1 装备及工艺流程
陕西特殊钢有限责任公司小方坯连铸机从德国克虏伯工业技术有限公司引进，系国家“七五”期间技术引进、消化、吸收的重点项目之一。该机具有自动和手动操作功能，在线主体设备配有适应多炉连浇的大包回转台、钢水自称的中间包电子秤，Co60放射源液面自动控制，双偏心式结晶器振动装置，二冷前段电磁搅拌装置，700 t 45°对角液压剪，质量跟踪打印机。为了提高铸坯质量，改善二冷段铸坯冷却条件，采用二冷段“雾化”冷却技术。整个设备系统采用微机控制、显示，还有防误操作的连锁装置。
1.1 主要技术参数
机型 全弧型，二机三流
流间距/m 1.25
铸机半径/m 9
矫直半径/m 9/17.5
电磁搅拌 I-EMS
液面控制 Co60，自动
二冷气水 自动控制
剪切机 700 t 45°对角液压剪
拉速/m.min-1 0.3～3
送引锭杆速度/m.min-1 0～6
结晶器锥度 0.9%
结晶器振频/次.min-1 10～360
结晶器振幅/mm ±10
中间包容量/t 12～16
电炉容量/t 20，最大30
精炼炉容量/t 25(LF)，最大处理量30
铸坯断面/mm 130×130，200×200
铸坯定尺/mm 1.3～5.4
冶金长度/m 17.040
设计产量/t 6×104
生产钢号 碳结、合结、碳工、弹簧、轴承、不锈钢等
| 材料名称 |
Al2O3
(%) |
SiO2
(%) |
MgO
(%) |
CaO
(%) |
C
(%) |
体积密度/
g.cm-3 |
显气孔率
(%) |
耐火度/
℃ |
导热系数/
W.(m.℃)-1 |
| Mg-Ca-C |
|
|
＞80 |
3.0 |
＞7.8 |
＞3.0 |
＜7 |
＞1 800 |
|
| Al-Mg-C |
75 |
|
13 |
|
4 |
2.75 |
21 |
＞1 790 |
|
| 粘土砖 |
30～40 |
|
|
|
|
|
|
＞1 700 |
0.83～1.5 |
| 中包高铝砖 |
48～60 |
|
|
|
|
|
|
＞1 700 |
1.27～1.68 |
| 中包涂料 |
≤8 |
≤10 |
≥5 |
≤4 |
|
|
|
＞1 790 |
|
| 石棉板 |
|
|
|
|
|
1.4 |
|
|
0.15 |
精炼包：
包底耐火材料厚/mm 290
包壁厚/mm 270
绝热层 10 mm石棉板
永久层 65 mm粘土砖
包底 210 mm Mg-Ca-C砖
包壁渣线 148 mm Mg-Ca-C砖
其余 148 mm Al-Mg-C砖
中间包：
包衬厚/mm 160
绝热层 10 mm石棉板
永久层 32 mm粘土砖
114 mm厚 高Al砖
工作层厚 20～30 mm Mg-Cr涂料
3.2 钢液温度在精炼包、中间包内的变化规律
(1)钢液温度在精炼包中的变化
如前所述的精炼包耐材，在正常烘烤(1 000 ℃左右)条件下，电炉钢水，镇静期温降速率为3 ℃/min左右，这个温降无法保证连铸过程的温度控制。当进入精炼炉加热时，由于包衬蓄热，初始温降速率为0.5～1.0 ℃/min，继续加热呈升温趋势，加热时间大于5 min，温升速率可达1.5～2 ℃/min，到达设备加热升温设计值。测定钢包壳表面温度为170～200℃。不再加热时，钢液温降可保证0.8～1 ℃/min，可以认为包衬基本不再蓄热，钢水与包衬热交换基本达到动态热平衡。
通过理论计算，出钢镇静期，温降速率为3.65 ℃/min，钢液与包衬热交换达动态平衡时为0.8 ℃/min，这与实际情况完全吻合。理论计算还指出，钢包总热量损失中，蓄热损失大于95%，因此钢包烤红出钢具有十分重要的意义。
(2)分钢种中间包浇注过程温度变化
中间包浇注过程，开浇后5 min，温降速率1.5 ℃/min，开浇后10 min为1 ℃/min，此后因钢种不同而在一个较小的温度范围内波动。
