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当我国特殊钢连铸现状与发展

发布时间:2021-09-12 00:29:29 阅读: 来源:门铃厂家
当我国特殊钢连铸现状与发展

我国特殊钢连铸现状与发展

自50年代钢的连铸生产工业化以来,由于其在提高生产效率、成材率及产品质量方面的显著优点,使其得到迅速的发展,目前世界大多数国家的连铸比达到或超过90%。我国自1996年钢产量超过日本,成为世界第一产钢大国以来,连铸比连年增加,到2001年的连铸比达到89.4%,相比与普钢连铸,我国特钢的连铸技术明显处于落后状态,2001年特钢连铸比43.5%。下面通过对国内外特钢连铸技术分析,对我国特钢连铸技术的发展进行探讨。

1. 国外特钢生产技术现状及进展

表1是国外几家典型特钢企业的工艺流程及主要产品,从表1可见,几乎所有大量生产的商用特殊钢都可以用连铸工艺来生产,但对特殊用途的一些轴承钢、工模具钢等,仍采用模铸工艺生产。由于特殊钢对钢材洁净度、成分和组织的均匀性和钢材的致密性都有严格的要求,而且由于该类钢合金元素高,易偏析元素多,在连铸时易产生中心偏析、裂纹和缩孔等缺陷,因此为保证最终成品的质量,需采取以下措施。

表1 国外特殊钢生产典型工艺流程及主要品种

注:

EBT:偏心底无渣出钢;VSC:真空除渣;TMB:铁水预处理;SKF-MR:SKF的双壳熔炼炉;FW:喂合金芯线。

1.1 保护浇注

为保证钢水二次精炼的效果,钢包→中间包→结晶器的全程保护浇注模式已在全世界各钢厂广泛应用。其具体措施一般为钢包→中间包采用长水口浇注,中包加覆盖剂;中间包→结晶器采用浸入式长水口,并在滑动水口与浸入式水口的接缝处吹氩或吹氮气保护,防止空气进入;为降低中包内的氧浓度,在开浇前对中包充惰性气体排除空气,并在中间包上端及包盖周围采用水冷结构,防止使用过程中由于热应力引起的变形,使空气进入中包,使整个浇铸过程中中包内的气氛氧浓度小于0.1%;为防止钢包渣进入中包,采用电磁检测设备进行钢包留渣操作;采用大容量中包和优化中包内结构,延长钢液在中包内的停留时间,促使大颗粒夹杂的上浮和排出;采用液面自动控制装置,稳定浇铸速度,防止浇铸过程卷渣或拉漏事故的发生;针对不同钢种,采用相应的结晶器保护渣,以吸附钢中夹杂物和起到良好的润滑和均匀导热作用。通过这些措施的采用,可避免钢液的二次氧化,有效地减少连铸坯中的夹杂物。

1.2 增大连铸坯断面

由于铸坯的部分低倍缺陷可以通过一定的压缩比得以减轻或消除,而且一定的压缩比也是稳定最终钢材性能的必要措施,如为保证气孔焊合一般要求压缩比为4以上,为得到稳定的机械性能,要求压缩比为7~12,因此,特钢连铸的发展方向是根据所产钢材种类和规格的不同,采用大弧形半径的大断面铸机,其原因一是继续发挥原有初轧机的作用,二是通过大压缩比改善轧材的组织。表2是日本大同知多厂对不同钢材的压缩比要求。

但随着高洁净钢生产技术的发展和连铸技术的改进,使钢中有害杂质和夹杂物总量显著降低,电磁搅拌和液相穴压下技术的采用有效地减轻了中心偏析再输入18,这些都为减小铸坯断面、采用一火成材创造了条件。

