圓坯連鑄機超大長水口封保護的應用

圓坯連鑄機超大長水口封保護的應用

自20世紀90年代以來，中國的鐵路運輸取得了快速發(fā)展。隨著客運高速、貨運物流快速交付的戰(zhàn)略目標的提出，中國鐵路從1996年開始實施了五次客運列車速度?？瓦\列車的速度從原來的60公里提高到現(xiàn)在的170公里，貨運列車的速度也計劃進行。因此，為了確保列車的安全，對車輪鋼的內(nèi)部質(zhì)量提出了更嚴格的要求。為了進一步提高車輪鋼的純凈度、降低氣體含量,提高車輪鋼的內(nèi)在質(zhì)量,將保護澆注用于生產(chǎn)車輪鋼的ue788450mm圓坯連鑄十分必要。提高產(chǎn)品質(zhì)量，品種鋼的開發(fā)研制，首先應是降低鋼中夾雜物含量，提高鋼水的純凈度，進而更加有效地穩(wěn)定鋼材的力學性能指標，而鋼中氧含量的高低則反映出鋼中氧化物夾雜物的多少，也影響著鋼材的性能質(zhì)量，為降低鋼中的氧化物夾雜水平，應盡量降低鋼中的全氧含量。降低鋼中的全氧量，除強化爐前冶煉操作、脫氧合金化及精煉工藝制度外，另一方面應防止在澆注過程中鋼水的二次氧化。本文針對馬鋼第一煉鋼廠的實際生產(chǎn)狀況，分析討論對圓坯連鑄大包長水口進行氬封保護澆注效果。1連鑄機鑄坯生產(chǎn)馬鋼大圓坯連鑄機是從意大利DanieliCentroMet公司引進的全弧形圓坯連鑄機，鑄坯主要用于生產(chǎn)車輪輪箍等產(chǎn)品，因此對鑄坯的表面、內(nèi)在質(zhì)量有較高的要求。生產(chǎn)過程中采用大包加蓋、中包加覆蓋劑、結晶器加保護渣。由大包到中間包采用長水口，由中間包到結晶器采用浸入式水口，并用塞棒控制鋼流。圓坯生產(chǎn)工藝及連鑄機的主要技術參數(shù)如下。1.1工藝路線生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF(VD）精煉→喂線（CaSi）→圓坯連鑄。1.2設備和主要技術的參數(shù)2試驗計劃和采樣要求2.1試驗計劃對車輪鋼（C0.6%）采用兩種試驗方案：一是對大包長水口不采用氬封保護澆注；二是對大包長水口采用氬封保護澆注。2.2氣體、氮、氫氧基質(zhì)及電解混雜分析精煉喂線后，在大包鋼水取氧、氮和氫樣；在大包開澆20min時，在中間包和結晶器鋼水取氧、氮和氫樣；在大包開澆40min之后再取上述樣，并對相應的爐次取鑄坯樣，進行氣體含量、夾雜物分布和電解夾雜分析；在相應的成品車輪上取樣，分別進行夾雜物評級和常規(guī)性能檢驗。3試驗結果3.1鋼中氣體的變化3.1.1鋼水二次氧化能力檢測鋼中自由的氮形成固溶體，造成固溶強化，加上時效作用，使鋼的塑性和韌性降低，冷加工性能下降。鋼中氮也降低鋼的高溫韌性和塑性，根據(jù)氬封前的數(shù)據(jù)可知過程氮含量的變化規(guī)律是：真空脫氮；VD后，鋼水中開始增氮；喂線后→中包過程增氮顯著。與中包比，結晶器中氮含量略有上升，結果見圖1。表1為有、無氬封鋼中氮含量對比。