提高连铸坯质量的技术改造分析

董德平

随着经济的发展，钢铁冶炼技术在不断创新，钢铁连铸产量提升速度加快，增加技术含量。在建设经济时，各种类钢材在行业中得到有效使用，比如圆坯、方坯等连铸机在投入使用，使用过程加速钢铁冶金技术设备信息进程，同时节省冶炼钢材的物力和财力、人力，但连铸方坯技术仍有待优化，我国铸坯技术目前有进步空间。科学技术的快速发展使得钢铁行业中连铸工艺设备的发展进程不断加快，想要提高连铸工艺就需要不断的推进连铸技术的科技性和科学性，这样才能提高连铸坯的质量和生产效率。

1 当前冶金行业急需提高连铸坯质量的背景因素

1.1 软件发展跟不上钢铁工业的需求

我国钢铁工业模型的沉淀能力较弱，软件水平难以和工业应用需求相匹配。迫切需要建立一个数字封装的工业模型库，以支持钢铁行业的知识传承和工业互联网平台的建设。行业模型旨在通过软件技术实现虚拟制造、数字过程仿真、数字过程设计、制造辅助和过程诊断决策的模块化和代码化。每个模型都是一个基石，工业软件开发人员可以灵活地使用它来促进工业知识的积累、推广和重用。如果工业互联网平台想要集成人员、工艺、数据和事件，则必须具有足够的行业知识和经验，并封装成数字模型将其存储在相应系统平台中。

1.2 工业模型的线下应用难以转向线上模型开发，用于开发工业模型的工具不够多

我国工业软件的发展缓慢，迫切需要为符合我国钢铁行业的工业模型部署集成开发环境，并增强将工业模型从离线转换为在线的能力。在20 世纪80 年代和20 世纪90 年代，算力的提高推动了仿真技术的发展。如今，在各个行业的生产制造中，设计和决策过程都用到了建模仿真技术，同时，一些复杂的工程系统也要用到建模仿真技术，仿真技术在整个的生产成品生命周期起到了主要作用，仿真技术慢慢开始成为制造执行系统中不可或缺的部分。在仿真技术领域，工业行业的专家经验、专业知识、重要技术和生产过程在现实中都能通过计算机语言以形成数字模型的方式进行表达、存储和应用。

1.3 钢铁行业面临技术的冲击

在全球制造业智能化转型和贸易保护主义抬头的背景下，我国钢铁行业正面临潜在的技术冲击和新一轮的技术封锁。迫切需要提高工业模型的模块化和组件化能力，并全面覆盖过程设计和控制系统研发的钢铁工业模型库，并掌握工业互联网时代钢铁行业的核心技术。我国的工业软件比较落后，很难将线下功能快速迁移到线上模型中。中国绝大部分的工业软件都不是自主研发的，我国在工业软件知识化领域的经验知识沉淀不足，大大制约了行业知识代码化和模型化。另一方面，我国的工业类别非常复杂，建立完整的工业模型库需要时间。我国每个行业都有自己独特的行业知识，把关键技术、核心基本组件、专业行业知识等封装成数字化模型无疑是大规模工程，因此迫切需要提高模块化的能力。钢铁工业作为我国过程工业的重要组成部分，其迫切需要提高工业模型模块化能力，进而建立一个涵盖控制系统研发和运营管理的钢铁工业模型库系统，掌握工业互联网时代钢铁行业的核心技术。

2 钢铁连铸坯在生产时容易出现的问题和成因分析

2.1 夹渣问题

在钢材的生产中会出现夹渣的情况，这种情况产生的原因之一是由于容器内的残留的具有高自燃点和流动性差的浮渣导致的，在铸坯的过程中没有清理掉这些杂质。另外的原因也有可能是浸水式水口发生的剥落和溶损的情况、生产时的中间包和钢包的耐火材料内衬以及覆盖剂这些都有可能成为杂质。盛放生产原料的容器没有清理干净时也会使得器具上的残留进入到生产连铸坯中，这就会使得生产的钢水变得纯度降低，对钢材的质量就产生了影响。