1.3 低过热度浇铸及配套技术

表2 日本大同知多厂对不同钢材的压缩比要求

由于高碳钢在凝固时体积收缩较大,如果钢水过热度太高,则铸坯内柱状晶发达,在热应力综合作用下,易产生中心蔬松、缩孔和内裂,而采用较低的过热度浇铸钢液除使铸坯中心消除过热后完全凝固,缩短柱状晶区长度、发展等轴晶区,使坯芯成分均匀,避免中心偏析、疏松和裂纹等低倍缺陷的发展外,还具有提高生产率和钢水收得率的作用,因此低过热度浇铸已越来越引起人们的关注。因此低过热度浇铸技术开发的首要关键是准确控制中包钢水温度稳定,在此基础上再考虑降低过热度的措施,日本大同知多厂新旧连铸机情况见表3所示,在其新建连铸机上增设中包加热装置和轻压下装置。

表3 大同特钢知多厂连铸机参数

目前通过炉外精炼可将钢液温度控制在很窄的范围内,再加上中包保温技术的采用和钢中夹杂物控制技术的采用,为低温低速浇铸创造了条件。研究表明,控制中包钢液温度稳定最有效的手段是采用等离子加热装置向中包补充稳定、可靠的中性热能。降低钢液过热度可考虑采用水冷水口或在钢液弯月面用圆锥形无耗冷凝器进行辅助冷却。

尽管低温低速浇铸可在一定程度上改善铸坯的偏析,但此工艺在大生产操作中很难控制,考虑到上述主要低倍缺陷(疏松、偏析)都是在铸坯的液相穴的糊状区形成,因此采用低温浇铸与电磁搅拌相结合的办法,通过控制液芯金属的流动,扩大等轴晶区来减轻偏析。

1.4 电磁搅拌技术

近年来,为改善连铸坯质量,电磁搅拌技术(EMS)已被广泛应用,其工艺已由单一式的搅拌工艺发展成组合式搅拌工艺,其作用已由减轻中碳钢和高碳钢方坯的中心偏析,发展为进一步诱发等轴晶。对轴承钢而言,为获得良好的表面、皮下、凝固结构、中心疏松和中心偏析质量,须采用组合式三段电磁搅拌工艺,安装在结晶器的搅拌器(M-EMS)用于消除过热,促进等轴晶凝固;安装在二冷区的搅拌器(S-EMS)用于改善晶粒尺寸;安装在凝固末端的搅拌器(F-EMS)可减轻偏析的最终等级,特别是采用凝固末段的电磁搅拌可以阻止粘稠钢液在等轴晶区域内移动,使铸坯的中心偏析得以分散,中心疏松得以改善,现在山阳、神户、大同等公司但在选择CV模式时不要并联使用都采用多级电磁搅拌。

1.5 合理的冷却制度

二冷配水制度对铸坯表面和内在质量均有很大的影响,合适的配水量可抑制铸坯内部柱状晶迅速生长,避免产生严重的中心疏松。同时由于钢液在其液相线以下,有一个塑性骤减区,对于高碳钢,此区域在℃之间,在此温度范围内,即使铸坯受到很小应力也会导致裂纹的产生,并沿晶界(柱状晶)扩展,因此,正确控制二冷段的冷却强度和喷淋水的均匀性,保护铸坯出二冷室到拉矫机前的表面温度在900℃以上,可以有效防止铸坯内部裂纹的产生。

在其它条件(如过热度、拉速)一定的情况下,对高碳钢连铸二次配水有两种观点:一种是采用弱冷却抑制柱状晶生长,比水量0.3%-0.7L/kg,对铸坯形成的中心疏松、偏析采用EMS或轻压下来解决;二是采用高压水冷却(比水量可达L/kg)促进柱状晶生长以减轻铸坯中心缺陷。在高碳钢(C=0.8%)采用强冷后轧制的φ11mm线材上,由渗碳体所表示的碳偏析几乎消除。目前广泛采用的二冷还是以弱冷为主,对于小方坯连铸高碳钢,采用比水量为0..5L/kg-F-EMS,铸坯内部组织致密,中心疏松、偏析小。

1.6 液相穴压下技术

为解决高碳钢连铸坯凝固过程中,由于导辊之间铸坯产生鼓肚引起的坯壳内容积变化和补偿凝固收缩,导致因残留钢液的宏观流动引起的中心偏析,对液相穴附近进行压下处理,具体方法一般有以下三种:

