鋼水連續(xù)鑄造的應(yīng)用

1、鋼水連續(xù)鑄造的應(yīng)用于功利井上健安中弘行(鞍山鋼鐵(集團(tuán))公司)(株)神戶鋼所加古川鐵所)摘要為了定量把握結(jié)晶器中的鋼水流動、鋼水過熱度及結(jié)晶器傳熱阻力對初期凝固坯殼的凝固不均一的影響，利用水冷銅板的浸漬實(shí)驗(yàn)，測定了各種鑄造條件下的凝固坯殼厚度、凝固不均一度及樹枝晶偏角；利用水力模型實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)機(jī)鑄坯的凝固組織分析，EPMA對負(fù)偏析帶的線分析，得出了在結(jié)晶器中凝固坯殼上負(fù)偏析帶的產(chǎn)生原因。其主要結(jié)果是：隨著鋼水流動速度及過熱度的增加，凝固坯殼厚度減少，凝固坯殼不均一度增大；緩冷結(jié)晶器可有效地改善低碳鋼初期凝固坯殼的不均一性；在連鑄坯表層(610 mm)存在的負(fù)偏析帶產(chǎn)生于距彎月面250450 m

2、m處，其生成原因是由于浸漬水口的吐出流所致。關(guān)鍵詞連續(xù)鑄造鋼水流動過熱度凝固不均一度負(fù)偏析帶EFFECT OF MELT FLOW ON INITIAL SOLIDIFIED SHELLOF CONTINUOUS CAST STRANDYU Gongli(Anshan Iron and Steel(Group) Co.)TAKESHI INOUEHIROYUKI YASUNAKA(Kakogawa Works,Kobe Steel,Ltd.)ABSTRACTTo estimate quantitatively the effect of melt flow in mold and superh

3、eat as well as the mold heat transfer resistance,on the unevenness of initial solidified shell,the water cooled copper plate dipping test has been used to measure the thickness of solidified shell and dendrite angle under various casting conditions.The reason of white band formation in the solidifie

4、d shell in the mold has been studied by means of water modeling test and the analysis of the solidified microstructure of practical CC slab and liner analysis of white band has been performed by EPMA.Main results are as follows:The thickness of solidified shell decreases and the unevenness is increa

5、sed with the increase of flow velocity and superheat of the melt;Slow cooling mold can effectively reduce the unevenness of initially solidified shell of hypoperitectic steel;The white band existing under the surface of CC slab(610 mm)is formed at 250450 mm from meniscus,and resulted by the jet flow

6、 from submerged nozzle.KEY WORDScontinuous casting,melt flow,superheat,unevenness of initial solidified shell,white band1前言關(guān)于鋼水流動對連鑄初期凝固坯殼的影響前人已有許多報告15。但是，鋼水流動及過熱度究竟對初期凝固坯殼不均一的形成，初期凝固組織中負(fù)偏析帶的產(chǎn)生有如何影響，尚有許多不明之處。本研究利用水冷銅板的浸漬實(shí)驗(yàn)，測定了各種鑄造條件下的凝固坯殼厚度、凝固不均一度及樹枝晶偏角，分析了鋼水流動、過熱度及結(jié)晶器傳熱阻力對凝固不均一度的影響；利用水力模型實(shí)驗(yàn)及對實(shí)機(jī)鑄坯的凝

7、固組織觀察，分析了結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動狀態(tài)及負(fù)偏析帶的形成原因。2實(shí)驗(yàn)方法及條件實(shí)驗(yàn)裝置的原理參見文獻(xiàn)6。將200 mm×275 mm×70 mm的水冷銅板一邊振動一邊向鋼水中浸漬，在鋼水中停留10 s后，以300 mm/s的速度急速從鋼水中把水冷銅板及凝固坯殼提取出來。為了模擬鋼水對初期凝固坯殼的影響，將500 kg高頻電爐在通電過程中使鋼水流動進(jìn)行浸漬實(shí)驗(yàn)。高頻電爐通電狀態(tài)下鋼水表面(彎月面)流速的測定方法是利用高速攝象機(jī)攝象后進(jìn)行圖象分析處理來獲得鋼水表面流速。其結(jié)果是電源功率分別為0、50、115、170 kW時，彎月面的鋼水流速分別為70、120、170、240 m