这个过程表明，大包钢水进入中包，由于存在温差，中包衬吸热，钢水温度下降；开浇后中间包钢水不断流出，同时大包高温钢水不断补充。
中间包烘烤大于2 h，使包衬温度大于1 200 ℃，钢水与包衬温差不大，可使浇注过程温度基本稳定。
电炉出钢温度损失60～80 ℃，大包浇注过程温度损失30～35 ℃，钢水入中间包温度损失约20 ℃。
(3)中间包热度对铸坯质量的影响
从连铸工艺角度看，影响铸坯质量的因素有钢水温度，拉坯速度，冷却强度和电磁搅拌强度。其中钢水温度，即浇注时中间包钢水的过热度是主要的。合适的浇注温度是获得铸坯质量的基础，如果注温偏高，即过热偏大，会增加钢水的二次氧化，以及对包衬耐火材料的侵蚀，从而使铸坯中的非金属夹杂物增多。同时会使连铸坯带着一个很长的液相穴，在铸机内不断运动过程中凝固，结晶凝固过程必然伴随着过热(从浇注温度冷却到液相线温度)、潜热(从液相线温度冷却到固相线温度)和显热(从固相线温度冷却到环境温度)的放出。在释放潜热的固-液交界面附近，存在一个凝固脆化区，该区固液界面晶体强度和塑性都非常小，所以又是一个裂纹敏感区。如能合理控制连铸钢水过热度，则可有效地控制铸坯凝固过程中固-液界面，从而有效地控制脆性区的范围，防止铸坯因强度、塑性降低所产生的裂纹。连铸坯的凝固特点是倾向于生成柱状晶组织，因此易产生柱状晶的“搭桥”现象，从而导致中心疏松、中心偏析，甚至缩孔。连铸钢水的严重过热，即浇注温度过高，恰好是柱状晶发达的有利条件，所以在连铸工艺执行中，为减少铸坯柱状晶组织，扩大等轴晶区，力求实现低温浇注或所谓“零”过热度浇注。尽管这在连铸工艺中不易实现，但说明控制浇注钢液过热度是非常重要的。
结合现场所浇注的钢种，以20、40Cr、60Si2Mn、GCr15分别代表低、中、高碳钢和对应的碳结、合结、弹簧和轴承钢，作了详细的温度研究，过程温度变化如表2，温度参数和铸、轧坯质量如表3，各工艺点温度变化如表4。
表2 分钢种生产过程中温度变化情况
| 钢号 |
炉号 |
出钢/
℃ |
精炼炉加热/℃ |
吹氩站
吊包/℃ |
中间包浇注/℃ |
| 时间/min |
0 |
30 |
60 |
90 |
时间/min |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
| 20 |
60-372 |
|
|
1556 |
1 603 |
1 612 |
1 597 |
1 580 |
|
1 545 |
1 528 |
1 532 |
1 532 |
1 527 |
|
| 60-647 |
1 649 |
|
1560 |
1 581 |
1 626 |
1 601 |
1 584 |
|
1 551 |
1 544 |
1 538 |
1 546 |
1 546 |
1 531 |
| 40Cr |
60-222 |
1 647 |
|
1588 |
1 605 |
1 595 |
1 584 |
1 565 |
|
1 504 |
1 503 |
1 506 |
1 498 |
1 496 |
1 491 |
| 60-262 |
1 688 |
|
1641 |
1 575 |
1 586 |
1 578 |
1 566 |
|
1 513 |
1 504 |
1 506 |
1 506 |
1 497 |
|
| 60-235 |
1 644 |
|
1607 |
1 577 |
1 563 |
1 607 |
1 562 |
|
1 527 |
1 509 |
1 517 |
1 514 |
1 506 |
1 501 |
| 60-390 |
|
|
1626 |
1 620 |
1 610 |
1 578 |
1 557 |
|
1 524 |
1 504 |
1 507 |
1 509 |
1 498 |
|
| 61-606 |
1 653 |
|
1553 |
1 577 |
1 584 |
|
1 572 |
|
1 530 |
1 520 |
1 523 |