1.6.1轻压下

近几年,为解决轴承钢连铸坯中心偏析等问题,日本、意大利和韩国等的有关厂家采用“轻压下”技术,用于补偿铸坯最后凝固时的收缩,防止浓化钢液的流动,避免中心偏析和中心疏松的发生。最合适的压下量是液相穴内残留钢液处于被挤出而又没被挤出的临界状态。严格地说,针对不同的钢种和浇铸条件控制最佳压下量是很困难的,必须通过大量的试验来确定。采用分段小直径辊在扇形段对铸坯进行轻压下还比较容易控制合适的压下量。法国Sollac公司大方坯连铸拉速为0..10m/min时,在4m长区域内压下量在mm之间调节,铸坯中心碳偏析指数由1..30降到1..2。

1.6.2大直径辊强压下

与普通轻压下相比,大直径辊强压下可充分保证铸坯内部变形量,而且凝固界面的畸变也较小。当采用大直径辊压下时,以较小的压下量就能改善中心偏析,另外,由于在等轴晶区内压下,有助于减轻铸坯内裂纹。

1.6.3连续锻压

连续锻压法是利用装有异形锻头的锻压装置对液相穴端进行连续锻压,使凝固末端的固液共存层压合在一起,可有效地使浓缩的钢水和破碎的晶粒向上游方向移动,同时大压下变形还可以防止铸坯内裂。日本川崎在凝固末段对铸坯进行大压下量锻造,即靠往复式锥形铁砧,逆浇铸方向排出钢液中心的浓缩钢液。应用连锻工艺,不仅能完全消除中心偏析,而且能根据质量要求选择在产品中心部位元素的最佳浓度及降低中心部位的P、S浓度,所得到SUJ2材的滚动接触疲劳寿命是常规锻造棒材的2倍。

2. 国内特钢连铸技术现状

我国特殊钢连铸的起步是从上世纪八十年代,太钢引进不锈钢板坯及陕钢、大冶和长城引进合金小方坯连铸机开始的,但当时由于电炉容量小、精炼设备差、钢水洁净度低、铸坯断面小等原因,并未取得迅速发展,到了九十年末,各主要特钢厂先后自建或从国外引进大电炉和合金连铸机,推动了特钢连铸的技术的发展。

2.1 国内特钢企业工艺流宽度115mm程及连铸装备

目前,国内主要特钢厂除本特、大连、首特外,其它各厂均已建或正在建合金钢连铸设备,具体情况如表4所示。

其中兴澄、抚顺、上五、西宁、贵阳等都是从国外引进的合金钢连铸机,这些连铸机均配有钢包和中包称重系统,保护浇铸、液面自动控制、结晶器电磁搅拌和二冷自动配水等装置和系统,个别铸机还装有末段电磁搅拌。从国内外主要特钢厂工艺流程和连铸装备比较可知,国内主要特钢厂的连铸设备已基本具备合金钢连铸的条件,为我国全面开展特殊钢连铸工作提供了坚实的设备保障,但与国外特钢流程相比,还有一些不足,具体如下:

表4 国内几家主要特钢厂的工艺流程

注:铸坯规格只标明最大的尺寸。

(1)国外特钢厂粗钢供应均采用大电炉或高炉-转炉流程,而国内特钢厂经过改造后均采用大电炉提供粗钢,与转炉粗钢相比,钢中残余元素高、成本竞争优势弱。

(2)国内特钢连铸坯断面普遍小于国外特钢厂,限制了一些大规格材的连铸生产。

(3)国外特钢如山阳、神户、大同等公司都采用多级电磁搅拌,而国内大多数只有单级电磁搅拌,个别新建厂逐渐装备结晶器和末段两段式电磁搅拌。

(4)为解决高质量轴承钢的偏析问题,采用轻压下、大直径辊强压下和连续锻压等液相穴压下技术,而国内仅进行轻压下试验,而且由于连铸操作工艺不这类复合材料虽也能获得B1级检测报告稳,对液芯位置定位不准。

