中薄板鑄機生產高碳刃具鋼鑄坯缺陷控制

潘統領，李澤林，趙志剛

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

中高碳鋼板帶主要基于傳統流程以窄帶方式生產，但存在成分偏析和表層脫碳嚴重、組織性能不穩定等問題。近年來，采用薄板坯連鑄連軋工藝批量生產系列中高碳板帶鋼，在一定程度上緩解了傳統流程生產所帶來的問題并得到廣泛應用。但基于中薄板生產中高碳鋼的文獻少有報道。2016年末，鞍鋼利用中薄板鑄機試生產高碳刃具鋼，鑄坯出現了表面縱裂紋等缺陷。在沒有電磁攪拌、輕壓下等工藝條件下，通過不斷完善生產工藝，使高碳刃具鋼熔煉成分控制穩定，冶煉和連鑄操作順利，最終板坯質量滿足下道工序要求。

1　工藝流程及鑄機參數

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠高碳刃具鋼生產工藝流程為:鐵水脫硫→轉爐冶煉→RH精煉→中薄板連鑄→鑄坯檢驗、出廠。鑄機參數見表1。

2　鑄坯缺陷及原因分析

鞍鋼中薄板鑄機在生產高碳刃具鋼時鑄坯存在的主要質量缺陷有:內部質量缺陷如碳偏析、中心縮孔，外部表面質量缺陷如表面縱裂、鼓肚。圖1為生產初期出現的鑄坯表面缺陷，表2是鑄坯內部質量。

2.1　鋼水成分的影響

（1）Mn/S小于40時，會發生嚴重的脆化現象，當Mn/S大于40時，將大大改善鋼材塑性，并提高斷面收縮率。所以，降低鋼水S含量很重要，通常高碳刃具鋼S含量控制在≤0.008%。

表1　鞍鋼中薄板鑄機參數

鞍鋼中薄板鑄機生產高碳刃具原脫硫工序在鐵水入轉爐前完成，采用RH工序直上。圖2為硫在原工藝各工序中的含量。由圖2看出，原工藝鐵水脫硫后，硫含量一直在升高。分析原因,罐內殘渣使得鋼水一直處于回S狀態。RH直上工藝在S含量控制上容易超標，所以為了控制硫含量，還需要進LF爐脫硫。

（2）鋼中氫含量過高容易產生氫脆裂紋，尤其是碳、錳含量高的高碳鋼。寶鋼曾經發生過高碳鋼在吊運、加熱爐裝鋼推鋼時鑄坯斷裂的現象[1]，分析認為，在接近斷裂源區解理斷口上有大量呈雞爪狀的二次裂紋，為氫脆裂紋的主要特征 。為預防氫脆裂紋的發生，鞍鋼中薄板生產高碳刃具鋼應采取措施降低氫含量。

圖1　鑄坯表面缺陷

表2　鑄坯內部質量

圖2　硫在原工藝各工序中的含量

2.2　過熱度的影響

鋼水過熱度高會加重連鑄坯成分偏析和中心縮孔缺陷。而且過熱度過高，拉速被迫降低，如果結晶器振動參數不做相應變動，將造成負滑脫時間控制不合理，增加縱裂產生指數。澆注溫度過低易造成中間罐水口凍結，迫使澆注中斷，并可能惡化鑄坯表面質量。鞍鋼中薄板鑄機距離轉爐較遠，鋼水運至連鑄廠房至少需要20～30 min，鋼水罐前期不僅溫降較大而且溫度波動也較大。原工藝鋼水精煉工序僅走RH爐，統計出的高碳刃具鋼鑄坯RH爐到站溫度與轉爐掛罐溫度差值最小42℃，最大達86℃。導致鋼水到站RH爐需升溫，而RH加熱鋼水依靠化學法，不能精確控制搬出溫度，通常為防止鑄機大罐澆注后期低溫絮流，RH搬出溫度都偏高，導致在中包過熱度偏高。鞍鋼中薄板鑄機采用的是扁平式浸入水口，易發生絮流，嚴重時被迫停澆，RH爐采用鋁氧升溫時，所產生的Al2O3會增加鑄機絮流風險。

2.3　保護渣的影響

保護渣堿度直接影響渣膜的結晶率，高結晶率的保護渣可以有效降低和控制鑄坯經渣膜向結晶器的傳熱，使鑄坯坯殼生長均勻，避免裂紋的產生，因此要求保護渣有適當高的堿度。但堿度增加，結晶指數也增加，粘結漏鋼比率增加[2]。板坯粘結與潤滑不好有關，降低保護渣凝固溫度對潤滑有利。降低堿度、減少氟含量及提高B2O3都有利于降低保護渣凝固溫度[3]。所以生產高碳刃具鋼時，從鑄坯縱裂和粘結漏鋼兩方面考慮必須平衡保護渣的堿度。

2.4　拉速的影響

在其它條件相同的情況下，提高拉速會延長液芯，從而增加了柱狀晶“搭橋”的機率，產生中心縮孔。低拉速下，液相穴較淺，鋼液易于補縮，鑄坯凝固質量較好。中薄板高拉速鑄機生產高碳鋼產生中心縮孔的機率較大。同時，高拉速使得坯殼出結晶器較薄，加上結晶器出口及二冷段無側支撐輥，在鋼水靜壓力下窄側易出現鼓肚現象。