2.2 气泡问题

所谓的气泡问题是因为在生产钢材的时候铸坯在凝固冷却的过程中生成的压力大于大气压力和钢水静态时压力总和导致的，或者使用的原材料含水量较高也会导致这种问题的出现。如果在生产中不及时的发现并解决，气泡就会被遗留下来。想要解决气泡的问题是需要在生产时严格的执行材料的脱氧工艺的，因为钢材中的碳和硅的含量能够影响气泡的生成

2.3 表面裂纹缺陷

铸坯出现表面的裂纹是由于在铸坯断面尺寸、工作环节的把控状况以及钢材结晶器结构、铸机浇注条件、冶炼工艺条件、浇注钢种具备的化学成分等环节出现。另外就是生产时增加或者减小钢材连铸坯的厚度时，也极易出现钢材表面的裂纹。钢材的生产会受到原材料中化学元素的影响，当钢材中有碳、硫、磷时就容易出现钢材表面的裂纹。而且钢材中的P 和 S 的含量过高时会使得强度和塑性都会一定幅度的减弱。原材料中磷元素含量高于0.017% 时，也会使得钢材的强度和塑性降低。

2.4 其他缺陷问题

钢材在生产环节的质量把控只是其中的一个步骤，在运输钢材时也会出现一些问题，比如运输时产生的一些机械损伤就会使得钢材表面产生凹坑、刮痕、划痕。如一些外部环境发生突发状况使得生产中断就会产生双浇的情况，这种情况多数是由于不可控的因素，比如钢水供应不足、水口堵塞、设备故障以及操作失误等都会出现双浇的情况，这种状况下生产的钢材多数会有接缝。钢材有时会出现内部的裂纹，发生这种情况的原因大概有以下几种：钢水供应不足、水口堵塞、设备故障以及操作失误等。内部的裂纹一般多发生在钢材的接口或者是凝固界面连接的连接点，这部分比较脆弱，再经过浇筑时的拉应力就会沿着这个部位产生内部的裂纹。

2.5 钢材的中心疏松和偏析问题

在生产的环节如果凝固钢坯时没有稳定的前沿，会使得钢材的局部发生柱状晶产生高于周围柱状晶生长的速度，这个时候就容易出现柱状晶组织产生搭桥问题。凝固的环节柱状晶发生两面都生长的情况夹带有搭桥现象，会出现凝固桥会使得液相穴内的钢液出现分离，在冷却凝固时就容易产生钢材的收缩，这会导致后期很难进行钢水的补充，这种情况就会使得钢材出现中心缩孔或者钢材疏松的问题，有的还会同时伴随中心偏析的问题。出现上述问题的原因多是因为铸坯时产生了鼓肚的情况，鼓肚会使得钢材生产时流动的夹渣和合金元素产生局部聚集的情况进而产生搭桥的问题，而当较高浓度的钢水流经搭桥的部位时就出现了钢材的偏析问题。

3 对钢材的连铸坯技术改造分析

3.1 想要提高生产环节的脱硫水平，就要控制好钢水的温度

生产环节是对温度有很严格的要求的，所以想要使得产品中磷、硫等杂质的含量，就要把控好生产时钢水的温度。对钢水进行精炼操作，控制好钢水的含水量，对于钢水中含有的硅、镁、铝等化学元素也要特别关注，然后再进行钢水的脱氧、脱氢操作，上述的条件都满足后才能进行钢材的真空熔炼。值得注意的是，除了要控制好钢水在合适的温度之外钢材质量的好坏还体现在生产的钢材是否有均匀的表面，而想要完成这一步就需要进行钢水的吹氢工艺。总之，生产的过程是关乎钢材质量的重要环节，所以要把控好生产时的钢水质量，符合标准的钢水才能允许被送进铸造厂进行浇筑生产。目前我国大多数的喷射脱硫厂的生产情况可以知道，符合标准的钢水含硫量是不能高于0.01%的。一般情况下钢材的加工前的脱硫环节都要交给专业的脱硫厂进行的，因为对于企业来说控制好生产环节的成本是很重要的，这个环节交给专业的脱硫厂去处理是符合节约成本的诉求的。对于脱硫厂来说，搅拌脱硫的环节也是需要不断优化创新的，因为当前的社会整个大环境都是在追求节能减排的。

