中薄板铸机生产高碳刃具钢铸坯缺陷控制

潘统领，李泽林，赵志刚

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

中高碳钢板带主要基于传统流程以窄带方式生产，但存在成分偏析和表层脱碳严重、组织性能不稳定等问题。近年来，采用薄板坯连铸连轧工艺批量生产系列中高碳板带钢，在一定程度上缓解了传统流程生产所带来的问题并得到广泛应用。但基于中薄板生产中高碳钢的文献少有报道。2016年末，鞍钢利用中薄板铸机试生产高碳刃具钢，铸坯出现了表面纵裂纹等缺陷。在没有电磁搅拌、轻压下等工艺条件下，通过不断完善生产工艺，使高碳刃具钢熔炼成分控制稳定，冶炼和连铸操作顺利，最终板坯质量满足下道工序要求。

1　工艺流程及铸机参数

鞍钢股份有限公司炼钢总厂高碳刃具钢生产工艺流程为:铁水脱硫→转炉冶炼→RH精炼→中薄板连铸→铸坯检验、出厂。铸机参数见表1。

2　铸坯缺陷及原因分析

鞍钢中薄板铸机在生产高碳刃具钢时铸坯存在的主要质量缺陷有:内部质量缺陷如碳偏析、中心缩孔，外部表面质量缺陷如表面纵裂、鼓肚。图1为生产初期出现的铸坯表面缺陷，表2是铸坯内部质量。

2.1　钢水成分的影响

（1）Mn/S小于40时，会发生严重的脆化现象，当Mn/S大于40时，将大大改善钢材塑性，并提高断面收缩率。所以，降低钢水S含量很重要，通常高碳刃具钢S含量控制在≤0.008%。

表1　鞍钢中薄板铸机参数

鞍钢中薄板铸机生产高碳刃具原脱硫工序在铁水入转炉前完成，采用RH工序直上。图2为硫在原工艺各工序中的含量。由图2看出，原工艺铁水脱硫后，硫含量一直在升高。分析原因,罐内残渣使得钢水一直处于回S状态。RH直上工艺在S含量控制上容易超标，所以为了控制硫含量，还需要进LF炉脱硫。

（2）钢中氢含量过高容易产生氢脆裂纹，尤其是碳、锰含量高的高碳钢。宝钢曾经发生过高碳钢在吊运、加热炉装钢推钢时铸坯断裂的现象[1]，分析认为，在接近断裂源区解理断口上有大量呈鸡爪状的二次裂纹，为氢脆裂纹的主要特征 。为预防氢脆裂纹的发生，鞍钢中薄板生产高碳刃具钢应采取措施降低氢含量。

图1　铸坯表面缺陷

表2　铸坯内部质量

图2　硫在原工艺各工序中的含量

2.2　过热度的影响

钢水过热度高会加重连铸坯成分偏析和中心缩孔缺陷。而且过热度过高，拉速被迫降低，如果结晶器振动参数不做相应变动，将造成负滑脱时间控制不合理，增加纵裂产生指数。浇注温度过低易造成中间罐水口冻结，迫使浇注中断，并可能恶化铸坯表面质量。鞍钢中薄板铸机距离转炉较远，钢水运至连铸厂房至少需要20～30 min，钢水罐前期不仅温降较大而且温度波动也较大。原工艺钢水精炼工序仅走RH炉，统计出的高碳刃具钢铸坯RH炉到站温度与转炉挂罐温度差值最小42℃，最大达86℃。导致钢水到站RH炉需升温，而RH加热钢水依靠化学法，不能精确控制搬出温度，通常为防止铸机大罐浇注后期低温絮流，RH搬出温度都偏高，导致在中包过热度偏高。鞍钢中薄板铸机采用的是扁平式浸入水口，易发生絮流，严重时被迫停浇，RH炉采用铝氧升温时，所产生的Al2O3会增加铸机絮流风险。

2.3　保护渣的影响

保护渣碱度直接影响渣膜的结晶率，高结晶率的保护渣可以有效降低和控制铸坯经渣膜向结晶器的传热，使铸坯坯壳生长均匀，避免裂纹的产生，因此要求保护渣有适当高的碱度。但碱度增加，结晶指数也增加，粘结漏钢比率增加[2]。板坯粘结与润滑不好有关，降低保护渣凝固温度对润滑有利。降低碱度、减少氟含量及提高B2O3都有利于降低保护渣凝固温度[3]。所以生产高碳刃具钢时，从铸坯纵裂和粘结漏钢两方面考虑必须平衡保护渣的碱度。

2.4　拉速的影响

在其它条件相同的情况下，提高拉速会延长液芯，从而增加了柱状晶“搭桥”的机率，产生中心缩孔。低拉速下，液相穴较浅，钢液易于补缩，铸坯凝固质量较好。中薄板高拉速铸机生产高碳钢产生中心缩孔的机率较大。同时，高拉速使得坯壳出结晶器较薄，加上结晶器出口及二冷段无侧支撑辊，在钢水静压力下窄侧易出现鼓肚现象。