1 523 |
1 519 |
1 516 |
60Si
2
Mn |
60-289 |
1 620 |
|
1553 |
1 563 |
1 554 |
|
1 535 |
|
1 501 |
1 483 |
1 484 |
1 482 |
1 477 |
|
| 60-317 |
1 634 |
|
1572 |
1 548 |
1 582 |
1 550 |
1 534 |
|
1 503 |
1 487 |
1 477 |
1 484 |
1 480 |
|
GCr
15 |
60-251 |
|
|
1567 |
1 609 |
1 589 |
1 548 |
1 524 |
|
1 486 |
1 478 |
1 463 |
1 475 |
1 470 |
1 456 |
| 60-297 |
|
|
1582 |
1 614 |
1 580 |
1 552 |
1 508 |
|
1 475 |
1 468 |
1 469 |
1 460 |
1 455 |
|
| 60-629 |
1 616 |
|
1579 |
1 557 |
1 540 |
1 543 |
1 529 |
|
1 489 |
1 478 |
1 479 |
1 485 |
1 465 |
|
表3 过程温度及相应炉号的铸、轧坯质量
| 钢种 |
电炉出钢/
℃ |
LF炉起吊/
℃ |
吹氩站起吊/
℃ |
中间包过热度/
℃ |
铸坯(200方)、轧坯(110方、76方)低倍,级 |
说明 |
| 一松 |
中松 |
偏析 |
中心C偏析 |
| 20 |
1 640～1 650 |
1 600～1 620 |
1 570～1 580 |
15～35 |
0.5×1
1.0×1
0.5×2 |
1.0×2
1.0×2 |
-1.0×2
-1.0×2 |
|
|
| 40Cr |
1 620～1 630 |
1 565～1 575 |
1 555～1 560 |
15～30 |
0.5×2
1.0×2
0.5×1
1.0×3 |
0.5×2
1.5×1
0.5×2 |
-1.0×1
-0.5×1
-1.0×2 |
|
|
| 60Si2Mn |
1 585～1 600 |
1 538～1 548 |
1 528～1 533 |
15～30 |
1.0×3
1.0×2
2.0×2 |
2.0×2
2.5×1
1.5×1
1.0×1 |
-1.5×2
-2.0×1
-1.0×2 |
|
|
| GCr15 |
1 570～1 580 |
1 520～1 530 |
1 510～1 520 |
15～28 |
0.5×2
1.0×1
0.5×2 |
2.0×2
2.5×1
2.0×1
1.0×1 |
-1.5×2
-1.0×2 |
1.5×4
1.5×4 |
110方
出现
中心C
偏析 |
表4 分钢种各工艺点温度变化范围
| 钢种 |
液相线/℃ |
电炉出钢/℃ |
LF炉起吊/℃ |
吹氩站/℃ |
中包过热度/℃ |
| 10 |
1 522 |
1 650～1 660 |
1 592～1 602 |
1 582～1 587 |
20～40 |
| 20 |
1 512 |
1 640～1 650 |
1 582～1 592 |
1 572～1 577 |
15～35 |
| 35 |
1 500 |
1 630～1 640 |
1 570～1 580 |
1 560～1 565 |
20～35 |
| 45 |
1 495 |
1 620～1 630 |
1 565～1 575 |
1 555～1 560 |
20～35 |
| 65Mn |
1 479 |
1 615～1 625 |
1 549～1 559 |
1 539～1 544 |
15～25 |
| 20Cr |
1 510 |
1 640～1 650 |
1 580～1 590 |
1 570～1 575 |
20～35 |
