连铸坯三次冷却技术的机理与发展

朱李艳

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

1 前言

为提高生产节奏与效益，各大钢厂纷纷采用连铸坯红送至轧钢车间，但红送铸坯进入加热炉加热后轧制过程往往出现表面裂纹，严重制约产品质量与生产效率［1-4］。尤其是在特钢生产，对连铸坯表面质量的要求更为苛刻，因此国内外钢铁企业对三次冷却技术不断进行探索与工业试验，通过三次冷却系统使连铸坯表面温度急速降低，在其表面形成一层致密的淬火层，达到减少红送过程连铸坯出现表面裂纹的目的［5-8］。

2 三次冷却技术的机理

连铸坯三次冷却也叫表面淬火，指需要红送的铸坯在进入加热炉之前，通过三次冷却系统进行表面急速降温的方式。连铸坯表面经急冷后，在红送过程中通过心部潜热对表面进行回温，在铸坯外表面形成一层致密的回火组织［9］，其原理如图1所示。

图1 三次冷却原理

由图1可知，铸坯表面温度在Ar1（600 ℃）～Ar3（900 ℃）时，AlN等析出物在铁素体晶界大量析出，从而降低了钢的延展性，导致铸坯在红送并经加热炉轧制过程中出现表面裂纹。应用三次冷却技术后，铸坯表面温度急速降低至Ar1（600 ℃）以下时，可以有效抑制AlN等析出物在奥氏体晶界析出，改善钢的高温热塑性，从而降低红送轧制过程出现表面裂纹的风险。

三次冷却的目标是强制性使距离连铸坯表面约20 mm 的位置再结晶，为了避免出现裂纹缺陷，要求距离铸坯表面约20 mm 位置处发生γ→α+珠光体相变。在这种情况下，AlN网络不会等同于晶界（再结晶），最关键的条件是在晶界处对含有大量AlN 析出物的γ 组织进行再加热。材料的韧性很低，加热炉加热时微小的热膨胀就会增加铸坯表面开裂的可能性，同时在Ar1和Ar3温度范围内红送铸坯也会增加裂纹的可能性，这是因为AlN析出物聚集在γ 相晶界处。三次冷却工艺将铸坯温度降低到Ar1温度以下，强制再结晶，从而避免了加热过程中铸坯出现表面裂纹。

三次冷却工艺仅用于需要淬火的产品（例如高铝+含氮钢种等），以尽可能地避免对表面质量产生的负面效果。越是非临界状态，就越不会有缺陷，其他一些铸坯表面上呈现的缺陷由于在水里浸没带来的热冲击而放大化。同时，如果确保淬火时间＞45 s，就能确保皮下约20 mm 范围内温度＜600 ℃，从而避免铸坯加热轧制过程出现表面裂纹。三次冷却适用范围［10］：（1）Al（%）×N（×10-6）＞1.8 的钢种；（2）铝镇静钢或N＞80×10-6的钢种；（3）含硼或铌等微合金化钢种；（4）对于碳含量在0.4%～0.55%的钢种，使用表面淬火技术可以避免铸坯的缓冷处理，从而提高生产效率；（5）对于需要加Ti 合金预防裂纹的钢种，可以不再使用Ti，从而降低生产成本。

使用三次冷却工艺时要确保采用合适的淬火工艺参数，根据生产需求选择不同的淬火形式，合理布置三次冷却系统及其配套设施，控制冷却水流量（水流量会改变热交换系数）以及冷却时间（冷却时间取决于热交换系数和铸坯达到要求的温度）等。

3 三次冷却技术的探索

鉴于三次冷却技术可以使特殊钢种在红送过程中起到减少表面裂纹的效果，国内外设计院和钢铁企业纷纷探索采用不同形式的表面淬火装置，且取得一定的试验成果。目前表面淬火装置的设计形式主要分为喷淋形式和淬火箱形式两大类。其中喷淋形式主要是在拉矫机之后的出坯辊道上设置喷水冷却段，冷却段内沿铸流方向布置喷嘴，经火切后的铸坯进入该冷却系统，通过喷淋系统急速冷却铸坯表面温度，冷却一段时间后铸坯移出冷却系统，随后通过热送辊道进入加热炉。其主要设备包括喷淋冷却系统、铸坯导向系统、铸坯温度测量仪、铸坯位置传感器和辊道输送控制系统等。三次冷却区间长度、冷却水的压力及喷嘴的数量、位置等参数需要根据具体生产钢种、断面及拉速调整，确保冷却效果，保证铸坯表面质量。

目前国外企业如意大利Danieli公司、韩国世亚公司及美国纽柯，国内钢铁企业如南钢、重钢及邢钢等均在现场进行过喷淋形式的三次冷却工业试验，对生产需要红送至加热炉的钢种减少表面裂纹具有明显的改善作用。

针对现场工业试验的铸坯进行取样、酸洗，其低倍情况如图2 所示。由图2 可见，铸坯经过三次冷却由表面向内出现厚度为15～20 mm的淬火层，其颜色较中心浅，淬火铸坯酸洗表皮与正常铸坯无明显区别，未发现裂纹等缺陷。生产结果验证了铸坯三次冷却技术可以细化铸坯表层晶粒，产生回火马氏体组织，减少AlN在晶界的沉淀析出。

