大同特殊钢公司开发成功连铸坯表面质量系统
2002-09-13 00:00 来源： 我的钢铁
一、前言
日本大同特殊钢公司知多厂主要生产汽车用条钢，从渗碳钢、凋质钢、轴承钢到不锈钢等合计15万t/a，其中10万t为连铸材。这些材料一直用作汽车重要的安全部件，用户多需对钢材进行冷镦加工，故须有很高的表面质量。
知多厂1号连铸机为采用方形结晶器的全弧形铸机，在原来引入M-EMS(结晶器电磁搅拌)技术并改进了保护渣性能的基础上，新开发了以下技术：用检测结晶器铜板温度变化来检测结晶器里的铸坯表面的纵裂，测定通过矫直(夹)辊时的铸坯温度来检测矫直产生的铸坯横裂，从而大幅度改善了铸坯质量。下面概要介绍其设备和工艺。
二、设备规模及工艺
知多厂1号连铸机浇铸的主要是汽车用钢，包括含碳量为0.15％-1.10％的宽范围渗碳钢及工具钢。其主要设备规格为：方坯(即结晶器)尺寸370*5lOmm、弧形半径R=16.5m、4点矫直、铸坯流数2流、最高铸速0.7m/min；钢包容量80t、中包容量20t、铸机产能6万t/月；二冷段采用喷雾+空气混合喷雾方式冷却铸坯；在结晶器和二冷段均分别设置了电磁搅拌装置。
1号连铸机浇铸的连铸坯全部热送至轧钢加热炉，开坯轧制成为145-150mm方坯半成品(也称中间制品)或成品钢材。在轧制过程中，用热轧件火焰清理方式除去钢坯表面缺陷；开坯后，对成品或中间制品全部进行超声波和磁力探伤，再用砂轮机研磨缺陷，然后出厂或供给成品轧制。
三、铸坯表面质量评价系统的开发
1、铸坯表面质量存在的问题
在用1号连铸机生产的连铸坯轧制的中间制品上，表面缺陷发生频率最高(达61％)的是以渗碳(即表面硬化)钢为中心的包晶系中碳钢种；在1号连铸机浇铸的渗碳钢(包括加Pb渗碳钢)的中间制品表面缺陷中，各种表面裂纹所占比例最高，其中横裂约占54％，网状裂纹占13％，纵裂点7％；角裂占5％，而其它的表面缺陷占21%。
由于在1号连铸机上，以原结晶器的均匀缓慢冷却为目的而改善了连铸保护渣性能，还实施了二次冷却带铸坯的缓冷化，从而减少了起因于―?次冷却(即结晶器内)的纵裂和二次冷却的冷却+回热的晶界裂纹。因此，剩下的主要表面缺陷就是起因于矫直辊(即夹辊)的矫直横裂纹。虽可用砂轮机磨去中间制品的这此缺陷，但为了实现钢坯检查与清理工艺的自动化、省力化并缩短交货时间，一直希望进―步提高并稳定铸坯表面质量。
2、表面质量评价系统的概念
为了满足用户对小批量多品种钢的需求，1号连铸机的平均连浇炉次仅有2包；且因钢种质量特性的不同，基准铸坯拉速(Vc)的变动范围也宽。因此，铸坯冷却条件(从通过结晶器到进入轧钢加热炉的温度变化)也有较大波动，如通过夹辊矫直时，铸坯棱角部表面的最大温降达250℃。
在必须适应多品种小批量生产的前提下，所开发的铸坯表面质量评价系统应能提供良好稳定的产品和中间制品；根据比原来更详尽的连铸操作实绩信息，可高精度判定铸坯表面质量水平，并指标每根铸坯的在线表面缺陷火焰清理量。
3、表面质量评价系统概要
钢坯表面质量评价与测定系统的原理和构成，主要是将铜质结晶器内铸坯表面温度酌波动情况、铸坯二冷段的喷雾冷却情况以及铸坯在矫直段的温度变化情况输入计算机，从而进行鉴别和比较，分别查明以上温度变化与各种铸坯表面缺陷的关系。