3.2 注重铸机生产的质量，针对浇筑环节进行严格的质检

针对生产的铸机改造，需要注意的是要根据当前我国现行的行业生产的标准进行改造。在实施工作中，必须改造原有的弯票连铸机，改造新的票连铸机，以优化炼钢质量，提高冶炼工艺。对于电弧铸造机的实际需要调整时，需要关注生产的管理、生产情况和企业的资金运转方面的因素，因为一个企业的发展是要考虑生产的成本最优化，以及质量的好坏才能综合的认定这个改造方案是否是可行的。同时，所选择的铸造机必须满足优良性能的要求。从当前常用的铸造机分析对比结果可以看出，板材两个区域的外延载荷影响了板材的内裂纹，因此必须在较低的水平上检查外延载荷值。如果未经检测的直弯机投入生产，可能会出现直弯机的外壳不合格，生产时易出现机壳薄出现弯曲开裂的情况，真的出现这种情况时可以采取分段辊精弯或者连续排列多点弯曲矫直的方式补救。除了生产设备的因素之外，我们还要知道影响浇筑环节还有浇注温度、浇注速度、型粉等环节。钢水浇注温度的控制对连铸质量控制具有重要作用。钢支架内夹杂物较多，因此钢材内外的裂纹、中心的偏斜角度以及生产时的操作是否稳定都是影响生产钢材质量的关联因素。钢水的温度是决定性的因素，当钢水的温度低于要求时会使得钢坯的内部由于低温出现裂纹和中心偏斜，但可以改变这种现象，使铸坯组织均匀，减少晶粒。如果钢水温度低，则会产生负面影响。一般来说，低温会阻止钢中的杂质上升，同时会堵塞中间包水口。如果钢水温度高，通常会发生喷发，同样会导致钢坯内部发生裂开的情况，有的会出现中心的偏斜，生产出不符合质量标准的钢材。正因为如此生产时需要仔细检查钢包内钢水的温度，检查在1600 摄氏度。中间包内钢水温度必须控制在1550 摄氏度。模具内钢水温度控制在1500 摄氏度最为适宜，并且需要控制好不同区域钢水的温度差在10 摄氏度以内。

3.3 生产环节控制好连铸坯的内部质量

根据产生经验看，连铸坯质量的质量问题一般有结构不合格，材料的中心松散成分偏析和钢材出现裂纹的问题等。连铸坯在生产时会经历高温的环节，这个环节中有的钢材的小问题会经过高温处理没有，有的则会出现变形的问题。提高钢材内部质量的具体方法是：加强对成型板结构的控制，先扩大包含成型板中心的轴向晶区，然后限制柱状曲率的生长效率，从而减少中心偏差或松动。具体可采用钢水低过热的方法或电磁搅拌技术来改善钢材质量。生产时还要注意二次冷却的质量把控，借助电脑对于二次冷却区域进行精准的调控，保证冷却水分配符合生产标准，使得生产的钢水温度在900 摄氏度。另外需要注意的是要检查好铸板的变形和强度问题，因为在二次冷却的环节出现这种情况会使得钢材出现裂缝。想要避免以上的问题，就要在生产时优化压缩的距离和钢材弯曲的方向，控制好钢水的流动问题，使夹杂物上升，使垫块分布均匀，优化浸入式水口的设计。

3.4 对钢内部裂纹进行控制

（1）二次冷却采用弱冷，尽量延长二次冷却段，减少铸坯热应力。降低中间包浇注钢水过热度, 将过热度尽可能控制在10℃-30.9℃。

（2）在钢水S 含量偏高的情况下适当的提高钢水Mn 含量，提高Mn/S ；调整生产节奏, 转炉口采用双渣操作降低硫含量,连铸口适当降低硫高炉次钢水的拉速。

（3）利用停机和检修时间对二冷喷嘴进行清理疏通, 将偏斜变形喷淋管校正，确保铸坯二次冷却效果，同时对二冷配水进行优化, 保证二冷各段温度均衡。

（4）稳定生产节奏，尽可能的将拉速稳定在2.4-2.8m/min。

（5）加强设备管理, 保证对弧精度。如厂房空间允许，建设缓冷坑，或尽量将铸坯热送。对钢内部裂纹控制需要提高锰含量, 铁水硫过高时启动《高硫铁水应急预案》, 其他冶炼条件恶劣时采用双渣操作，控制锰硫比大于15, 将拉速控制在合理范围,是改善铸坯内部质量缺陷的有效措施。其次是生产中要降低过热度, 优化比水量( 保证矫直温度在990C 左右), 稳定二冷水压,均匀二冷各段配水以保证铸坯冷却均匀，可在很大程度上改善小方坯中心缩孔等内部缺陷。