2.2 国内特钢连铸生产情况及重点品种质量

表5 特钢连铸比情况

随着连铸设备和一些工艺软件的引进及国内各企业技术攻关工作的开展,极大地推动了我国特钢连铸技术的发展,自1997年后,随着上述设备的建设,特钢连铸比由1998年的21.7%,逐步增加到2001年的43.55%。具体每年连铸比情况见表5。尤其值得关注的是我国轴承钢连铸取得巨大的进步,以兴澄为代表的特钢企业通过技术攻关和工艺优化,使连铸轴承钢氧含量稳定在10ppm以下,基本接近国际先进水平,表6是自1998年以来我国轴承钢连铸统计情况。

表6 近几年轴承钢连铸坯量及主要生产厂

2001年国内特钢企业各品种连铸比如表7所示。合金弹簧的连铸比最高,达到52.4%,次之是合结和碳结。分析其原因,主要是由于弹簧钢一般规格较小,可大批量采用连铸工艺生产,而且采用连铸工艺显著提高了钢材的表面质量。

表7 2001年特钢企业钢产量及分品种连铸比

2001年各特钢企业连铸生产情况如表8所示。在以长型材为主的企业中,连铸坯量较大的企业主要为兴澄、上五、大冶、锡钢和西宁。就品种而言,主要为碳结和合结。不锈钢连工艺试验。最初所产铸坯主要用于弹簧扁钢的生产,疲劳寿铸主要为太钢和蒲东。

表8 2001年国内特钢企业连铸钢分品种情况

就品种质量而言,连铸钢生产的碳结和合结钢基本都能满足用户需求,连铸比较低的主要原因在于受铸坯尺寸限工艺试验。最初所产铸坯主要用于弹簧扁钢的生产,疲劳寿命试验表明,连铸钢的寿命与模铸钢相当。随着电炉容量增大、钢液洁净度提高,已有不少钢厂开始连铸生产高速列车专用弹簧园钢的开发工作,并通过百万次疲劳寿命试验。由制,部分大规格材无法采用连铸坯生产,同时由于订货批量小,无法用连铸组织生产所致。

目前,兴澄、抚顺、上五、锡钢和西宁等特钢企业均已开始连铸轴承钢生产,在工艺控制较好的情况下,可使钢材的氧含量降到10ppm以下,中心碳偏析指数小于1.10,对连铸钢进行接触疲劳和轴承台架试验表明连铸钢的性能并不劣于模铸钢,质量已达到生产优质轴承的考核寿命。但在压缩比较小的情况,其低倍疏松级别仍高于模铸材。另外,连铸材的中心碳偏析和“白亮带”负偏析是连铸工艺无法避免的缺陷,这势必影响到连铸钢在一些重点行业或部件的使用。

国内对弹簧钢采用连铸工艺已做了大量的工作,铸坯断面涉及到小方坯和大方坯,钢种主要集中在55SiMnVB和60Si2Mn,也有一些工厂进行了SUP9、60Si2CrV等钢种的连铸于弹簧钢规格较小,也可用小方坯直接产材,因此有许多非特钢企业生产采用连铸工艺生产,这部分产量占到弹簧钢总产量的50%以上,比较突出的主要为江西长力(南昌),新疆八钢和江苏淮钢。目前,连铸弹簧钢存在的主要问题是中心碳偏析和大规格材的断面收缩率和延伸铝较低。

目前国内大多数用户使用的齿轮钢品种为20CrMnTi,随着汽车工业发展和从发达国家引进不同的汽车生产线,也引进了不同车型用的齿轮钢,如Cr系的SCr420H,SCr415H,CrMo系列的SCM420H、SCM822H,CrMn系列的16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5,CrNi系列的19CN5,CrNiMo系列的SAE8620H,CrMnB系列的ZF6和ZF7等。这些齿轮钢多为专业齿轮钢,其冶金质量和各项性能指标均比20CrMnTi高,性能波动范围小。