2.5　二冷制度的影响

不同的冷却制度对钢液凝固行为和坯壳厚度都有很大的影响，进而对铸坯碳元素宏观偏析和铸坯鼓肚产生影响。采用合适的冷却制度会得到均匀的铸坯凝固组织，并在中心部位有一定比例的等轴晶，使铸坯内部碳偏析最小并且减少铸坯鼓肚缺陷。

3　采取的措施

3．1　保护渣调整

在保证铸坯不粘结的基础上，适当提高保护渣碱度，减缓了保护渣传热。表3为优化前后的保护渣参数。

表3　优化前后的保护渣参数

由表3看出，优化后的保护渣耗量和液渣层厚度变化不大，保护渣液渣层在拉速稳定后达10 mm左右；保护渣耗量在拉速2.0 m/min时均小于0.4 kg/t，优化后略有降低。优化后的保护渣应用表明，未出现粘结拉漏预报，铸坯也未发现纵裂。

3.2　双联工艺

采取双精炼炉工艺，即将合格的转炉钢水先进LF精炼炉升温和深脱硫，再进RH脱氢。

3.2.1温度的控制

为了稳定控制温度，降低转炉出钢温度，选择在LF炉精确升温，RH炉仅真空氢处理，禁止升温操作，以保证钢水在铸机浇注过程减少絮流并保证良好的过热度。

3.2.2脱S控制

转炉出钢后向钢水罐加入500 kg复合精炼渣，一是有助于熔化，缩短LF处理时间；二是有助于保温。到LF炉后再加入500 kg复合精炼渣，造还原性白渣进行深脱硫，保证成品平均S含量≤0.008%。

3.2.3RH脱氢控制

鞍钢中薄板铸机所对应的真空设备为100 t RH-TB，年处理能力60～70万t，通常压力达到目标值0.2 kPa最少需要6 min。由于高碳钢钢水氧值低，真空处理初期不会发生喷溅，所以为加快真空处理速度，减少钢水在RH温降，采用解除压力控制模式，即不再逐步启动各个真空泵，节省真空处理时间2～3 min，处理后钢中H含量为0.000 1%左右，满足质量要求。

3.3　拉速设定

鞍钢中薄板铸机矫直方式为多点连续，铸坯可带液心矫直。高碳钢容易粘结漏钢和内裂，所以拉速不宜过高。生产实践表明，中薄板铸机生产高碳刃具钢拉速不宜超过2.1 m/min。可是并非拉速越低越好，虽然拉速低对铸坯内部质量改善有利，但高碳刃具钢较硬，拉速过低，坯子温度低，易夹在扇形段，导致被迫停浇处理事故。

表4为不同拉速下统计的铸坯内部质量情况（检验依据标准:GB/T226-2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》和Q/ASB32-2011《连铸钢坯枝晶组织及缺陷低倍检验方法》）。可以看出，中薄板生产高碳刃具钢拉速在1.9～2.1 m/min范围内，中心偏析变化不大，随拉速增大，中心疏松和三角区裂纹有加重趋势，等轴晶率有减少趋势，但其内部质量可以满足要求。实践表明，中薄板铸机生产135 mm厚高碳刃具钢时，合适的拉速为1.8～2.0 m/min。

表4　不同拉速下铸坯内部质量

3.4　二冷水设定

鞍钢中薄板铸机断面厚度为135 mm，厚度小，可以使用强冷，使得溶质元素来不及在固液相再分配就凝固，从而达到减少偏析目的。实践证明，使用二冷水强冷后，铸坯未出现鼓肚现象。设计的中薄板铸机高碳刃具钢冷却曲线的冷却强度高于中碳钢、低于低碳钢，比水量约为低碳钢冷却曲线的95%。使用强冷，解决了使用弱冷需要更换经水阀和水嘴的困扰。

4　实践效果

采取LF炉+RH炉双联工艺后，过热度稳定控制在25℃左右，硫控制在0.005 0%以下，避免了过热度波动大、硫含量高的问题，有效控制了铸坯中心偏析和中心疏松。调整保护渣碱度并采用二冷水强冷后，铸坯未出现鼓肚和纵裂等表面质量缺陷。工艺优化前后中间包的过热度和硫含量对比情况见图3，铸坯内部质量检验结果见表5。

图3　工艺优化前后过热度和硫含量的对比情况

表5　优化后铸坯内部质量检验结果

由图3可以看出，工艺优化后，中间包钢水过热度平均值由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　结语

鞍钢股份有限公司炼钢总厂生产高碳刃具钢时，在没有电磁搅拌和轻压下等工艺设备的前提下，调整了保护渣碱度，采取了LF炉+RH炉双联工艺、铸机二冷水强冷却、拉速设定为1.8～2.0 m/min。采取上述措施后，铸机絮流减少、过热度波动减少并降低10℃，硫含量降低0.002 8%，有效地控制了铸坯中心偏析和中心疏松，铸坯未出现鼓肚和纵裂等表面质量缺陷，从而改善了铸坯的质量，满足了下道工序的要求。