钢生产的要求。新建150吨转炉炼钢工程中大方坯连铸机坯跨设计中也参照此方案增设了14个缓冷坯位。炼钢厂后续的品种钢开发冶炼中，有条件的情况下均应用该项目的相关技术，该项目技术成熟，运行稳定，投资小，见效快，推广前景广阔。

铸坯经过缓冷，有效地降低铸坯表层温度梯度，相变应力不再增加，200×285mm2大断面铸坯质量显著提高，减少了铸坯裂纹及中心偏析缺陷，满足了型材轧制品种的要求。中高碳钢连铸坯缺陷坯比例由优化前的2.3%降低到0.3%以下。