2.5　二冷制度的影響

不同的冷卻制度對鋼液凝固行為和坯殼厚度都有很大的影響，進而對鑄坯碳元素宏觀偏析和鑄坯鼓肚產生影響。采用合適的冷卻制度會得到均勻的鑄坯凝固組織，并在中心部位有一定比例的等軸晶，使鑄坯內部碳偏析最小并且減少鑄坯鼓肚缺陷。

3　采取的措施

3．1　保護渣調整

在保證鑄坯不粘結的基礎上，適當提高保護渣堿度，減緩了保護渣傳熱。表3為優化前后的保護渣參數。

表3　優化前后的保護渣參數

由表3看出，優化后的保護渣耗量和液渣層厚度變化不大，保護渣液渣層在拉速穩定后達10 mm左右；保護渣耗量在拉速2.0 m/min時均小于0.4 kg/t，優化后略有降低。優化后的保護渣應用表明，未出現粘結拉漏預報，鑄坯也未發現縱裂。

3.2　雙聯工藝

采取雙精煉爐工藝，即將合格的轉爐鋼水先進LF精煉爐升溫和深脫硫，再進RH脫氫。

3.2.1溫度的控制

為了穩定控制溫度，降低轉爐出鋼溫度，選擇在LF爐精確升溫，RH爐僅真空氫處理，禁止升溫操作，以保證鋼水在鑄機澆注過程減少絮流并保證良好的過熱度。

3.2.2脫S控制

轉爐出鋼后向鋼水罐加入500 kg復合精煉渣，一是有助于熔化，縮短LF處理時間；二是有助于保溫。到LF爐后再加入500 kg復合精煉渣，造還原性白渣進行深脫硫，保證成品平均S含量≤0.008%。

3.2.3RH脫氫控制

鞍鋼中薄板鑄機所對應的真空設備為100 t RH-TB，年處理能力60～70萬t，通常壓力達到目標值0.2 kPa最少需要6 min。由于高碳鋼鋼水氧值低，真空處理初期不會發生噴濺，所以為加快真空處理速度，減少鋼水在RH溫降，采用解除壓力控制模式，即不再逐步啟動各個真空泵，節省真空處理時間2～3 min，處理后鋼中H含量為0.000 1%左右，滿足質量要求。

3.3　拉速設定

鞍鋼中薄板鑄機矯直方式為多點連續，鑄坯可帶液心矯直。高碳鋼容易粘結漏鋼和內裂，所以拉速不宜過高。生產實踐表明，中薄板鑄機生產高碳刃具鋼拉速不宜超過2.1 m/min。可是并非拉速越低越好，雖然拉速低對鑄坯內部質量改善有利，但高碳刃具鋼較硬，拉速過低，坯子溫度低，易夾在扇形段，導致被迫停澆處理事故。

表4為不同拉速下統計的鑄坯內部質量情況（檢驗依據標準:GB/T226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》和Q/ASB32-2011《連鑄鋼坯枝晶組織及缺陷低倍檢驗方法》）。可以看出，中薄板生產高碳刃具鋼拉速在1.9～2.1 m/min范圍內，中心偏析變化不大，隨拉速增大，中心疏松和三角區裂紋有加重趨勢，等軸晶率有減少趨勢，但其內部質量可以滿足要求。實踐表明，中薄板鑄機生產135 mm厚高碳刃具鋼時，合適的拉速為1.8～2.0 m/min。

表4　不同拉速下鑄坯內部質量

3.4　二冷水設定

鞍鋼中薄板鑄機斷面厚度為135 mm，厚度小，可以使用強冷，使得溶質元素來不及在固液相再分配就凝固，從而達到減少偏析目的。實踐證明，使用二冷水強冷后，鑄坯未出現鼓肚現象。設計的中薄板鑄機高碳刃具鋼冷卻曲線的冷卻強度高于中碳鋼、低于低碳鋼，比水量約為低碳鋼冷卻曲線的95%。使用強冷，解決了使用弱冷需要更換經水閥和水嘴的困擾。

4　實踐效果

采取LF爐+RH爐雙聯工藝后，過熱度穩定控制在25℃左右，硫控制在0.005 0%以下，避免了過熱度波動大、硫含量高的問題，有效控制了鑄坯中心偏析和中心疏松。調整保護渣堿度并采用二冷水強冷后，鑄坯未出現鼓肚和縱裂等表面質量缺陷。工藝優化前后中間包的過熱度和硫含量對比情況見圖3，鑄坯內部質量檢驗結果見表5。

圖3　工藝優化前后過熱度和硫含量的對比情況

表5　優化后鑄坯內部質量檢驗結果

由圖3可以看出，工藝優化后，中間包鋼水過熱度平均值由34.7℃降至24.1℃，降低了10.6℃，硫含量由0.007 5%降至0.004 7%，降低了0.002 8%。

5　結語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產高碳刃具鋼時，在沒有電磁攪拌和輕壓下等工藝設備的前提下，調整了保護渣堿度，采取了LF爐+RH爐雙聯工藝、鑄機二冷水強冷卻、拉速設定為1.8～2.0 m/min。采取上述措施后，鑄機絮流減少、過熱度波動減少并降低10℃，硫含量降低0.002 8%，有效地控制了鑄坯中心偏析和中心疏松，鑄坯未出現鼓肚和縱裂等表面質量缺陷，從而改善了鑄坯的質量，滿足了下道工序的要求。