图2 喷淋式三次冷却后铸坯的低倍组织

邢钢三次冷却工艺参数如表1所示。经统计，淬火后中碳钢线材裂纹不合格品所占比例由0.3%降低至0.08%，使用三次冷却技术后中碳钢线材裂纹数量减少了70%，预计吨钢可降低成本10元［11］。

表1 邢钢三次冷却工艺参数

淬火箱形式的三次冷却装置是近年来在大部分特钢企业不断探索与总结出来的，其能够符合特钢对表面质量要求极其苛刻的实际需求。该系统主要是在连铸机每流的出坯辊道上或者去毛刺机后面设置一定大小尺寸的淬火箱，并配有进水和出水系统。当铸坯输送到淬火箱时，由捞钢机将铸坯送至淬火箱，同时满足一定的冷却水流量及设定的冷却时间，淬火后再次将连铸坯送回至辊道上并红送至轧钢车间进行加热轧制。其中总的淬火时间由钢种决定并由PLC控制，并设计水泵使淬火箱内的水不断地进行闭环流动，以降低水的温度。每流所需要水量、压力及水质等参数需要根据各钢厂具体生产情况而定。

现场从出坯辊道末端至事故冷床处取试样，经淬火装置急速冷却50 s，跟踪并记录铸坯表面温度变化，其结果如图3所示。由图3可知，铸坯到达事故冷床处表面温度为714 ℃，进入淬火箱冷却50 s后表面温度急速降至462 ℃，随后由于铸坯心部潜热其表面温度快速上升，240 s 后其表面温度基本稳定在650 ℃左右。

图3 铸坯三次冷却后表面温度变化

对试验铸坯进行取样、酸洗，并观察试样低倍结果，三次冷却后铸坯快冷层的厚度约为20 mm，且跟踪后续试样进入加热炉后轧制过程，铸坯无表面裂纹。现场工业试验数据表明，马钢三次冷却系统能够有效抑制红送过程连铸坯表面裂纹的产生，对特殊钢种产品质量及生产效率的提升具有重大意义。

经验证，喷淋式和淬火箱式三次冷却均能对连铸坯红送过程减少表面裂纹起到一定的效果，但是目前在对三次冷却技术的探索中发现，喷淋式三次冷却往往由于各冷却段的水流量及压力等原因不能满足预定淬火层的深度，从而达不到预期的温度目标，无法满足连铸坯各个面部及角部的冷却均匀性，且冷却过程中产生的水蒸气较大，影响铸坯火焰切割的红外摄像定尺系统等。淬火箱式三次冷却的优点在于能够提供足够的冷却水流量及压力满足淬火预期的目标，且由于铸坯完全没入水内，连铸坯的各个面部及角部能够在短时间内均匀冷却。由于冷却过程中产生的水蒸气相对较少，不需要专门的排蒸烟罩及管道和风机，减少了投资成本和检修、维护难度。

4 面临的问题与挑战

现阶段通过对连铸坯三次冷却技术的理论研究，结合现有的设备基础，国外Danieli 及西马克公司，国内如中冶南方、西重所等对淬火箱式的三次冷却技术进行了大量的数值模拟和现场工业试验验证，但是鲜有在钢铁厂进行长期的实际应用。因此，目前三次冷却技术还停留在探索与试验阶段，如何稳定有效地将三次冷却技术应用到实际生产，是今后特钢企业提高生产效率及产品表面质量，提升综合竞争力的有力举措之一。

为了将三次冷却技术稳定可靠地应用在实际生产中，需要解决以下问题：（1）合理的淬火位置选择，淬火箱布置位置既要满足生产节奏不受干涉，又要保证此时的连铸坯表面温度达到淬火条件。（2）最佳冷却工艺参数的选择，包括水质、水流量、压力以及三次冷却时间的工艺参数探索与优化。（3）淬火箱尺寸与形状的设计要满足连铸坯冷却过程进出水的热交换变化规律及铸坯表面氧化铁皮的收集与去除。（4）淬火位置捞钢机、行车等交叉作业时可能导致机构故障率提高，铸坯表面温度高时淬火水蒸气较大，连铸机流数多且流间距小时设备布置与检修困难，以及投资成本等问题应综合考虑，最终形成一套最佳的三次冷却方案。

5 结语

（1）理论与工业试验均表明：针对有特殊需求的钢种使用三次冷却系统后，连铸坯红送至加热炉升温、轧制过程可以减少表面裂纹的产生，提高产品表面质量与生产效率。

（2）国内外三次冷却装置分为喷淋式和淬火箱式，对表面质量要求更为苛刻的特钢企业更倾向于淬火箱形式，淬火箱式三次冷却的优点在于能够提供足够的冷却水流量及压力满足淬火预期的目标，且由于铸坯完全没入水内，连铸坯的各个面部及角部在短时间内均匀冷却。

（3）目前国内外三次冷却技术缺乏成熟可靠的应用案例，尤其在特钢领域更是屈指可数，少数企业成果仍处在工业试验阶段，因此，探索并开发出稳定有效的三次冷却技术方案具有广阔的市场和应用前景，对提升特钢企业综合竞争力具有深远影响和重大意义。

（4）现场实际生产所需稳定可靠的三次冷却技术方案应该满足：合理的淬火位置及淬火装置形式的选择；最佳冷却工艺参数的优化；淬火箱尺寸与形状的设计；同时要综合考虑淬火位置捞钢机、行车等交叉作业时可能导致机构故障率提高，铸坯表面温度较高时淬火水蒸气大，连铸机流数多且流间距小时设备布置与检修困难，以及投资成本等问题。