特厚钢板坯料冶金技术概述

2016-02-27李明

现代冶金 2016年5期

关键词：电渣重熔钢锭

李明

(南京钢铁联合有限公司第二炼钢厂，江苏南京 210035)

特厚钢板坯料冶金技术概述

李明

(南京钢铁联合有限公司第二炼钢厂，江苏南京 210035)

特厚钢板坯料的质量问题一直是制约一些高品质特厚钢板国产化的瓶颈。概述了大单重、特厚钢板的市场应用前景、技术难点，以及其生产技术研究的迫切性，介绍了近年来国内外研究的水冷模铸技术、电渣重熔技术、连铸坯焊接复合轧制技术、立式连铸技术等几种特厚钢板制造方法的理论基础、生产效率、铸坯内部质量，并对其研究现状、品种开发进展、技术特点进行了分析，提出了各种技术的优缺点，以便钢铁企业针对自身特点选择适合的最佳技术方案。

铸造工艺；特厚钢板；内部质量；生产效率

引言

随着现代工业的飞速发展，对压力容器、锅炉、钻井平台及各类舰船用板需求量逐年增加，为降低各种装置的制造成本，这些装置都趋于大型化；为提高大型装置的安全可靠性，对使用的钢板质量要求越来越严格，对制造这些大型装置必须使用的大单重(≥20 t)、特厚(≥100 mm)钢板的需求量越来越大。

近几年国内外生产特厚钢板主要采用以下三种方法[1]：1)新建宽厚板厂通过增大连铸坯厚度来实现，如秦皇岛首秦金属材料有限公司将连铸坯厚度扩大到400 mm，新余钢铁有限责任公司扩大到420 mm，德国迪林根厚板厂最大连铸板坯厚度达400 mm；2)利用传统的模铸钢锭、水冷模铸钢锭、电渣重熔钢锭进行轧制，如舞阳钢铁有限责任公司、宝钢集团有限公司、五矿营口中板有限责任公司、鞍钢鲅鱼圈钢铁有限责任公司、鄂城钢铁有限责任公司、南阳汉冶特钢有限公司等宽厚板厂；3)日本是生产特厚钢板品种最先进的国家，其生产特厚钢板的方法有铸坯软压下及轧制技术、连铸坯焊接复合轧制技术、双向锻造轧制技术。此外，日本新日铁公司为了以更高的生产率生产高质量的特厚钢板坯，开发了同时具备模铸和连铸优点的立式连铸机。

由于连铸生产节奏快，不足以使所有夹杂有足够的时间上浮，在凝固过程中，部分夹杂上浮受到连铸坯外部凝固层阻隔，接近完全凝固的液芯补缩通道不畅通，因而造成连铸坯不同程度的夹杂富集、偏析及疏松产生。连铸受设备条件或钢种的限制难以生产厚度过大的特厚钢板，尤其是压缩比不够时，内部质量也难以保证，且连铸机投资大、成本高。大型模具钢和特厚钢板仍采用传统模铸方式生产，但大型模铸钢锭凝固的基本特点是从侧壁向中心进行，上部有缩孔，底部为沉积三角锥，钢锭内部还存在显微缩孔，倒V型偏析和V型偏析依次存在于柱状晶与等轴晶交界面和等轴晶区[2-3]。

1 四项冶金技术阐述

以下主要对水冷模铸技术、电渣重熔技术、连铸坯焊接技术、立式连铸技术进行分析比较。

1.1 水冷模铸技术

1.1.1 研究现状

中冶京诚(湘潭)重工设备有限公司开发的水冷模铸设备，采用铜板结晶器，水冷锭规格为960 mm×2300 mm×3200 mm，单重为54 t。据了解，湖南湘潭钢铁集团有限公司(以下简称“湘钢”)采用水冷模铸每月产量1500～2000 t，探伤合格率75%。水冷模铸坯存在表面裂纹，压缩比为4～5，优于连铸坯。湘钢特厚钢板生产具有工艺装备优势，采用电炉或转炉炼钢、LF和VD炉外精炼，浇注采用水冷模铸，经5 m宽厚板轧机轧制，板宽可达到4.95 m，成品板单重可达42 t。轧后经过功能齐全的钢板热处理系统，包括3条正火处理线、1条淬火处理线、1条回火处理线，湘钢已经能够稳定生产厚度150 mm以上的E36，F36，D36海洋平台用钢，此外还有用于机械制造的250 mm厚度保探伤的低合金特厚钢板，据称国内尚只有个别钢厂具备此项生产能力。200 mm厚度的Q345R钢板，150 mm厚度的13MnViMoNbR、S387Gr2L2钢板，120 mm厚度的09MnNiDR钢板，还有汽泡钢板等高端容器板，湘钢均已研制成功。

