连铸工艺高品质铸坯生产研究与应用

连铸工艺高品质铸坯生产研究与应用

李立勋 杨晓江  李中华  张大勇  潘玉发  崔宝民

（河钢乐亭钢铁有限公司，河北  唐山  063000）

摘  要：连铸板坯出现的中心疏松和中心偏析是导致铸坯内部质量缺陷的根源，中心偏析和中心疏松的抑制是连铸生产高品质铸坯的关键。S-EMS 是目前比较理想的用来消除中心偏析的技术，动态轻压下则用来消除中心疏松。S-EMS 工艺参数包括搅拌频率、搅拌电流和搅拌方式；轻压下主要技术参数包括压下位置、压下量和压下速率。通过扇形段电磁搅拌和轻压下的集成应用稳定控制铸坯内部质量。

关键词：连铸；S-EMS；凝固传热；过程控制

Research and application of Continuous Casting Product High Quality Slab

Li-Lixun, Yang-Xiaojiang, Li-Zhonghua, Zhang-Dayong, Pan-Yufa, Cui-Baomin

(Laoting Iron&Steel Co.,Ltd of HBIS Group, Tangshan 063000,Hebei, China;)

Abstract: During continuous casting process center segregation and center porosity will induce the inner quality problems of slab, so it is necessary to find a method to reduce these defects. At present, S-EMS and Dynamic-Soft-Reduction is the most effective method to prevent these problems.The critical parameters of S-EMS technology including Current, Frequency and Stirring Manners. The main technical guidelines of Soft-Reduction technology including Soft-Reduction position reduction amount and reduction rate. Embed S-EMS and Soft Reduction to Produced high quality slab.

Keyword: Continuous casting, S-EMS, Solidification-Heat-Transfer, Process-Control

1 前言

随着国民经济的快速发展和下游客户对钢铁产品质量要求的提高，连续铸钢正朝着高效、高品质、近终形连铸方向发展。我国连铸经历了起步、徘徊发展、国外引进、自主创新、快速发展、高效化改造等阶段。连铸技术经过长期的技术积淀，国内连铸工艺、连铸装备水平稳步提高，大力引导连铸技术自主创新。连铸装备的自主研发也取得了长足的进步。连铸工序是炼钢流程技术最密集的领域之一。高生产率、节能、宽钢种适应范围和高质量是连铸技术不断发展的内在驱动力。钢液在连铸机内凝固成型过程是复杂的物理、化学变化过程。深入研究液态钢液连铸凝固过程及其在外部应力场作用下凝固组织结构的演变及控制可以为稳定控制铸机生产率和铸坯质量控制提供扎实的依据。

2 国内外连铸板坯质量控制技术研发及应用情况

全幅段轻压下技术是现代连铸的显著标志之一。国际上掌握并将该技术应用于工业生产的公司主要有德国SMS Demag、意大利Danieli、奥钢联VAI三家公司。智能扇形段装备制造商代表是奥钢联公司和西马克公司，其代表产品为SMART扇形和Cyberlink扇形段。

先进钢铁企业已经或已经有意识开始应用电磁力来改善产品质量、研发高端产品、抢占高端钢材市场。尽管连铸机硬件水平提高迅速，但装备如何应用才能满足工艺需求还有很长的路。具体体现在以下几方面：1）冶金效果稳定性方面，所用参数均为经验值无法保证其准确性和适用性，钢种和过热度等条件变化的影响经常被忽略；2）工艺参数为手动输入，难以随工艺条件（如拉速）的变化及时调整搅拌参数；3）操作安全性方面，装置控制为手动控制，出现事故往往来不及关闭而扩大事故；4）时效性方面，轻压下和电磁冶金参数繁多且很多参数有交互作用，需要通过长期大量实验来摸索工艺参数，费时费力且实验获得的参数不具备通用性；5）经济性方面，经验参数无法保证品牌钢种稳定、批量生产。 板坯扇形段电磁搅拌和轻压下技术在铸机的联合应用，对相关冶金工艺模型的联合使用效果进行检验，通过对不同钢种不同浇铸条件下铸坯中心偏析程度的定量研究，评估目前S-EMS与动态轻压下的效果，为精确控制连铸凝固结晶形核工艺和铸态组织提供了一种核心方法。

2.1 连铸工艺冶金APC模型与系统在质量控制方面的应用

连铸技术发展至今对于工艺与装备的集成越来越重视，适合冶金工作者的工程平台就是各类APC系统（Advanced Process Control）及系统自带的人机界面。连铸APC系统核心为基于连铸冶金工艺原理的数学模型，此类数学模型典型特征就是必需运行于计算机系统。先进过程控制是基于不同工业流程的基本原理并在此基础上发展起来的数学模型。优秀的先进过程控制系统又是复杂的系统工程，深入融合工艺流程的前沿原理和现代测控技术通过数学方法和编程技术开发成高度集成的工业应用系统，实现工业化生产条件下工艺流程的动态智能控制。架起工艺过程宏观条件与控制系统的桥梁，为工艺流程工作者提供一个集验证新原理、新构想；研发新技术、新工艺简洁高效、实用有力的高端工程实现平台。工业过程软件是工业控制系统的核心，连铸工艺典型的工业过程软件包含动态二冷水模型、轻压下模型和电磁冶金模型，为满足高端钢材生产工艺需求，生产线采用了奥钢联的动态轻压下技术和国外引进的扇形段电磁搅拌装备，国内在同一台铸机同时集成S-EMS技术和轻压下技术尚处于理论研究和试验阶段。因此，非常有必要对其工业机理、数学模型和关键的控制参数联合应用进行深入研究和掌握，为生产高级别船板、管线钢及其他易偏析钢种提供机理、装备、工艺、质量的保证。

