奥钢联板坯连铸板坯表面质量的控制

包永鹏

（甘肃酒钢（集团）宏兴股份有限责任公司， 甘肃 嘉峪关 735100）

连铸技术在生产效率和生产成本方面的巨大优势是不锈钢生产连铸化的驱动力。同时，不锈钢双高特点(高合金含量，高表面质量要求)又使得不锈钢连铸化生产的步伐始终落后于连铸技术的整体发展。近年来，连铸设备和工艺水平的进步使得不锈钢产品要求高表面质量的特点和连铸高控制精度之间有了契合点， 从而使连铸成为不锈钢生产中的主流工艺手段。

酒钢不锈钢公司先后在2005 年和2010 年投入了2 条年产各60 万元的不锈钢生产线，每条生产线包括1 台板坯连铸机和相应的配套设备。由于在连铸设备设计过程中考虑了不锈钢的凝固特点和冶金特性，并且针对不锈钢板坯的表面内在质量要求编制了相对合理的工艺路线，所以不锈钢产品质量基本满足了后工序的要求，达到了工艺设计的目标。

1 酒钢不锈钢板坯连铸生产工艺和装备

1.1 不锈钢板坯连铸生产工艺

不锈钢连铸板坯生产工艺流程见图1。

1.2 不锈钢板坯连铸设备

不锈钢板坯连铸设备及主要参数见表1。

2 提高不锈钢连铸板坯表面质量

提高不锈钢板坯表面质量，主要体现在降低板坯修磨率，包括表面和皮下夹渣、基本无表面纵裂纹和横裂纹、规则和较浅的振痕等因素。不锈钢板坯表面质量主要取决于连铸工艺过程中结晶器钢液流场分布、结晶器振动类型和参数、液面控制技术、保护渣熔融行为和钢渣反应以及合理的一冷和二冷参数设置。

图1 不锈钢连铸板坯生产工艺流程

2.1 结晶器钢液流场分布

结晶器内钢液流场分布决定了液面紊动幅度和夹杂物上浮规律。同时，钢液流股的不同行为对保护渣的熔化特性和坯壳的生长规律也有一定影响。对于不锈钢连铸来说，板坯的表面质量决定了修磨损失量和最终产品所能达到的表面光洁度等级，是体现不锈钢产品竞争力的关键因素。因此结晶器液面波动情况、结晶器窄面流股冲击位置和冲击强度、回流区域分布等，并针对不同种类不锈钢的凝固特点和高温力学性能，调整了SEN 几何形状、出钢孔度、插入深度等工艺参数，利用正交法筛选出合理的工艺参数组合，并在实际生产运用。图2 显示了304 钢种在板坯宽度1 260 mm、拉速1.1 m/min、水口出钢孔15、水口插入深度120 mm 的工艺条件下，不同水口出钢孔倾角的钢液流场分布的数值模拟结果。

表1 不锈钢板坯连铸设备及主要参数

图2 结晶器钢液流场分布的优化

2.2 结晶器振动

结晶器振动装置的类型和振动模式, 将决定板坯振痕深浅和规则与否。不规则和较深的振痕,其波谷处往往是板坯横裂纹的发源地和渣粒、气泡的聚集地,如果板坯修磨量不足,那么由于不锈钢不易氧化的特点, 这些问题会被带到冷轧产品并形成线鳞缺陷。不锈钢公司的板坯连铸机选择了液压振动方式,液压缸为比例阀闭环系统控制。在设备层面上具备实现结晶器正弦曲线与非正弦曲线振动模式的能力, 并可在浇注过程中进行不同振幅及振频之间的切换。振动工艺参数的选择考虑在保证合理的保护渣消耗的前提下,尽可能减小振痕深度,提高板坯表面质量。图3 给出了针对304 钢种部分研究工作的结果。资料显示,正常状态下不锈钢板坯在热轧加热炉内会产生0.2～0.3 mm 的氧化铁皮, 在此范围内的板坯表面缺陷可以随氧化铁皮被同时去除, 如果振痕深度在此范围内，板坯可以不用修磨。因此，根据上述研究工作的结果，确定了合理的振动工艺参数和保证板坯表面质量所必需的拉速范围。

2.3 结晶器液面控制

结晶器液面的控制除了取决于钢液流场的优化设计外，结晶器液面自动控制系统也起着至关重要的作用。在不锈钢公司连铸机工艺设计中，选择内装涡流线圈式结晶器液面检测装置，用来检测结晶器内的钢水液面并反馈控制塞棒位置，液面控制精度±3 mm。在实际使用中当拉速变化或其他操作将引起结晶器液面波动时，系统都及时作出了反应，将液面波动值控制在一个相当小的范围内，图4 给出了实际生产中由于拉速大幅变化和结晶器挑渣圈作业时液面波动的实例。