南阳汉冶特钢公司模铸生产线拥有24～48 t的普通锭型及自主研发、具有独家专利的水冷模，可生产保性能、保探伤、厚度为400 mm以下的低合金钢、高合金钢、碳素钢、模具钢等特种优质钢板。据了解，包括周转模，汉冶特钢公司共有水冷模铸设备十余套，铜板结晶器使用次数上万，成本低于普通模铸锭。月产量最高可达2～3万t，成材率75～85%。坯料厚度可调，最大规格为1000 mm×2200 mm×2800 mm，最大单重可达60 t。品种包括不保性能、不保探伤可做到厚度600 mm，保性能、保探伤厚度为400 mm以下的低合金钢、高合金钢、碳素钢，锅炉及压力容器钢12Cr2Mo1R，15CrMoR保性能、保探伤厚度为150 mm，模具钢保性能、保探伤厚度为200 mm，高层建筑及Z向钢保性能、保探伤厚度为200 mm。

1.1.2 技术特点

水冷模铸设备以热传导率高、热稳定性好的铜板结晶器作为钢锭模，外部通过循环冷却水对铜板钢锭模进行冷却，改变了原有钢锭模仅依靠辐射散热的方式，提高了热传导系数；铸模内腔形状为倒置的近似锥台形，在凝固过程中对铸锭产生一定的挤压作用，钢锭模设有侧边挤压机构，将气隙缩小，使钢锭组织致密；通过调整气隙间距改变热传导系数，可浇铸高碳及高合金钢钢种系列厚板坯。浇铸锭型大小可无级调整，提高了产品的成材率。钢液在水冷条件下迅速冷却，其结晶凝固处于静态凝固状态，没有外力及变形等因素影响，不易出裂纹；底注上补缩方式使夹杂物上浮充分[4]。

水冷模铸技术相对于连铸及传统模铸有以下优势：1)可以浇铸合金含量较高、连铸不适宜的钢种；2)连铸不适宜的规格；3)生产灵活，可以生产小批量品种；4)成材率高于传统模铸，轧制压缩比要求小于连铸坯。

1.2 电渣重熔技术

1.2.1 研究现状

电渣冶金技术起源于美国霍普金斯在1935年进行的渣中自耗电极熔化实验[1]。而现代电渣冶金技术是由苏联发展起来的，乌克兰巴顿电焊研究院在电渣焊的基础上开发出电渣冶金技术。1958年乌克兰扎波洛市的德聂泊尔特钢厂建成了世界上第一台0.5 t工业电渣炉，美国费尔思斯特林公司于1959年建造了3.6 t工业电渣炉，美欧国家1965年才开始在工业上全面推广。中国于1958年在电渣焊的基础上掌握电渣重熔技术，于1960年在重庆特钢公司、大冶特钢公司、大连钢厂及上钢五厂先后建立电渣炉，其后北满特钢公司、抚顺特钢公司等的工业电渣炉相继建成投产。

国外最大的电渣钢生产基地是乌克兰德聂泊尔特钢厂，该厂拥有22台电渣炉，具备年产10万t电渣钢的生产能力。当前世界上最大的电渣炉是中国上海重型机械厂的450 t电渣炉。国内最大的电渣钢生产基地是东北特钢集团，现有47台电渣炉，具有年产19.5万t电渣钢的生产能力。世界上著名的电渣冶金设备供应商有INTECO(因泰克)、CONSARC(康萨克)、ALD等公司[5-6]。

舞钢公司于2005年底与东北大学合作，开发设计了40 t双极串联、抬结晶器式板坯电渣炉，三相交流电经变频后变成低频(2～10Hz)供电，可生产断面尺寸为620 mm×1940 mm、740 mm×1960 mm和950 mm×2000 mm(最大单支锭重为50 t)的板坯。与单相交流双极串联板坯电渣炉相比，这种炉型解决了控制电极熔化同步难度大、三相不平衡等问题。这台电渣炉集中了低频供电、双极串联、抬结晶器等先进工艺技术，实践证明该炉型具备了所有板坯电渣炉的优越性；该电渣炉自投产以来成功开发大飞机项目20MnNiMo钢、核电用S355J2/Z35钢、水电用S355J0+N-Z35、S355J0/Z35钢、大型球磨机用Q345C/Z35钢、高镜面模具钢P20、718、锅炉压力容器用2.25Cr1Mo、16MnR(HIC) 钢、海洋工程用钢、军工钢等。月产量能够达到650 t/台以上，吨钢电耗1100～1300 kWh，锭—材成材率85%。