| 20CrMo |
1 509 |
1 640～1 650 |
1 579～1 589 |
1 569～1 574 |
20～35 |
| 20CrMnTi |
1 510 |
1 620～1 630 |
1 580～1 590 |
1 570～1 575 |
20～35 |
| 20Mn2 |
1 512 |
1 640～1 650 |
1 582～1 592 |
1 572～1 577 |
20～35 |
| 35CrMo |
1 498 |
1 630～1 640 |
1 568～1 578 |
1 558～1 563 |
15～35 |
| 42CrMo |
1 492 |
1 620～1 630 |
1 562～1 572 |
1 532～1 537 |
20～35 |
| T8 |
1 466 |
1 595～1 605 |
1 536～1 546 |
1 526～1 531 |
15～25 |
| T9 |
1 459 |
1 590～1 600 |
1 529～1 539 |
1 519～1 524 |
15～25 |
| T10 |
1 451 |
1 580～1 590 |
1 521～1 531 |
1 511～1 516 |
15～25 |
| 60Si2Mn |
1 468 |
1 600～1 610 |
1 538～1 548 |
1 528～1 533 |
15～30 |
| GCr15 |
1 450 |
1 580～1 590 |
1 520～1 530 |
1 510～1 515 |
15～28 |
| 40Cr |
1 495 |
1 612～1 627 |
1 586～1 600 |
1 575～1 586 |
15～30 |
从表2和表3得知，较合理控制分钢种连铸过程温度和中间包钢水过热度，不仅可保证连铸工艺正常进行，而且铸、轧坯质量均较好(仅GCr15 110方出现中心碳偏析缺陷)。
4 连铸生产工艺
(1)连铸钢液执行“三位一体”生产工艺。钢水在精炼炉应吹氩搅拌，加热时间＞50 min。
(2)大包烘烤温度≥1 000 ℃，中包烘烤时间≥2 h，温度≥1 200 ℃。
(3)新精炼包需烘烤48 h，且第一次盛钢水不许用于连铸。
(4)大包熄火到电炉出钢时间不超过15 min。生产组织上强调电炉等钢包，而不是钢包等钢水。
(5)LF炉调温合适，起吊去吹氩站时，应加钢包覆盖剂保温。
(6)中间包熄火到大包开浇时间不超过6 min。否则钢包返回精炼炉，中间包重新烘烤0.5 h以上。
(7)大包开浇，中间包钢水2.0 t时，加入中间包保护剂，减少表面热损失。
(8)浇注过程中勤测中间包钢水温度，调整铸坯拉速。
1.2 生产工艺流程
20 t电炉初炼→25 t LF炉精炼→连铸成坯→剪切→缓冷
2 钢水过热度控制
连铸生产的首要任务是保证和提高铸坯质量。连铸与模铸相比，主要区别就在于连铸坯是在强制冷却条件下结晶形成的，结晶过程易产生搭桥，在铸坯纵向上形成“小钢锭”结构，树枝晶较发达，易产生疏松、缩孔、裂纹等缺陷。影响铸坯质量的因素有：连铸钢液过热度、拉坯速度、冷却水量、电磁搅拌等。主要因素是过热度，过热度的稳定控制，可保证拉坯速度。二冷水的稳定控制，对铸坯的表面质量和内在质量都十分有利。
实践表明，没有稳定、合适的钢液连铸过程温度控制，就无法得到合适的中间包钢液过热度，也就无法保证连铸工艺的正常进行和铸坯表面、内在质量的提高。浇铸温度过高，铸坯坯壳较薄，易造成铸坯产生裂纹，甚至漏钢，或开浇失控。浇铸温度过低，易引起开浇溢钢或冻结。
合金钢连铸，由于钢种不同，凝固结晶存在差异。因此，必须根据各钢种的凝固特点，执行相应的过程温度控制制度。
3 钢液连铸过程温度变化
钢液连铸过程温度的变化主要包括①电炉出钢温度损失；②钢水入中间包温度损失；③精炼包和中间包衬蓄热和表面散热。
3.1 精炼包和中间包的结构及耐材特性(表1)
表1 精炼包、中间包用耐火材料指标 |