在结晶器铜板上距弯月面不同距离的28个位置设置了STR热电偶，根据各点温度变化检测到了起因于一次冷却不均匀的与铸坯表面伴生的纵裂缺陷。
为了检测二次冷却带因喷嘴堵塞，铸坯冷却不均匀而在冷却一回热过程中产生的晶界裂纹，在二冷段各个面上都配置了流量计和压力计，在线监视喷嘴堵塞情况和水管破损情况。
当铸坯通过夹辊矫直时，用辐射温度计监测了铸坯棱角部温度变化，查明了铸坯横裂纹的产生与中间钢坯表面缺陷发生条件的关系。
四、表面质量评价系统的检测能力与效果
如前所述，知多厂1号连铸机通过引入M-EMS并改善保护渣性能，从而均匀了铸坯的―次冷却，减轻了铸坯纵裂。因此，下面着重介绍该厂开发的系统对铸坯横裂纹(所占比例最高的表面缺陷)的检测能力及效果。
1、操作参数对铸坯横裂纹产生的影响为了查明横裂的产生条件，调查了在线管理的每根铸坯连铸操作参数与其矫直横裂纹的相关关系。
结果表明：浇铸渗碳钢A(0.2％C、1.2％Cr)时，当铸速Vc=0.7m/min、矫直温度≥840℃即产生了铸坯横裂；当V=0.5m/min、矫直温度≥810℃时，铸坯经常横裂。浇铸高N的含Nb渗碳钢B(0.2％C、1.2％Cr)时，铸坯矫直横裂温度的极限值稍微扩大至低温一侧。而浇铸含Pb渗碳钢C(0.2％、1.2％Cr、0.1％Pb)的Vc=0.6m/min、矫直温度≥810℃时，坯表产生了横裂；Vc=0.5m/min、矫直温度≥780℃时，有横裂的倾向。
总而言之，无论对哪个钢种，若在某一温度以上的高温区域矫直铸坯，铸坯表面易裂；而致裂的矫直温度极限值则因钢种而发生变化。并且，铸坯通过结晶器的Vc较低时，致裂的矫直温度极限值也有下降的倾向。
2、矫直横裂纹的产生机理
研究表明，易产生矫直横裂纹的包晶系列钢种，在冷却过程中从A3相变点开始，就在旧的奥氏体(简称A)晶界上析出了铁素体(简称F)。当铸坯矫直变形时，F和A的变形能差使晶界滑移，从而导致裂纹的产生。
因此，需要在晶界不析出F的高温区域矫直铸坯以避免此类横裂纹的产生。然而在实际操作中，由于连浇炉数少，通过夹辊的铸坯表面温度波动大，难于经常避开易产生裂纹的温度区域。故在详细调查Al相变点附近横裂纹产生条件的基础上，须对铸坯进行后处理，如火焰清理等。
在实际生产中，矫直裂纹多发生在比A3点低的高温区域。这是由于铸坯与夹辊接触而造成温度下降以及矫直变形使A3相变点提高的结果。特别是后者(A3点的提高)促进了不与夹辊接触的铸坯侧面横裂纹的产生。
为了验证A3相变点在变形中的提高，采用专门加工试验机对渗碳钢A(0.2％C、1.2%Cr)的试样进行变形速度为0.001(1/Sec)即与实际矫直铸坯相当的压缩形变试验，结果查明，钢的A3点从原750℃提高到了800℃的事实。至于A晶界的F析出，则是形变引发的位错造成了微观缺陷，从而使晶核生长频率提高的缘故。
3、钢成分和铸速对矫直横裂纹的影响