图4 结晶器液面控制

2.4 不锈钢保护渣选择

浇注过程中保护渣的行为直接影响不锈钢板坯的表面质量。文献指出，结晶器铜板和坯壳之间的3层结构，即液相、玻璃相、结晶相的厚度分布与相应的板坯表面质量有密切关系。在不锈钢连铸板坯用保护渣的选择中，重点考虑了不同种类不锈钢的高温力学性能和凝固特性对保护渣性能的不同要求。比如，根据304 不锈钢其在凝固过程中的相组成及其分布范围。目前成分设计范围内，304 钢种显微组织为90%以上的γ 相和4%～9%的α 相，因此在结晶器内坯壳的凝固收缩率会比较大，坯壳生长不均匀，引起的直接后果是板坯表面形成纵向的长条状凹陷缺陷，部分凹陷中可以检查到裂纹存在。因此保护渣的选择首先考虑较高的碱度和结晶温度，实现结晶器内均匀、温和的散热量，尽可能减少结晶器内坯壳不均匀生长现象。表2 为现阶段的300 系列不锈钢SPH-SL 188/MT 2 保护渣理化指标。

表2 SPH-SL 188/MT 2 保护渣理化指标

2.5 一冷强度

结晶器冷却水量设置考虑了不锈钢初生坯壳的热力学性能和保护渣膜的最佳工作温度，防止产生裂纹缺陷和出结晶器漏钢事故。Cr、Ni 加入量对不锈钢的高温强度、热导率、凝固收缩率有很大影响，一冷强度策略也有所不同。对于400 系列不锈钢，坯壳高温强度比较低（结晶器内坯壳温度范围），很小的应变就可能形成坯壳裂纹均匀、温和的结晶器冷却有利于减少坯壳表面形成裂纹，所以400 系列不锈钢的结晶器冷却强度要弱于300 系列不锈钢。

2.6 二冷强度

不锈钢公司板坯连铸机的二次冷却采用汽水混合冷却，各回路冷却水的流量控制，由2 级计算机根据浇注速度、钢种和温度修正因子等计算确定，具体的不锈钢板坯连铸二次冷却强度设计的关键点在于：比水量设置不锈钢较低的热导率，满足冶金长度的限制条件；考虑不锈钢的热力学性能,冷却强度较碳钢弱，重视冷却的均匀性；考虑300 系列不锈钢的裂纹敏感性和400 系列不锈钢高温强度低、容易产生高温蠕变的特点。

在浇注过程中设定进水回路的水流量时, 都根据该回路所测得的实际进水温度和目标温度进行比较并修正，当进水温度低于25 ℃或大于35 ℃时,二冷水自动控制系统将调节冷却水的流量。

2.7 拉速控制

在目前的振动参数设置情况下, 拉速的提高减小了负滑脱率，振痕深度减小，板坯表面质量提高（图5）。但是随着负滑脱率的减小，保护渣消耗量下降,漏钢率上升，所以1.0～1.2 m/min 的拉速水平比较符合目前我厂的生产情况。

3 连铸工艺效果

在线阶段的生产实践中,绝大多数的工艺例如：中间包的氩封，大包长水口的免清洗，钢水的弱吹时间，中包最低吨位的控制等均有效地保证了产品的质量对于不锈钢连铸而言, 修磨率和修磨损失直接反映了板坯表面质量的优劣, 是衡量板坯质量的重要指标。

图5 浇注速度与板坯修磨率关系

其中2018 年1 月—8 月304 钢种的实际修磨率指标（修磨率=1 个连浇内修磨的板坯数/1 个连浇内浇注板坯总数）见图6，横线太钢2018 年同期304钢种平均板坯修磨率指标。从图示数据可以看出,目前我公司304 钢种板坯修磨率已经达到太钢的水平，特别自2012 年5 月以后304 钢种修磨率一直低于0.35%，考虑到连浇炉次中头尾坯必须修磨的规定,正常板坯的修磨率已低于0.3%。虽然存在最终用途不同造成的修磨标准差异的影响，但在某种程度上也反映了不锈钢板坯较好的表面质量水平

图6 304 钢种板坯修磨率指标

4 结语

针对不锈钢的特点进行了大量的研究工作,数值模拟、理论计算、现场实验等多种手段被应用于我厂连铸工艺设计中, 绝大多数工艺措施在生产实践中被证明有效地保证了不锈钢板坯的表面质量,板坯修磨率基本稳定在0.3%以下, 达到了较好工艺的水平。