3.5 保证电磁搅拌工作质量，模具采用铜板涂层

生产的环节要格外的关注特殊钢材或者尺寸较厚的生产情况，针对上述两种钢材的生产可以采用电磁搅拌的工艺，实现减少生产环节柱状颗粒的问题，从而避免钢材出现中心偏斜的质量问题，进而达到提高钢材质量的目的。电磁搅拌线圈有特殊的线圈排列方式，当线圈与钢坯表面的距离为20mm 时，线圈的电流才会产生磁力，然后进行运转使得使钢水可以沿固定方向移动。这个技术的目的是通过搅拌使得钢水的各种成分在搅拌中均质化，因为这一过程能分离出硫、磷等杂质元素。如果钢水通过中间包浇注到模具中，模具中的钢水就会有冷却水形成一定厚度的坯壳。在这个过程中，模具钢的静压会限制模具钢板，产生的摩擦和热量也会对钢板产生影响。如果模具在恶劣的条件下连续工作，模具中铜芯的冷却能力和导热性会得到提高，同时耐磨性和刚度也会得到提高。在连铸板工艺的发展过程中，最初仍使用铜板。它具有良好的导热性，但不足的是它的使用寿命。强度硬度方面不是那么高性能。同时对于企业来说它的生产成本也偏高还会产生一些工业废料。当钢水的温度发生变化，出现了低于1500 摄氏度的时候，钢水里的铜离子会出现分离的情况，这就降低了钢材的质量。想要避免上述的问题可以采用有涂层的铜板模具，因为这样能提高钢板的耐磨性，减少设备钢吧板中的铜离子进入到钢水中。现如今行业中可以采用镀结晶器铜板带有镉镍镀层的模具，能更好的控制钢水的温度发生变化，不仅能解决钢材连铸容易产生的质量问题，还能提高设备的使用寿命。

3.6 采用漏钢预报技术

在钢坯的生产连铸环节，如果出现了冷却时间不充分和作业过高的情况，会使得生产出现进行连黏附性漏钢问题。而这种情况下会极大的影响钢材进行进行连铸的质量，因为金属的收得率降低会导致钢水在浇筑的环节中产生堵塞喷嘴和双浇问题，严重的情况下还会损毁生产的机器。当钢材铸坯时因为缺流损毁了二冷装备，就会出现生产中断的情况，不仅影响钢材的质量还影响企业正常的生产。针对以上问题可以采用漏钢预报技术，对生产的结晶器铜板添加热电偶，因为热电偶对于温度的感知比较灵敏，当生产是出现温度的变化，操作人员能及时的发现，针对问题环节就能有效的解决，减少漏钢问题的出现。

3.7 使用动态轻下压技术

钢材的生产工艺较为繁琐，也就使得影响钢材质量的产生因素很多，各个环节会出现不一样的问题。针对钢材的问题进行分析，会发现影响最为严重的要数中心发生偏析及疏松问题，因为此问题会使得钢材在连铸的过程中产生后续的质量问题。先要预防中心发生偏析及疏松问题，当前可采用轻下压技术，具体的原理是，在生产的环节中当进行凝固时针对凝固末端施加相应压下量，让发生偏析以及疏松位置钢水能均匀的流动到钢材的各个部位，同时这一技术的优点还有利于降低连铸坯的内部收缩缝隙变小，从而避免钢液朝着铸坯中心进行横向活动。这个技术还能使得钢水的溶质元素发生反向活动，增加了钢材的元素分布均匀提高钢材内部组织的紧实度，进一步降低钢材出现中心偏析的问题。

4 结语

综上所述，企业想要发展，不仅需要提升冶炼的技术控制好生产的环节，还需要把控好生产的细节，因为生产的各个环节稍不注意就出现影响钢材质量的问题。随着全球能源紧张和节能减排的理念大力推广，冶金行业的发展必须符合当前整个社会发展的趋势，才能有一个长久的发展，所以，对于冶金行业来说就更要注重钢材的铸造工艺，优化生产环节，实现高效环保发展理念。