研究表明，随着钢中S-A1含量的增加和Nb元素的加入，铸坯产生横裂纹的温度范围有扩展至低温一侧的倾向：当[S-A1XN]指数由1增加至2以上时，铸坯产生横裂纹的温度下限就由原来850℃扩展至810℃；当钢中铌含量[％Nb]由原来0.001％增高至0.02％时，产生横裂纹的温度下降就由原830℃扩展至800℃。这是因在A晶界析出的薄膜状F上，AIN、Nb(C，N)质点的析出使晶界脆化，或将这些质点作为晶核而促进了F的生成和晶界脆化的结果。
另外，随着铸坯拉速Vc的下降，横裂纹的产生温度范围有扩大的倾向。这是因为低速浇铸使铸坯表面振痕变深而产生了切口的作用。
4、开发系统的使用效果
如上所述，起因于矫直变形的铸坯横裂与矫直温度密切相关，即存在易产生横裂的危险温度区域；并且，此区域还因钢的成分和Vc的不同而发生变化。
因此，本开发系统设定了各种钢成分和拉速条件的产生裂纹的矫直温度危险区域，以便判断每根铸坯的矫直温度是否危险。当处于危险区域时，按规定须在铸坯轧制过程中，在线增大铸坯热件的火焰清理缺陷的工作量。
将开发系统用于1号连铸机大生产，从1998年9月-1999年4月，使铸坯的缺陷发生减少了2/3，即大幅度改善了其表质量。
五、结论
在日本大同特钢公司知多厂1号连铸机上，除原来对铸坯拉速和结晶器液面变化进行管理之外，还进行了结晶器散热变化、二次冷却监测以及每根铸坯矫直温度的在线管理。
用所开发的铸坯表面质量评价系统查明了原来不清楚的起因于连铸机夹辊矫直的横裂产生条件；没定了各种钢成分和铸坯拉速的矫直温度危险区域。对在危险区域矫直的铸坯增大了火焰清理量，以确保成品钢材或热轧中间制品质量。在1号连铸机上使用本开发系统，可将由铸坯热轧而成的中间制品表面缺陷发生率减少到原来的1/3，效果十分显著。
日本大同特殊钢公司知多厂主要生产汽车用条钢，从渗碳钢、凋质钢、轴承钢到不锈钢等合计15万t/a，其中10万t为连铸材。这些材料一直用作汽车重要的安全部件，用户多需对钢材进行冷镦加工，故须有很高的表面质量。
知多厂1号连铸机为采用方形结晶器的全弧形铸机，在原来引入M-EMS(结晶器电磁搅拌)技术并改进了保护渣性能的基础上，新开发了以下技术：用检测结晶器铜板温度变化来检测结晶器里的铸坯表面的纵裂，测定通过矫直(夹)辊时的铸坯温度来检测矫直产生的铸坯横裂，从而大幅度改善了铸坯质量。下面概要介绍其设备和工艺。
二、设备规模及工艺
知多厂1号连铸机浇铸的主要是汽车用钢，包括含碳量为0.15％-1.10％的宽范围渗碳钢及工具钢。其主要设备规格为：方坯(即结晶器)尺寸370*5lOmm、弧形半径R=16.5m、4点矫直、铸坯流数2流、最高铸速0.7m/min；钢包容量80t、中包容量20t、铸机产能6万t/月；二冷段采用喷雾+空气混合喷雾方式冷却铸坯；在结晶器和二冷段均分别设置了电磁搅拌装置。
1号连铸机浇铸的连铸坯全部热送至轧钢加热炉，开坯轧制成为145-150mm方坯半成品(也称中间制品)或成品钢材。在轧制过程中，用热轧件火焰清理方式除去钢坯表面缺陷；开坯后，对成品或中间制品全部进行超声波和磁力探伤，再用砂轮机研磨缺陷，然后出厂或供给成品轧制。
三、铸坯表面质量评价系统的开发
1、铸坯表面质量存在的问题
