DM1885不銹鋼小方坯連鑄機黏結漏鋼的原因分析及預防

冉 輝，孫 鑫，羅 悅

（1.廣西壯族自治區科學技術情報研究所，廣西 南寧 530022；2.柳城縣鼎銘金屬制品有限公司，廣西 柳州 545000）

當前，隨著世界能源需求的不斷增加，以化石燃料為主的能源供應方式由于資源、環境、運輸等因素的制約面臨越來越多的問題，再加上在國家“雙碳”政策的鼓勵下，越來越多的企業將目光投向了“綠電”產業。核能作為一種新能源，雖然只有幾十年的歷史，但是伴隨著一系列技術、環境問題的解決和完善，其優勢已逐漸體現。核電站的特點是反應堆內具有很強的中子和γ射線輻照及巨大的核能釋放和放射性裂變產物。核電站的部件結構和選材及系統組成和安全設施等遠比火電站復雜、龐大和要求嚴格。為了保證反應堆安全運行和設計壽命，各部件在服役期必須具有穩定性、完整性和可靠性。壓力容器是核電站最關鍵的設備，是防止放射性外逸的重要屏障。由于304不銹鋼焊接后存在晶間腐蝕敏感性，304L不銹鋼高溫強度不滿足要求，法國大型壓水堆堆內構件均大量選用控氮的00Cr18Ni10，我國則更多選用304NG不銹鋼[1]。為了解決該材料的焊接問題，并保證焊縫與基材的成分接近，鼎銘公司于2021年開發了一種新型不銹鋼焊接材料DM1885，具體成分見表1。

鼎銘公司自2020年10月6日至2022年4月30日共發生20次漏鋼，其中黏結漏鋼17次，占漏鋼總數的85%，是影響連鑄機正常生產的重要因素。

1 連鑄機的主要工藝參數

鼎銘公司的生產工藝流程：30 t EAF（留鋼操作）→30 t AOD→30 t LF→2機2流150方坯連鑄機。連鑄機的主要參數見表2。

表2 連鑄機的主要參數

2 黏結漏鋼的形成機理

胡志剛等[2]認為黏結漏鋼的主要因素有以下3個方面：①結晶器液面波動；②拉坯速度過快或變化過大；③保護渣性能不佳。上述三大因素中結晶器液面波動的影響最為顯著。呂愛強等[3]認為黏結漏鋼的形成是因為保護渣在結晶器壁上形成了渣條，阻礙了熔融保護渣的正常流入或結晶器內液面出現較大波動時，彎月面處的熔融渣層出現斷層，造成結晶器壁和坯殼之間的渣膜斷裂，潤滑不好。影響黏結漏鋼的主要因素有以下4個方面：①結晶器保護渣；②結晶器振動；③工藝操作；④鑄坯無鼓肚。張勇[4]認為連續鑄鋼過程中，由于結晶器彎月面的保護渣潤滑不好等，凝固初生坯殼與結晶器之間發生黏結。席常鎖等[5]認為黏結漏鋼的原因還包括設備因素，比如浸入式水口的對中、結晶器銅管的冷卻結構、錐度，結晶器的振動質量等。

3 鼎銘公司黏結漏鋼坯殼的特征

由于黏結的坯殼與結晶器保持同步，而其他部位的坯殼向下運動，在這種情況下，已黏結處會形成一個“倒V”形振痕。而在黏結處幾乎看不到振痕，形成明顯的黏結點。

漏鋼坯殼的實際測量數據表明，黏結處的坯殼明顯比相鄰的坯殼厚。例如，在2022年4月的黏結漏鋼中，離結晶器上口100 mm，距離邊部40 mm處，坯殼厚度達24 mm，越往中心部位，坯殼的厚度逐漸減薄到6～8 mm。此現象與上述機理分析吻合。

4 黏結漏鋼的改進措施

為了穩定該鋼種的生產，迅速占領該類產品市場，2021年下半年，鼎銘公司針對該鋼種的漏鋼成立了專門攻關小組。攻關小組結合以上黏結漏鋼的形成機理、特征及鼎銘公司的裝備情況、生產過程的工藝控制水平，在該鋼種的后續生產過程中進行了以下方面的改進。

4.1 保護渣的優化

結晶器保護渣的潤滑與傳熱是控制鑄坯質量、提高連鑄生產率關鍵的兩大因素。如果位于結晶器彎月面附近的熔渣的厚度、溫度、黏度、流速等分布不均勻，就會造成凝固坯殼與結晶器之間的渣膜的厚度、溫度分布不均勻；如果渣膜是不連續的，就會在主殼的凝固過程中產生較大的應力，成為鑄件的裂紋源，甚至會導致泄漏事故的發生。

在連鑄設備和連鑄工藝操作都正常的情況下，選用性能良好的結晶器保護渣是防止或減少連鑄生產事故和改進鑄坯表面質量的有效措施之一。如果要避免出現連鑄過程中的漏鋼和生產無缺陷的連鑄坯表面，就要務必保證鋼水在結晶器中形成的凝固坯殼均勻地生長。結晶器保護渣要著重注意以下幾個方面：①合適的液渣層厚度。如果結晶器內保護渣的液渣層太薄，就會造成結晶器壁與坯殼之間的液渣供應不足，使正在熔化的結晶器保護渣卷入坯殼，不但造成坯殼傳熱不均，而且極易在鑄坯表面形成夾雜等缺陷，嚴重時會引起漏鋼事故。②合適的渣黏度。低黏度會使液體渣層變薄，黏度過高保護渣很難流動到殼和器壁之間的間隙，導致鋼坯殼的不均勻傳熱，甚至造成黏結漏鋼。③合適的保護渣消耗量。保護渣的消耗量確定了潤滑膜的厚度和穩定性，使液態渣膜厚度均勻，從而保證傳熱的均勻性，減少坯殼與結晶器黏結的發生。