由表1可見，喂線后，大包中氮含量平均約為47.9×10-6；無氬封保護時，中包氮量平均為66.7×10-6，結晶器氮含量平均為72.1×10-6，喂線到中包增氮18.8×10-6，中包到結晶器增氮5.4×10-6，大包到結晶器共增氮24.2×10-6；采用氬封后，中包氮含量平均為52.3×10-6，結晶器氮含量平均為57.9×10-6，喂線到中包增氮4.5×10-6，中包到結晶器增氮5.6×10-6，大包到結晶器共增氮10.1×10-6；采用氬封后，鋼水中氮含量可降低約14×10-6，降幅達20%。圖2為無氬封時喂線后和中間包氮含量關系。由圖2可見，直線斜率約為1，截距可看作是喂線后→中間包增氮量，說明在無氬封保護時，中間包增氮穩(wěn)定在19×10-6左右。圖3為有氬封時喂線后和中間包氮含量關系。由圖3可見，采用氬封保護后，中包增氮穩(wěn)定在4.4×10-6左右；氬封后中包降氮約14×10-6。與表1統(tǒng)計的結果一致。鋼水從空氣中吸氧很難直接測定，但鋼水在產(chǎn)生二次氧化現(xiàn)象的同時必然從空氣中吸氮，因此鋼水二次氧化的程度表現(xiàn)在氮含量的增加，可以用氮含量的增加表示鋼水的二次氧化程度。將大包、中包中鋼水氮含量帶入鋼水吸氮速度方程可計算二次氧化吸氧量。根據(jù)該方程計算可知，未進行氬封保護時，大包到中間包吸氧59×10-6，采用氬封保護時，大包到中間包吸氧13.5×10-6，通過比較，可粗略看出氬封保護可大大降低鋼水的二次氧化。3.1.2鋼中氫含量分析車輪鋼對氫要求特別嚴格，一旦出現(xiàn)白點整爐報廢。另外氫對車輪鋼塑性、韌性及斷裂強度的影響十分明顯。氫含量增高，鋼的塑性、韌性、疲勞特性等指標明顯下降。根據(jù)氬封前氫含量的變化規(guī)律（見圖4）：真空脫氫明顯；VD后，鋼水中開始增氫，喂線后→中包過程增氫顯著。表2為有、無氬封鋼中氫含量對比。由表2可見，喂線后，大包中氫含量平均約為2.57×10-6；無氬封保護時，中間包氫量平均為3.9×10-6，喂線到中間包增氫1.38×10-6；采用氬封后，中間包氫含量平均為3.2×10-6，喂線到中間包增氫0.62×10-6；采用氬封后，中間包鋼水氫含量可降低約0.73×10-6，降幅達19%。3.2未封前后al2o3的變化在中包開澆30min時，取中包覆蓋劑進行分析比較，結果見表3。由表3可知，未氬封時Al2O3為18.47%，氬封后Al2O3為13.37%和13.96%，其它氧化物也都有所降低；覆蓋劑中吸收的Al2O3等氧化物量明顯減少，說明中間包鋼水中氧化物夾雜比無氬封時明顯減少，氬封保護效果明顯。3.32密封保護對鑄造質(zhì)量和成品車輪性能的影響3.3.1防止了鋼水二次氧化(1）鑄坯全氧含量。鋼中全氧含量高低，在一定程度上反映了夾雜物控制水平和鋼水的純凈度。在試驗過程中對鑄坯取樣分析，結果見圖5。由圖5可知，無氬封時鑄坯中全氧含量平均為49.28×10-6；采用氬封后，鑄坯全氧含量降為27.9×10-6，降幅高達43%。證明氬封保護有效地防止了鋼水的二次氧化，提高了鋼水的純凈度。(2）電解夾雜。電解夾雜試樣取自無氬封和有氬封鑄坯內(nèi)弧距鑄坯表面1/4半徑處，電解夾雜的結果見表4。由表4可知：采用氬封后夾雜總量從29.7×10-6降到了14.8×10-6，降幅達50%，Al2O3分量夾雜也降低50%，MnO、SiO2等分量也都有不同程度的降低。(3）圖像儀分析。分別在有、無氬封的鑄坯中取金相試樣，用圖像分析儀對夾雜分布進行統(tǒng)計，結果見表5。