在用1号连铸机生产的连铸坯轧制的中间制品上，表面缺陷发生频率最高(达61％)的是以渗碳(即表面硬化)钢为中心的包晶系中碳钢种；在1号连铸机浇铸的渗碳钢(包括加Pb渗碳钢)的中间制品表面缺陷中，各种表面裂纹所占比例最高，其中横裂约占54％，网状裂纹占13％，纵裂点7％；角裂占5％，而其它的表面缺陷占21%。
由于在1号连铸机上，以原结晶器的均匀缓慢冷却为目的而改善了连铸保护渣性能，还实施了二次冷却带铸坯的缓冷化，从而减少了起因于―?次冷却(即结晶器内)的纵裂和二次冷却的冷却+回热的晶界裂纹。因此，剩下的主要表面缺陷就是起因于矫直辊(即夹辊)的矫直横裂纹。虽可用砂轮机磨去中间制品的这此缺陷，但为了实现钢坯检查与清理工艺的自动化、省力化并缩短交货时间，一直希望进―步提高并稳定铸坯表面质量。
2、表面质量评价系统的概念
为了满足用户对小批量多品种钢的需求，1号连铸机的平均连浇炉次仅有2包；且因钢种质量特性的不同，基准铸坯拉速(Vc)的变动范围也宽。因此，铸坯冷却条件(从通过结晶器到进入轧钢加热炉的温度变化)也有较大波动，如通过夹辊矫直时，铸坯棱角部表面的最大温降达250℃。
在必须适应多品种小批量生产的前提下，所开发的铸坯表面质量评价系统应能提供良好稳定的产品和中间制品；根据比原来更详尽的连铸操作实绩信息，可高精度判定铸坯表面质量水平，并指标每根铸坯的在线表面缺陷火焰清理量。
3、表面质量评价系统概要
钢坯表面质量评价与测定系统的原理和构成，主要是将铜质结晶器内铸坯表面温度酌波动情况、铸坯二冷段的喷雾冷却情况以及铸坯在矫直段的温度变化情况输入计算机，从而进行鉴别和比较，分别查明以上温度变化与各种铸坯表面缺陷的关系。
在结晶器铜板上距弯月面不同距离的28个位置设置了STR热电偶，根据各点温度变化检测到了起因于一次冷却不均匀的与铸坯表面伴生的纵裂缺陷。
为了检测二次冷却带因喷嘴堵塞，铸坯冷却不均匀而在冷却一回热过程中产生的晶界裂纹，在二冷段各个面上都配置了流量计和压力计，在线监视喷嘴堵塞情况和水管破损情况。
当铸坯通过夹辊矫直时，用辐射温度计监测了铸坯棱角部温度变化，查明了铸坯横裂纹的产生与中间钢坯表面缺陷发生条件的关系。
四、表面质量评价系统的检测能力与效果
如前所述，知多厂1号连铸机通过引入M-EMS并改善保护渣性能，从而均匀了铸坯的―次冷却，减轻了铸坯纵裂。因此，下面着重介绍该厂开发的系统对铸坯横裂纹(所占比例最高的表面缺陷)的检测能力及效果。
1、操作参数对铸坯横裂纹产生的影响为了查明横裂的产生条件，调查了在线管理的每根铸坯连铸操作参数与其矫直横裂纹的相关关系。
结果表明：浇铸渗碳钢A(0.2％C、1.2％Cr)时，当铸速Vc=0.7m/min、矫直温度≥840℃即产生了铸坯横裂；当V=0.5m/min、矫直温度≥810℃时，铸坯经常横裂。浇铸高N的含Nb渗碳钢B(0.2％C、1.2％Cr)时，铸坯矫直横裂温度的极限值稍微扩大至低温一侧。而浇铸含Pb渗碳钢C(0.2％、1.2％Cr、0.1％Pb)的Vc=0.6m/min、矫直温度≥810℃时，坯表产生了横裂；Vc=0.5m/min、矫直温度≥780℃时，有横裂的倾向。