1.2.2 技术特点

电渣重熔(ESR)是利用电流通过液态熔渣产生的电阻热，加热和精炼金属的一种特种熔炼方法。其目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、改善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的、组织均匀致密的钢锭[7-8]。主要优点是：1)电渣产品纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁，具有很好的加工塑性，允许更小的压缩比；2)电渣重熔扁锭，省去开坯工序，直接轧制，与普通钢板比较，横向塑性、韧性大大提高，钢板各向异性、断裂韧性、缺口敏感性和疲劳指标显著改善；3)与模铸相比，电渣重熔生产特厚钢板成材率可提高9%～18%，且生产费用低于真空电弧重熔。缺点是：电耗较高，各国电渣重熔电耗一般为1300～1600 kWh/t，而电渣熔铸空心管件更高；通常采用大填充比、高比电阻渣系，以降低电耗。

1.3 连铸坯焊接复合轧制技术

1.3.1 研究现状

该工艺技术是JFE钢铁公司开发的，目前济钢公司、柳钢公司等企业采用此工艺试验、生产特厚钢板。其特点是将经预轧制过的钢板在小于压下比2的条件下进行轧制，可以生产出板厚200 mm以上的内部质量均匀的特厚钢板。基本流程：连铸坯预轧→清除界面黑皮→钢坯重叠→真空条件下界面周围焊接→加热→以压下比2热轧→以规定时间和方式缓冷→超声波检验。

济钢公司与东北大学合作进行板坯焊接研究，已进行Q345工业试制，两块130 mm×1.4 m×1.6 m板坯轧制成140 mm×1.5 m×2.2 m成品钢板，经Ⅰ级超声波探伤合格。济钢公司拥有9000 t强力特厚板轧机、台车式加热炉、50MN压力矫直机、坯(材)缓冷坑等一系列特厚钢板配套工艺设备，今年上半年，济钢公司已实现保探伤、保性能钢板开发至厚度300 mm，产品最大单重30 t，主要用于重型机械、高层建筑、压力容器、桥梁结构、海洋风电等行业。

1.3.2 技术特点

连铸坯焊接复合轧制法，是将两块连铸坯利用先进技术复合在一起进行轧制。先除去连铸坯结合面上的黑皮，将多片处理后的连铸坯进行重叠，在真空容器中使界面间处于真空状态，对所重叠的连铸坯界面进行焊接，使其形成复合板坯；或对界面周围形成焊接后将界面间抽成真空状态，同样形成复合板坯。将复合板坯加热至1100 ℃，以小于2的压下比进行热轧；轧后进行热处理、探伤检验，得到特厚复合钢板，界面性能接近基材性能。其关键技术是：钢板表面清理技术，复合界面处高真空技术，低速大压下技术。

该技术解决了因连铸坯厚度限制和压缩比制约，生产特厚钢板厚度受限的问题；轧制坯料广泛，生产工序相对简单，省去了模铸法的开坯工序[1]。

该技术需要合格的连铸坯，并且要求在高的真空度下进行高质量的钢坯焊接，焊缝的微小瑕疵都有可能使复合钢板报废。此外，加热过程中的氧化及轧制过程的不均匀变形也有导致复合失败的可能，操作难度高。此方法局限于连铸生产的品种。

1.4 立式连铸技术

1.4.1 研究现状

新日本钢铁公司名古屋分厂的立式全连铸坯断面尺寸为600 mm×2360 mm，已生产出厚度为350 mm的SS400钢，厚度为330 mm、强度400 MPa级钢及厚度为200 mm的高质量特厚钢板，年产42万t。神户钢铁公司的连铸坯断面尺寸为700 mm×1400 mm，大同特钢公司知多厂连铸坯断面尺寸为650×850 mm。宝钢特钢炼钢厂建造的立式连铸机品种有工程机械用钢、耐磨钢、模具钢、工具钢等。

1.4.2 技术特点

立式连铸机的钢液从中间罐注入直立的结晶器，钢液中大颗粒夹杂物及部分小夹杂可能上浮到表面，同时被保护渣吸收；铸坯冷却均匀，凝固组织对称性好；铸坯凝固过程不受弯曲、矫直等外力作用，铸坯内部不会有机械应力引起的裂纹缺陷，且由于钢水静压力较大，易于凝固补缩，适宜浇注合金钢及裂纹敏感性高的钢种[4]。但立式连铸设备总高度大，一般立式连铸机高度比弧形连铸机高度大两倍，所以厂房很高或需将连铸机部分设备建在地坑中，基建工程量大，厂房或地坑的建设费用高。

该方法虽属于连铸法，但是较传统特厚钢板所使用的模铸法有更高的生产率，在偏析、非金属夹杂物等内部质量方面保证其具有与初轧开坯材相当或更高的质量。