由表5可見，采用氬封后鑄坯中夾雜物降幅達78%，且分布比無氬封時集中。3.3.2缺陷物的影響(1）車輪高倍檢驗及探傷廢。非金屬夾雜物不僅影響鑄坯質(zhì)量，而且在車輪熱處理過程中非但不能消除還可能產(chǎn)生相變，如結晶化和從過飽和固溶體中析出。由于氧化物等夾雜物在晶界的析出，致使車輪鍛坯在鍛造中出現(xiàn)鍛裂。由于夾雜物和基體金屬的線膨脹系數(shù)不等產(chǎn)生的熱應力，可使車輪鍛件內(nèi)產(chǎn)生微小裂紋，甚至導致車輪鍛件淬火開裂。試驗中對有、無氬封生產(chǎn)的車輪中夾雜物進行高倍檢驗，車輪鋼的高倍級別明顯降低，B類夾雜尤其明顯，結果見圖6。由圖6可見，采用氬封后，B類夾雜主要為0級和部分0.5級；而無氬封時，B類夾雜主要是0.5級和1級。車輪成品探傷廢也由氬封前的1.6‰降到了0.4‰（氬封后）。車輪合格率由氬封前的98.6%提高到99.5%。(2）力學性能檢驗。對有、無氬封的車輪分別取樣進行常規(guī)力學性能檢驗，結果見表6。由表6可知，采用氬封后車輪的抗拉強度、延伸率、面縮率、沖擊功等都明顯提高，車輪的綜合性能得到顯著改善。4中間包、中間罐、封的鋼包注流保護盡管對大包到中間包鋼水注流進行了保護套管加氬氣保護，鋼水中的氮、氫、氧和非金屬夾雜物大大降低，從而顯著提高了鑄坯質(zhì)量和車輪綜合性能；但仍存在鋼水吸氧、吸氮現(xiàn)象，原因在于保護套管插入中間包液面的深度不足，澆注過程中鋼水注流對中間包鋼水的沖擊，造成保護套管附近的鋼水劇烈翻騰，使鋼水與空氣接觸，進而鋼水產(chǎn)生二次氧化；另外，保護套管于鋼包下水口接縫處總存在一定量的氣隙，在氬氣流量較小以及保護套管與鋼包下水口接觸不正時，仍有空氣因鋼水注流的負壓被其吸附，表現(xiàn)為鋼中氮含量的增加，導致在該工藝條件下吸氧13.5×10-6。生產(chǎn)過程中，為有效降低中間包增氫，應對中間包及水口進行合理的烘烤；另外，因在鋼包和中間罐到位開澆前，向中間罐內(nèi)吹氬氣3～4min后鋼包引流開澆。當中間罐內(nèi)鋼水達到一定量時，加入中間罐覆蓋劑，5min后減少吹氬量或停止吹氬。鋼包引流成功后迅速套上采用氬封的長水口保護鋼包注流。保證水口安裝對中和合適插入深度；保持氬氣穩(wěn)定、合適的流量；提高大包的自開澆率；進一步改進中包覆蓋劑。5降低了b類病料封保護注漿通過對馬鋼一鋼廠ue788450mm圓坯連鑄生產(chǎn)進行大包長水口氬封保護澆注，有效防止鋼水的二次氧化、提高鑄坯質(zhì)量和成品車輪的綜合性能。(1）采用氬封保護澆注，可顯著地降低鋼中氣體含量。[N]含量從72.1×10-6降低到57.9×10-6，降幅達20%；中間包[H]含量由3.93×10-6降到3.2×10-6，降幅達19%；鑄坯中T[O]含量從49.28×10-6降到27.9×10-6，降幅高達43%。(2）采用氬封保護澆注，可有效防止鋼水二次氧化，降低鋼中非金屬夾雜物。夾雜物總量從29.7×10-6降到了14.8×10-6,Al2O3等夾雜分量降幅達50%；圖像儀分析結果表明，鑄坯中夾雜物降低了78%；從中間包覆蓋劑中Al2O3夾雜的減少也驗證了氬封保護的效果。(3）采用氬封