總的來說，要使保護渣很好地起到減少或消除鑄坯表面缺陷及避免黏結漏鋼發生的作用，其必須具有以下兩個方面的性能：①良好的潤滑性能，從而減少凝固坯殼與結晶器壁之間的摩擦，減少鑄坯表面與結晶器之間的黏結。②均勻的傳熱效果。為了實現這一目標，核心是使結晶器的上部和凝固殼之間形成的渣膜（固體+液體）始終保持均勻。

為了保證以上性能，必須選擇合適的結晶器保護渣堿度。因為堿度是衡量連鑄結晶器保護渣性能的重要參數，是影響渣黏度的主要因素。在為某類鋼種選擇保護渣時，常常用堿度作為初步判定的依據。高速連鑄的保護渣堿度一般控制在0.6～1.2的范圍內，隨著CaO/ SiO2的增加，熔渣的黏度呈下降趨勢，但堿度過高時，由于高熔點物質的析出，黏度反而會上升。

通過與“青島斯多伯格”“河南西寶”等生產連鑄結晶器保護渣的專業廠家進行多次技術交流后，針對DM1885的小方坯生產開發了如下兩種保護渣，具體成分見表3。

表3 保護渣的成分

從實際使用結果來看，B渣在改善結晶器與鑄坯的潤滑度方面具有A渣無法替代的優勢，但在鑄坯黏結漏鋼得到根本性改善的同時也出現了新的問題，就是使用B渣的時候鑄坯表面出現了很多橫向凹陷，需要在軋制前進行局部修磨，否則影響線材的最終表面質量。

關于橫向凹陷的產生，普遍認為跟結晶器的振動有關，因為結晶器振動的負滑動時間相對正弦振動要短，這樣更有利于減輕連鑄坯表面的振痕深度；另外，結晶器振動的正滑動時間如果較長，可增加結晶器保護渣的消耗量，有利于凝固坯殼與結晶器之間的潤滑；結晶器向上的運動速度與鑄坯向下的運動速度差如果較小，還可以減小結晶器施加給連鑄坯向上作用的摩擦力或者減小連鑄坯凝固坯殼中的拉應力，從而減少拉裂的風險，所以如果結晶器振動的負滑脫作用較強，將有利于連鑄坯在結晶器內的脫模和拉裂的連鑄坯凝固坯殼的愈合。因此，結晶器采用浸入式水口、保護渣澆鑄的連鑄工藝生產連鑄坯表面質量及皮下質量要求較高的鋼種時，選用結晶器的非正弦振動是非常必要的。

合理的或最佳的結晶器振動的工藝參數是通過結晶器振動的基本參數的正確選擇來實現的，即連鑄的結晶器振動的基本參數（振幅和頻率）的確定必須以獲得最佳的結晶器振動的工藝參數為前提，以確保連鑄坯在結晶器內的順利脫模及獲得表面良好的連鑄坯。

4.2 結晶器振動的參數的優化

結晶器內渣膜的潤滑與渣膜厚度有關，而且結晶器保護渣的消耗量與結晶器保護渣的液態渣膜的厚度成正比。渣膜厚度與結晶器振動存在以下關系[6]：

式中：dl為液態渣膜厚度，mm；Vc為拉速，m/min；Tm為保護渣熔化溫度，℃；S為結晶器振幅，mm；tf為結晶器振動周期，s；tp為結晶器正滑脫時間，s。基于以上關系，策劃了不同的振動參數進行試驗。

鼎銘公司的振動參數與澆鑄速度之間存在如下的匹配關系：

式中：C1為澆鑄速度為零時的振動振幅；C2為振幅對澆鑄速度的因子；C3為澆鑄速度為零時的振動頻率；C4為頻率對澆鑄速度的因子；C5為負滑脫因子；C6為非正弦因子，取0.5。基于以上匹配關系，策劃了表4所示的兩種振動模式。

表4 不同振動模式的參數設定

兩種振動模式基本參數設定下的連鑄工藝參數計算見表5、表6。

表5 逆向振動模式參數計算

表6 正向振動模式參數計算

從以上計算可以看出，逆向振動模型下的負滑脫時間在拉速變動范圍內的變化幅度要小，振痕深度也較正向振動淺，而且從最近一次的情況來看，使用B渣、逆向振動模式后黏結漏鋼不但得到徹底的改善，而且鑄坯表面凹陷也能滿足后續軋制生產的要求。

5 結論

通過以上的分析與研究，并經鼎銘公司的生產實踐驗證，只要通過優化結晶器保護渣的成分使得堿度控制在1.05左右，熔點在1101 ℃，鼎銘公司新開發的DM1885不銹鋼的連鑄黏結漏鋼是完全可以避免的。而且，在優化結晶器保證渣成分的基礎上，通過調整結晶器振動參數，將結晶器振動的負滑脫時間控制在0.12～0.14 s，該鋼種的連鑄完全可以得到無表面缺陷的連鑄坯。