总而言之，无论对哪个钢种，若在某一温度以上的高温区域矫直铸坯，铸坯表面易裂；而致裂的矫直温度极限值则因钢种而发生变化。并且，铸坯通过结晶器的Vc较低时，致裂的矫直温度极限值也有下降的倾向。
2、矫直横裂纹的产生机理
研究表明，易产生矫直横裂纹的包晶系列钢种，在冷却过程中从A3相变点开始，就在旧的奥氏体(简称A)晶界上析出了铁素体(简称F)。当铸坯矫直变形时，F和A的变形能差使晶界滑移，从而导致裂纹的产生。
因此，需要在晶界不析出F的高温区域矫直铸坯以避免此类横裂纹的产生。然而在实际操作中，由于连浇炉数少，通过夹辊的铸坯表面温度波动大，难于经常避开易产生裂纹的温度区域。故在详细调查Al相变点附近横裂纹产生条件的基础上，须对铸坯进行后处理，如火焰清理等。
在实际生产中，矫直裂纹多发生在比A3点低的高温区域。这是由于铸坯与夹辊接触而造成温度下降以及矫直变形使A3相变点提高的结果。特别是后者(A3点的提高)促进了不与夹辊接触的铸坯侧面横裂纹的产生。
为了验证A3相变点在变形中的提高，采用专门加工试验机对渗碳钢A(0.2％C、1.2%Cr)的试样进行变形速度为0.001(1/Sec)即与实际矫直铸坯相当的压缩形变试验，结果查明，钢的A3点从原750℃提高到了800℃的事实。至于A晶界的F析出，则是形变引发的位错造成了微观缺陷，从而使晶核生长频率提高的缘故。
3、钢成分和铸速对矫直横裂纹的影响
研究表明，随着钢中S-A1含量的增加和Nb元素的加入，铸坯产生横裂纹的温度范围有扩展至低温一侧的倾向：当[S-A1XN]指数由1增加至2以上时，铸坯产生横裂纹的温度下限就由原来850℃扩展至810℃；当钢中铌含量[％Nb]由原来0.001％增高至0.02％时，产生横裂纹的温度下降就由原830℃扩展至800℃。这是因在A晶界析出的薄膜状F上，AIN、Nb(C，N)质点的析出使晶界脆化，或将这些质点作为晶核而促进了F的生成和晶界脆化的结果。
另外，随着铸坯拉速Vc的下降，横裂纹的产生温度范围有扩大的倾向。这是因为低速浇铸使铸坯表面振痕变深而产生了切口的作用。
4、开发系统的使用效果
如上所述，起因于矫直变形的铸坯横裂与矫直温度密切相关，即存在易产生横裂的危险温度区域；并且，此区域还因钢的成分和Vc的不同而发生变化。
因此，本开发系统设定了各种钢成分和拉速条件的产生裂纹的矫直温度危险区域，以便判断每根铸坯的矫直温度是否危险。当处于危险区域时，按规定须在铸坯轧制过程中，在线增大铸坯热件的火焰清理缺陷的工作量。
将开发系统用于1号连铸机大生产，从1998年9月-1999年4月，使铸坯的缺陷发生减少了2/3，即大幅度改善了其表质量。
五、结论
在日本大同特钢公司知多厂1号连铸机上，除原来对铸坯拉速和结晶器液面变化进行管理之外，还进行了结晶器散热变化、二次冷却监测以及每根铸坯矫直温度的在线管理。
用所开发的铸坯表面质量评价系统查明了原来不清楚的起因于连铸机夹辊矫直的横裂产生条件；没定了各种钢成分和铸坯拉速的矫直温度危险区域。对在危险区域矫直的铸坯增大了火焰清理量，以确保成品钢材或热轧中间制品质量。在1号连铸机上使用本开发系统，可将由铸坯热轧而成的中间制品表面缺陷发生率减少到原来的1/3，效果十分显著。
