连铸中间包异钢种连浇生产实践*

杨丽梅， 郑力宁

(1.江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司技术中心， 江苏 淮安 223002；2.江苏省轨道交通用特殊钢新材料重点实验室，江苏 淮安 223002)

引 言

某钢厂生产的大断面坯料特殊钢品种多，涉及到各类管坯钢、钢球钢、轨道用钢、汽车用调制/非调制钢、弹簧钢、轴承钢等；因为这些钢用途特殊，常出现小批量一、两百吨的订单，给生产组织带来困难。如果1个中间包只生产1-2炉钢，产品质量难以保证，而且慢换中间包的时间将近4 h，影响生产节奏，增加生产成本。

异钢种混浇就是在同一中间包浇次中进行2种或2种以上成分差异较大钢种的多炉次连浇，这不仅可以缩短热停工时间，提高连铸机的生产效率和连铸坯成品率，而且可以很大程度上节约生产成本，以及利于保证产品质量的稳定。根据统计，1个中间包连浇5炉以上与只浇1-2炉再慢换中间包浇铸相比，中间包辅材成本节约2万元，连铸机日产量提高约40%。

近年来关于方坯连铸中间包异钢种混浇的数值模拟和生产实践的文献不少[1-5]，但关于大圆坯尤其是断面为Φ380-800 mm的圆坯异钢种混浇的文献鲜有报道。为了提高生产效率、保证产品质量、确保性能稳定、降低生产成本，某钢厂对大圆坯异钢种混浇进行了工业生产实践及研究。

1 生产实践与结果讨论

某钢厂有2台大圆坯连铸机，生产连铸坯断面最小Φ380 mm，最大Φ800 mm。此次分别在Φ380 mm和Φ600 mm两个断面进行异钢种混浇工业生产试验。中间包及连铸机浇铸的一些基本参数如表1所示。

表1 中间包和浇铸相关工艺参数

异钢种混浇试验时，根据现场实际生产浇铸情况先对混浇坯进行初步的划分，并做跟踪标识，待连铸坯入坑缓冷结束后，在标记的混浇区域铸坯上不同位置取横向低倍样，对低倍样进行钻屑或制样，使用CS3000型高频红外碳硫分析仪分析碳含量，使用SPECTROL AB M11型直读光谱仪分析其他元素含量。低倍样化学成分分析位置图1所示。

图1 铸坯横截面化学成分分析位置示意图

1.1 Φ380 mm断面混浇试验及数据分析

对Φ380 mm断面进行了SCr15和20Cr两种钢种的混浇试验，两钢种的化学成分如表2所示，两钢种的化学成分主要是C，Mn两元素有所不同。两钢种混浇生产试验采用了两种方案。

1.1.1 方案一

方案一为中间包先浇铸20Cr，然后异钢种浇铸SCr15。成分设计上，将中间包最后一炉20Cr碳含量和锰含量按偏下限进行控制；混浇炉SCr15碳含量和锰含量按偏上限进行控制。在SCr15大包开浇时，对那一刻出结晶器的各流铸坯进行标记，初步划分混浇坯。

表2 20Cr和SCr15化学成分/%

对初步划分的混浇坯及附近区域的铸坯取横截面低倍试样，在试样的不同位置进行取样分析C、Mn含量；不同铸坯横截面上各位置点的化学成分变化如图2所示。可以明显看出，混浇区域铸坯横截面上的C，Mn含量有明显的变化；刚开始混浇区域的铸坯横截面上边缘到中心碳含量快速减少，即使在混浇区域后段铸坯，边缘到中心成分变化缓慢，中心的成分与SCr15的也有相差。

从混浇区域铸坯横截面不同位置的碳、锰含量变化情况可以看出，越往铸坯中心，钢的成分越趋向于混浇钢种的成分，SCr15钢液延伸到20Cr铸坯液芯中，浇铸过程中铸坯由边缘到中心存在明显的钢液的液芯补缩。这与方坯的钢液在中间包内的混合占主要地位[6-7]略有不同，连铸大圆坯弧形半径大，铸坯出结晶器的坯壳薄、液芯大，混浇时的前后两炉钢液的混合既发生在中间包内，又发生在结晶器内，且在结晶器及以下的铸坯液芯内钢液的补缩混合影响很大。铸坯钢液的液芯补缩也是大圆坯与方坯异钢种混浇的最大区别，是影响混浇坯长度的因素之一。

通过对铸坯不同位置的横向低倍样分析化学成分，最终混浇坯的长度为6500 mm，其中液芯补缩坯的长度在5000 mm左右。

图2 方案一的不同位置铸坯横截面上各点的化学成分

1.1.2 方案二

方案二为中间包先浇铸SCr15，然后异钢种浇铸20Cr。根据方案一的混浇数据结果和钢液液芯补缩量大的结果，成分设计时，将中间包最后一炉SCr15碳含量按中限、锰含量按下限进行控制；混浇的第一炉20Cr碳含量按中上限、锰含量按上限进行控制，其余元素成分同样按包含范围控制。

图3 方案二的不同位置铸坯横截面上各点的化学成分

同时为了确认方案二的液芯补缩长度，在混浇及附近铸坯多处取样分析成分，发生钢液液芯补缩的铸坯长度由方案一的5000 mm左右缩短至3700 mm左右，同时成分不合格的混浇坯总长度只有4300 mm左右。从结果分析和混浇坯长度情况看，先浇铸有差异元素成分含量低的钢种后浇铸相应成分含量高的钢种，可以缩短混浇坯长度。