8、m/s。由于浸漬時間僅為10 s，經(jīng)實(shí)測即使電源功率在170 kW時，10 s內(nèi)鋼水溫度僅上升2 左右。因此可以認(rèn)為浸漬過程中鋼水穩(wěn)定于一定的過熱度。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1鋼水過熱度對初期凝固坯殼厚度及凝固不均一度的影響在實(shí)驗(yàn)條件為過熱度30 ，彎月面鋼水流速240 mm/s下，由浸漬實(shí)驗(yàn)得到的初期凝固坯殼的外觀照片中可以看出初期凝固坯殼存在著明顯的凝固不均一現(xiàn)象。分別測量凸部和凹部的坯殼厚度，求得各自的平均凝固坯殼厚度。凝固不均一度定義為：(凸部平均厚度-凹部平均厚度)/(凸部平均厚度)×100 %。圖1示出了彎月面鋼水的流速為70 mm/s時，鋼水過熱度和平均凝固坯殼厚度的關(guān)系。可以看

9、出隨著鋼水過熱度的增加，初期凝固坯殼的凸部及凹部厚度均隨之減少；初期凝固坯殼的凝固不均一度隨之增大圖 1鋼水過熱度和平均凝固坯殼厚度的關(guān)系Fig.1Relation between superheat and thickness of solidified shell3.2彎月面鋼水的流速對初期凝固坯殼厚度及凝固不均一的影響由鋼水過熱度10 時，彎月面鋼水的流速對初期凝固坯殼厚度的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著鋼水流速的增加，凸部及凹部的坯殼厚度均隨之減少。另外，在相同的過熱度下，隨著鋼水流速的增加，凝固坯殼的不均一度亦隨之增大。3.3水冷銅板上ZrO2熔鍍層對初期凝固坯殼不均一度的影響在同一

10、鑄造條件下(過熱度30 ，彎月面的鋼水流速170 mm/s)，通過在水冷銅板熔鍍0.76 mm ZrO2鍍層及單純的水冷銅板的對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明沒有熔鍍層時，凝固坯殼的不均一度為53 %，而有熔鍍層時不均一度下降為20 %。表明ZrO2熔鍍層也可使初期凝固坯殼的不均一度得以明顯改善。4討論4.1彎月面的鋼水流速、凝固坯殼表面的鋼水流速與樹枝晶偏角的關(guān)系高橋1認(rèn)為：在凝固坯殼表面的鋼水流速一定的條件下，其樹枝晶偏角和凝固速度v可用alnv+b表示。岡野2針對上式，在凝固坯殼表面鋼水流速為20500 mm/s范圍內(nèi)，得出了樹枝晶偏角和凝固坯殼表面鋼水流速U的近似關(guān)系式：lnU=(+9.73lnv+

11、33.7)/(1.45lnv+12.5)(1)本文首先通過實(shí)測的彎月面處鋼水流速，得出樹枝晶偏角與彎月面鋼水流速的關(guān)系(見圖2)，然后利用式(1)求得彎月面處鋼水流速與凝固坯殼表面鋼水流速的關(guān)系。其結(jié)果示于圖3?？梢钥闯鲈阡撍^熱度一定的條件下，隨著彎月面鋼水流速的增加，凝固坯殼表面的鋼水流速及樹枝晶偏角均增大。圖 2彎月面處鋼水流速與樹枝晶偏角的關(guān)系(凹部)Fig.2Relation between flow velocity of meniscus and deflection angle of dendrite(delayed position)圖 3彎月面處鋼水流速與凝固坯殼表面鋼水流

