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高品质不锈钢管坯的连铸技术优化技术简介

高品质不锈钢管坯的连铸技术优化技术

针对不锈钢管坯洁净度不足、穿孔裂纹起皮、轧制表面裂纹等缺陷特征,研究和改进了不锈钢管坯连铸的相关工艺,通过采用复合脱氧、调整中间包结构、优化结晶器流场、增加末端电磁搅拌等工艺措施,提升了连铸钢水的洁净度和不锈钢管原料坯的低倍、表面质量,有效保证了高品质不锈钢管的品种开发和质量控制。


      近年来,我国不锈钢管发展迅速,但高端不锈钢管还要依赖进口。为适应我国高端装备制造发展的需要,太钢围绕高附加值不锈钢管坯产品研发投资引进了成套的制管、连铸等关键设备,建设起以炼钢 -型材 -棒线材 -制管为核心的现代化不锈钢管生产线。经过多年发展,开发出一批以高铁用精密刹车管、高压锅炉管、加热炉管、超超临界火电用管及核电用管、石油化工用管等为主的高端不锈钢管品种,优化了公司的品种结构,大幅提升了公司的竞争力。


       恶劣的服役环境对特殊领域用不锈钢管耐高温、耐腐蚀以及压力等级提出了很高的要求。不仅需要成分精准、稳定,残余元素含量低,而且钢管的原料坯必须达到很高的洁净度和良好的疏松、偏析级别,铸坯横截面酸浸低倍试样上,不允许有肉眼可见的缩孔、分层、夹杂、翘皮、裂纹、气泡等缺陷。


      生产实践中,合理的连铸技术,对不锈钢管产品的研发和质量控制起着决定性作用。洁净的钢水和优异的低倍质量,是高品质不锈管质量稳定的基础。

 

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工艺及装备概况

      太钢不锈钢管原料坯的生产工艺流程为:90tEAF+45tAOD+LF+CCM(或模铸)。为了保证原料坯的质量稳定性,2014年新增了立弯式方坯连铸机,相关参数如表 1所示。

      针对一些大规格、连铸难度大的管坯品种,依然采用传统的模铸工艺,通过对连铸、模铸浇铸系统的改造和完善,形成了以连铸为主,连铸、模铸相结合的不锈钢管原料坯生产路线,在显著提高质量水平的同时,极大提升了产线的制造柔性和满足客户个性化需求的能力。


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改进前管坯的质量现状

      在连铸机投产前,模铸生产的不锈钢管坯不同炉次间的质量稳定性较差,钢锭缩孔、卷渣等缺陷经常发生。方坯连铸机投产初期,不锈钢管综合废品率高达 4.05%。主要原因是铸坯内部洁净度不足,夹杂、卷渣几率较高,导致钢管探伤合格率低。其次是铸坯表面质量差,如图1所示。低倍质量不稳定,疏松、缩孔级别高,导致轧后荒管坯表面经常发生裂纹等缺陷。


       图2左显示的是超超临界机组用TP347HFG穿管过程中发生分层,缺陷部位能谱分析发现分层中间及附近均存在异物,主要成分为:Si、Al、Ca、Mg、Mn、O、Na、K。这说明连铸过程中有卷渣,卷入钢液的非金属夹杂物残留在坯料中,热穿孔过程中夹杂物促使钢的基体间的两个层面脱开,与之相邻的金属层发生分离,形成分层现象。图2右显示的是双相不锈钢铸坯表面存在凹坑等缺陷导致在轧成圆棒后表面形成裂纹缺陷。


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不锈钢管坯生产的连铸技术优化

      针对目前不锈钢管坯洁净度不能满足客户需求的现状,围绕脱氧还原、中包流场、结晶器流场等进行优化。同时,结合低倍质量和表面质量控制特征,改进了结晶器流场和增加了末端电磁搅拌装置,并持续优化了相关设置参数。


3.1 冶炼过程脱氧方式的改进

      冶炼过程中,不同的脱氧方式和渣系控制,决定了钢水中的全氧含量以及相应的夹杂物控制水平。为了保证高品质管坯的洁净度水平,在 AOD试验了三种脱氧方式及研究了相应的渣系条件下钢水中氧含量变化及夹杂物的控制情况。试验时电炉、连铸工艺参数不变,硅脱氧采用传统的硅铁进行脱氧还原,炉渣碱度(CaO/SiO2)在 1.8~2.2之间。硅铝复合脱氧先采用传统的硅铁进行脱氧,扒渣 85%以后加入铝丸 200kg进行深脱氧,然后用石灰、萤石和铝粉 0.5kg/t进行调渣后出钢,炉渣碱度(CaO(/SiO2+Al2O3))在1.8~2.2之间。铝脱氧采用了高位料仓加铝丸的方式进行计算后加入,扒渣 85%以后加石灰、萤石和铝粉 0.5kg/t调渣出钢,炉渣碱度(CaO(/SiO2+Al2O3))在 2~3.0之间。


     表2为不同脱氧方式下典型精炼渣系成分。随着脱氧方式的变化,渣中(Cr2O3+FeO+MnO)含量由 1.24%分别降低到 0.66%和 0.19%。钢中全氧含量也呈依次下降趋势,如图3所示。

      通过对比三种脱氧方式和对应渣系条件下钢中全氧变化及夹杂物情况,最优方案是硅铝复合脱氧技术,采用该方案既能达到大规模高效率生产又能保证高质量稳定控制,全氧含量可以稳定控制在 10~30ppm之间。