现在齿轮钢的连铸主要集中在20CrMnTi、Cr系、CrMo系和部分MnCr系齿轮钢,从按标准检验的结果看,这些品种的齿轮钢基本能满足标准要求。但从进一步提高齿轮钢的观点看,目前连铸齿轮钢主要存在氧含量高于相同条件的模铸钢,不同部位的机能均匀性差(尽管都符合标准),稳定性不如模铸钢及钢材致密性不如模铸钢的缺点。

2.3 国内特钢连铸存在的主要问题和下一步主要技术工作

从目前特钢连铸生产情况及主要产品质量可知,一般小规格特殊钢材均可用连铸工艺生产,但对一些质量要求较高的品种,如大规格的轴承、齿轮、弹簧等仍存在钢材洁净度差,成分偏析严重和疏松级别高等问题。因此,为全面提高特钢连铸水平,还需从系统的角度对特钢连铸装备和工艺进行优化。

铸工序的主要任务有两个,一是进一步提高钢液洁净度,二是提供化学成分和组织均匀,表面和内部质量良好的铸坯。其中前者主要在于采取

— 防止浇铸过程钢液二次污染的保护浇铸技术;

— 中间包冶金技术;

— 结晶器冶金技术。

目前,钢包→中间包→结晶器的全程保护浇注模式已在全世界各特钢厂广泛应用,为确保保护浇铸的效果,还须注意以下几点:

— 在开浇前对中包充惰性气体排除空气;

— 浇铸过程中包的密封;

— 钢包下渣自动检测及控制技术;

— 换钢包操作时的钢液保护;

— 钢包自动开浇技术;

— 中包和结晶器保护渣的优化;

中包冶金技术的关键是中包结构的优化、中包砌筑工艺及耐材和涂料的优化。

结晶器冶金的关键是控制结晶器内钢液的流动和针对不同钢种特点选择适宜的保护渣。

而铸坯质量的提高主要依赖于连铸装备和工艺的优化,就目前而言,提高铸坯质量的主要措施是采取低过热度浇铸与电磁搅拌相结合的办法来扩大等轴晶区,减轻偏析。同时根据不同钢种的特点选择合适的二冷工艺和拉坯制度,以防止裂纹、缩孔等缺陷的产生。为保证上述工艺措施的落实和进一步提高产品最终质量,还需注意以下技术的研究:

— 低铝洁净钢工艺;

— 中包温度控制技术和装置;

— 浇铸过程液面自动控制;

— 结晶器和凝固末段电磁搅拌工艺优化;

— 轻压下或末段铸轧技术;

— 电脉冲孕育技术;

— 具有强搅拌能力的水冷水口技术;

— 结晶器钢液流动控制技术。

3. 对国内特钢连铸的几点建议

我国主要特钢企业连铸装备和技术经过近几年的设备改造和技术更新,已基本接仅国际先进水平。今后我国特钢连铸应一方面积极消化掌握国外引进的工艺软件,同时结合国内外特钢连铸发展的最新进展,及时进行装备优化和系统工艺软件的创新和集成,以全面提高我国特钢连铸水平,提高我国特钢产品在国际市场的竞争力。针对目前实际,应首先做好以下几项工作:

— 由于连铸工艺的特点要求生产的连续性和批量性,因此特钢连铸比的提高在很大程度上取决于特钢企业结构的优化和产品专业化。

— 就目前特钢生产技术而言,采用电炉配铁水或直接采用高炉-转炉-连铸流程生产小规格的碳素结构钢或合金结构钢是特钢品种结构优化最有前景的流程之一。

— 就目前特钢连铸装备而言,采用低过热度浇铸及电磁搅拌和拉坯工艺的优化是提高铸坯质量的主要措施。

— 为进一步提高铸坯质量,还应注意铸坯液相穴压下技术和控制铸坯凝固组织的各项技术研究。

— 特钢连铸工作是个系统工程,应加强冶炼、连铸和轧钢工艺间的匹配,产、学、研的联合和开发,钢材生产厂和钢材用户之间合作,共同开展此项工作。

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