12、速的關(guān)系Fig.3Relation between flow velocity of meniscus and flow velocity of shell surface4.2由鑄坯表面處的樹枝晶偏角及水力模型實(shí)驗(yàn)分析負(fù)偏析帶的生成原因觀察低碳鋼連鑄坯寬面方向的凝固組織，發(fā)現(xiàn)在整個寬度方向上，除W/2附近外，在距鑄坯寬面表層610 mm處均有負(fù)偏析帶的產(chǎn)生。由于負(fù)偏析的產(chǎn)生位置標(biāo)志著某一時刻的凝固界面，因此根據(jù)凝固坯殼厚度，凝固時間及鑄造速度可以近似換算出負(fù)偏析帶在結(jié)晶器中產(chǎn)生的位置。經(jīng)計算，在鑄造速度為1800 mm/min的情況下，負(fù)偏析帶產(chǎn)生于距彎月面250450 mm的位置上。另外，

13、在鑄坯寬面組織中，以負(fù)偏析帶為界，樹枝晶的生長是不連續(xù)的。在負(fù)偏析帶內(nèi)側(cè)(靠近鑄坯表層)及外側(cè)，樹枝晶的偏角是相反的。測量其內(nèi)、外側(cè)樹枝晶的偏角，其結(jié)果如圖4所示。由于樹枝晶的生長是朝著鋼水流動方向生長，因此在結(jié)晶器中鋼水的流動方向是以負(fù)偏析帶為界，在其之上鋼水是從鑄坯角部流向中央部，而在其之下，鋼水是由鑄坯中央部流向角部。除此之外，在負(fù)偏析帶處樹枝晶不連續(xù)生長的原因可以推定是由于凝固坯殼重熔所致。為了驗(yàn)證上述在負(fù)偏析帶產(chǎn)生位置鋼水的流動狀態(tài)，采用同實(shí)際鑄造中相同尺寸的有機(jī)玻璃模型進(jìn)行水力模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)晶器內(nèi)水的流速采用二維激光測速儀進(jìn)行流速測定。圖 4在負(fù)偏析帶內(nèi)側(cè)(4 mm)及外側(cè)(12 m

14、m)的樹枝晶偏角Fig.4Profile of deflection angle in inner and outer of dendrite距鑄坯表面4 mm；距鑄坯表面12 mm其結(jié)果是：在距彎月面113 mm(相當(dāng)于凝固坯殼厚度4 mm)處與距彎月面1017 mm(相當(dāng)于凝固坯殼厚度12 mm)處的鋼水流動方向相反，這和上述的在負(fù)偏析帶內(nèi)、外側(cè)樹枝晶的偏角相反的結(jié)果是一致的。利用電子探針(EPMA)對負(fù)偏析帶進(jìn)行線分析發(fā)現(xiàn)，在沒有負(fù)偏析帶的位置(W/2)，偏析度為1，而在鑄坯W/3及角部，Mn的偏析度為0.920.95。另外，由EPMA線分析結(jié)果可以求得負(fù)偏析帶的寬度，據(jù)此可以求得負(fù)偏析

15、帶處的凝固速度為0.13 mm/s，再把上述值代入高橋1關(guān)于負(fù)偏析帶和鋼水流速間的關(guān)系式計算得出在負(fù)偏析帶處鋼水的流速為330 mm/s。這一數(shù)值與水力模型的流速測定結(jié)果有良好的一致性。綜上所述，鑄坯中負(fù)偏析帶的形成起因于由浸漬水口中流出的鋼水的吐出流。這一觀點(diǎn)被最終鑄坯距上端300 mm范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)負(fù)偏析帶存在的事實(shí)所證明。5結(jié)論本研究測量了凝固坯殼厚度、凝固不均一度及樹枝晶偏角；利用水力模型實(shí)驗(yàn)及對實(shí)機(jī)鑄坯的凝固組織分析，得出了以下結(jié)論。(1) 隨著鋼水過熱度及鋼水流動速度的增加，初期凝固坯殼厚度減少，凝固坯殼的不均一度增大。(2) 采用緩冷結(jié)晶器可有效地防止因鋼水過熱度及鋼水流動所造成的凝固不均一。(3) 在鑄坯表層(610 mm)存在的負(fù)偏析帶是在距彎月面250450 mm處產(chǎn)生，其形成原因是由于浸漬式水口的吐出流所致。參考文獻(xiàn)1高橋忠義，市川洌，工藤昌行，等.鋼塊凝固偏析溶湯流動影響.鐵鋼，1975，61(9)：21982