1.2 Φ600 mm断面混浇试验及数据分析

对Φ600 mm断面先后进行了两次4130X和30CrMo钢种的混浇试验，两钢种的主要化学成分如表3所示。两钢种的化学成分主要是Mn含量相差较大，第一次混浇生产时，采用方案三常规生产。第二次混浇生产时，为研究分析其他连铸参数对混浇的影响，对4130X和30CrMo两种钢种的连铸混浇试验制定了方案四。

方案三：浇铸顺序按照先浇铸低锰含量的30CrMo之后混浇4130X。

表3 30CrMo和4130X化学成分/%

方案四：相关文献报道，方坯进行异钢种混浇时，中间包内旧钢液余量对混合过程影响很大，旧钢液量越少越有利于混浇时间缩短[8]，以及文献[4]中指出提高拉速会加快新钢液到达各流结晶器出口的速度。在实际生产时需要考虑到，如果中间包内钢液的液位过低，会出现保护渣被卷到钢液中而污染钢液，且一旦出现大包不自开，严重时会出现中间包低液位浇铸而停浇。在浇铸最后一包30CrMo钢液时，实施中间包30CrMo钢液重量由30 t降低到20 t时4130X钢大包开浇，且浇铸速度由0.33 m/min提高到0.35 m/min；当4130X大包浇铸20 t后，将中间包液位缓慢提升至正常满液位浇铸。

1.2.1 中间包成分变化

采用方案三和方案四混浇生产时，分别在4130X大包开浇后，每间隔5 min在中间包的远流附近取样分析钢液中Mn含量的变化情况，结果如图4所示。从图中可以看出，4130X大包开浇后，中间包浇铸前10 min内，中间包内钢液的锰含量变化趋势很快，10 min后中间包内的锰含量变化非常缓慢，浇铸25 min后成分基本达到新钢液4130X的锰含量。

两个方案的中间包锰含量变化情况差别不大，前10 min时采用方案四的中间包锰成分相比方案三的要略高一些。方案四的4130X大包开浇5 min内，中间包内的新旧钢液充分的混匀，锰的质量分数达到0.91%；10 min时锰的质量分数为0.96%，成分已进入4130X的内控范围。从中间包的浇铸时间和锰的质量分数变化来推算每流的混浇坯的长度为3000 mm。

图4 中间包混浇时间与钢液锰含量变化曲线

1.2.2 铸坯成分变化

在标记的混浇区域坯每间隔3000 mm左右及合格铸坯取横向低倍进行取样分析锰含量。为了方便两个方案的比对，将各个铸坯低倍样上分析的Mn含量转换成无量纲浓度Cd(x)[9]来表征混浇炉钢液在铸坯中锰成分的补缩程度。

(1)

式中c(x)为铸坯长度x处铸坯横截面上锰元素的含量；c1，c2为前后2炉成品铸坯横截面上锰元素的含量。

图5为不同方案下相同铸坯定尺位置上锰元素的无量纲浓度，从图中可以看出，三个位置的混浇坯，从铸坯边缘到中心均存在明显的锰含量无量纲浓度变化，铸坯存在着明显的钢液补缩。越远离混浇区域的坯，无量纲浓度变化梯度越小，浇铸的液芯钢液补缩量越来越少。

图5 铸坯横截面上各点的无量纲浓度曲线

方案三与方案四相比，方案四的混浇坯锰含量的无量纲浓度变化很快，在“混浇坯1”处，方案三的近中心处无量纲浓度不到0.60，而方案四的已达到0.75以上；到“混浇坯3”时，方案三的铸坯边缘到近中心处无量纲浓度为0.86-0.97，方案四的铸坯边缘到近中心处无量纲浓度为0.94-0.99。

从锰的无量纲浓度对比可以明显看出方案三的铸坯液芯补缩长度要大于方案四；通过对铸坯多个位置再取样分析，方案三的铸坯发生钢液液芯补缩长度为10000 mm，整个不合格坯长度为12000 mm，而方案四的铸坯发生钢液液芯补缩长度仅为8000 mm，整个不合格坯长度为9500 mm。通过降低中间包中钢液量以及提高混浇时的浇铸速度，钢中元素的无量纲浓度变化很快，铸坯液芯补缩长度进一步减少，混浇坯长度减少。中间包取样分析锰含量变化推算的混浇坯长度只有3000 mm，而通过铸坯上的成分分析，实际混浇坯长度达到9000 mm，也验证了异钢种混浇既发生在中间包内，更多的是发生在结晶器及以下的铸坯液芯内——中间包内的混浇钢液以及新钢液被铸坯液芯补缩。

2 结束语

(1)不论是先浇铸高成分钢还是低成分钢，连铸坯均存在着一定长度的钢液液芯补缩。越远离混浇区域的坯，元素无量纲浓度变化梯度越小，浇铸的液芯钢液补缩量越来越少。

(2)连铸浇铸的断面越大，铸坯液芯钢液补缩长度更长，混浇坯长度越长。Φ600 mm断面异钢种混浇产生混浇坯长度是Φ380 mm断面异钢种混浇产生混浇坯长度的2.7倍左右。

(3)先浇铸成分低的钢种后浇铸成分高的钢种、降低混浇前中间包中钢液量、提高混浇后浇铸的拉速，可以有效减少异钢种连浇混浇坯的长度；Φ600mm断面异钢种混浇产生的不合格坯长度可降低20.8%。