       表3显示了硅铝复合脱氧条件下夹杂物过程晶相检测结果。在 AOD采用硅铁还原后再加铝深脱氧,结合铝粉调渣,钢中氧含量已达到了很低水平。同时钢水在 LF精炼后通过钙化处理,使得夹杂物得到充分的去除,检测试样中未发现大于 20μm的夹杂物,铸坯样中也未发现 20μm以上的夹杂物。


3.2 连铸中包流场优化

      在方坯连铸机投产初期,由于中包结构设计的原因,铸坯内部发生卷渣的现象较为普遍,在观察中包钢液面的过程中,发现挡墙通钢孔钢流通道处的渣面不稳定,容易发生中包卷渣进入结晶器,同时也不利于中包内夹杂物的上浮。


      在中间包内加设合理的控流装置能够明显改善中包流动状态,促进夹杂物去除。因此,首先对挡墙通钢孔的孔径、向上的倾角进行了试验改进,最终选定图4右侧的挡墙结构,铸坯卷渣几率显著降低,铸坯夹杂物稳定控制水平提高 32%。

      在对方坯 3流洁净度的一致性检验过程中,发现 2流洁净度明显低于 1、3流,而且在日常开浇操作中,2流因温度低导致的液面波动大、水口絮流等开浇异常明显多于1、3流。在统计检查铸坯表面质量的过程中 ,1、2、3流铸坯表面缺陷比例分别是1.5%,6.2%,2.1%。2流铸坯表面凹陷、振痕扭曲等缺陷明显高于 1、3流,缺陷特征如上述图 1所示。


       因此,采用数值模拟的方法对中间包流场和温度场进行计算,优化控流装置,减少控流装置设置不合理对其钢液流动特性和温度分布的影响 。利用商业软件 ANSYS-ICEM对中间包模型划分六面体网格,然后使用 Fluent进行流体计算。


      表 4列举了 RTD曲线分析结果的具体数据。从中可以看出方案 3为最优方案(控流结构见图 5):相对于原方案,各流响应时间和峰值时间大幅度增加;死区体积从10.00%降为 6.52%;各流一致性大幅度提高(判别指标从0.0146降低为 0.0084);活塞区体积大幅度增加(从 45.91%增加至66.34%),这有利于夹杂物的去除。

     

       由图 6可知,由于第 2流浇注区存在死区,钢液更新速度慢,2#水口上方存在低温区,中间包整体温降达 36K;由 Y=-1m等截面温度分布图可知,1#和 2#水口附近温度分布差异大,温降梯度明显,第 1流钢液温度整体比第 2流高约 2K。由图 7可知,流场优化后,2#水口上方低温区域消失;中间包整体温降大幅度降低为 28K,1#和 2#水口附近温度分布基本一致,且温度梯度较小。


      通过对中包流场优化,各流金相夹杂分析和铸坯表面缺陷检查统计结果均有明显改善,2流 30μm以上夹杂未发现,和 1、3流没有明显区别。


3.3 连铸结晶器流场优化

       针对方坯连铸结晶器流场不稳定,拉钢过程中经常发生卷渣的情况,采用数值模拟对比了不同插入深度情况下流场及卷渣情况,如图 8所示。插入深度在大于120mm的情况下基本不会卷渣,大于140mm时渣面比较稳定。

      为保证铸坯润滑和表面质量,防止插入深度过深造成结晶器保护渣化渣不良,跟踪了不同插入深度下结晶器液渣厚度变化情况(铁丝 /铝丝法插入 2s,测量同一温度下液渣厚度,每个深度测 5组数据取均值)。测量结果如图 9所示。综合防止结晶器内卷渣和保证润滑两个因素,最优的浸入式水口插入深度为 120~130mm。


       通过采取以上洁净度改进的技术优化措施,成品管坯非金属夹杂物评级结果如表5所示,实践证明,技术优化措施取得了很好的效果。


3.4 铸坯低倍质量控制

      结晶器电磁搅拌有利于结晶器内温度的均匀分布和减少皮下夹杂、气泡、裂纹等缺陷,还能改善铸坯中心低倍质量,尤其是针对一些高合金含量的钢种,结合末端电磁搅拌效果更好。


      但对于方坯连铸来说,过大的结晶器搅拌强度容易造成角部漩涡卷渣,因为搅拌强度决定了结晶器内钢水流速,流速超过0.4m/s,角部会出现反转流动而导致保护渣卷吸。过小的搅拌强度,不利于质量的改善。高品质的不锈钢管对洁净度和低倍质量都有很严格的要求,因此,结晶器电磁搅拌以及配置相应的末端搅拌,对于提升不锈钢管坯的质量是非常有必要的。如图10所示,没有采用电磁搅拌时缩孔较为明显,柱状晶发达,单独采用末端电磁搅拌,等轴晶比例较低,同时伴随着轻微缩孔和裂纹,采用结晶器和末端电磁搅拌组合的情况下,很好的保证了等轴晶比例,同时疏松和缩孔控制的比较好。


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结论

1)根据不同的客户需求,采用合适的脱氧方式,确保合理的钢水洁净度水平,通过对比,硅铝复合脱氧可以实现质量和成本、效率的最佳平衡匹配,在未大幅增加成本的情况下实现了钢中全氧 10~30ppm的稳定控制。

2)实践证明,改进后的中包内部结构和流场实现了方坯各流温度和洁净度的一致性,也改善了铸坯表面质量。

3)通过调整结晶器电磁搅拌和增加末端电磁搅拌,明显改善了铸坯的内部质量,促进了高品质管坯的质量控制。

作者:谢恩敬等)

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