2.2 Dynacs模型确定坯壳厚度及压下区间

为获得优良的铸坯质量需要连铸过程控制好铸坯表面温度以符合钢种凝固过程特殊需求。现场浇铸拉速、中间包温度、钢种等工艺条件改变时动态二冷配水系统实时响应，沿浇铸方向优化水量分布。与以往的铸机只能根据拉速手动调节二次冷水回路阀门控制水量不同，Dynacs 模型采用差分计算，囊括钢种浇铸温度、冷却水实际流速、目标表面温度、目标坯壳厚度、钢种凝固潜热等影响因素后自动调节二次冷水回路阀门开度控制二冷水流量。Dynacs 模型主要冶金功能：（1）进行动态配水；(2) 提供铸坯的热力学状态及液固相率给轻压下和电磁冶金系统。

DYNACS模型是典型的APC（先进过程控制）系统，它通过OPC协议及通讯组件实时采集铸机浇铸参数及二冷水回路的水流量数值，采用有限差分法得到铸流温度场，依据目标表面温度和预定坯壳厚度动态调整二冷水量，使铸坯表面温度达到最优。通过DYNACS (Dynamic Cooling System)中的热跟踪系统能在线准确计算坯壳厚度，定位凝固末端的位置，电磁搅拌系统依据坯壳厚度和钢种热物性参数自动给定电磁搅拌参数；轻压下系统依据DYNACS中的热跟踪系统计算出的扇形段内铸坯的凝固末端位置和钢种高温力学性能给定轻压下参数设定值。电磁搅拌和轻压下系统分别通过工业以太网下传参数到电磁搅拌器和扇形段控制器。电磁搅拌器控制电流参数，扇形段控制器控制液压阀台完成扇形段相应压下动作，共同实现高品质铸坯生产工艺的冶金功能。

ASTC是用于在线控制SMART扇形段的冶金应用程序， ASTC冶金应用程序与SMART扇形段的有机结合实现快速、准确、远程的改变铸机的辊缝值，大大的提高了铸机产能和作业率。在线模型是在温度跟踪模型的基础上，实时接收过程控制模型的数据并对扇形段定位液压缸位置精确控制，依据Dynacs模型计算出的坯壳厚度和液相率结合钢种高温力学性能实时控制辊缝精度，改善铸坯内部质量。确保轻压下处于最合理的压下区间，达到最佳的压下效果。

电磁搅拌冶金工艺专家系统用于连铸现场浇铸条件变化时应用相关EPM模型自动设定电磁搅拌工艺参数，使电磁冶金装备与连铸系统有机融合。主要特点是电磁搅拌冶金工艺专家系统的应用不仅实现电磁冶金装备操作的完全智能化，重要的是完全避免了由于电磁冶金参数与工艺条件不匹配所产生的负面效果，充分发挥电磁冶金装备的优势作用；系统设计有冶金参数维护窗口，方便冶金工作者维护冶金参数，实现了连铸电磁冶金工艺的精确控制。电磁冶金工艺专家系统采用面向对象的交互式人机界面，模块化设计提高程序的通用性。通过可容错的智能化逻辑设计，方便使用者操作，系统稳定性高。程序操作简单灵活，一键式操作可以不用专门培训即可完成程序的各项操作，满足不同浇铸工艺参数条件交流行波电磁场作用下的连铸坯最佳晶体结构形成的实时控制。为生产高品质钢材提供坚实的技术与装备支撑。为铸态凝固组织控制及高端钢材生产及质量保证提供了一种核心方法。

2.3 连铸高品质铸坯生产集成冶金工艺的效果

钢种EH36，断面200*1450，拉速1.45m/min，采用低倍+枝晶检验分析其内部质量。

图2.4a-d不同种工艺条件下的低倍检验

Fig2.4 branch crystal check under different process

无压下无搅拌时铸坯中心偏析明显，且伴随有中间裂纹；单独应用轻压下时可以有效消除中间裂纹和中心疏松但对中心偏析改善不明显；单独应用电磁搅拌时可以有效改善中心偏析和中间裂纹，提高等轴晶率但对中心疏松改善不明显；高品质铸坯生产工艺可以有效改善中心偏析和中间裂纹，减轻中心疏松兼顾铸坯等轴晶率。

钢种Q960E，断面200*1380，拉速1.4m/min，评价新的工艺条件对显微组织及轧制力学性能的改善

应用高品质铸坯生产工艺生产的板坯Q960E经轧制后钢材力学性能同比单独轻压下工艺显著提高，屈服强度提高3.1%，抗拉强度提高7.41%，扇形段电磁搅拌与轻压下通过动态凝固过程相联系，结合浇铸钢种热力学数据库中的钢种自身热物性参数和动态二冷计算出的凝固坯壳厚度及糊状区宽度，通过软件系统自动调整电磁搅拌和轻压下参数使之匹配合理，充分发挥各自优势，既可以减轻乃至消除中心偏析、中心疏松对钢材性能的不利影响又可以避免轻压下参数不匹配造成的压下裂纹，同时兼顾铸坯等轴晶率。通过上述冶金效果比照连铸高品质铸坯生产工艺多项工艺技术指标相辅相承、统筹兼顾，为生产有特殊高品质要求的连铸板坯奠定坚实的技术与实践基础。

3 结论

连铸动态二冷模型、电磁冶金工艺模型、轻压下联合应用，即使浇铸特殊钢种也非常可靠。国内某钢厂连铸生产线目前生产的钢种主要集中在高碳钢、包晶钢、低合金钢和中碳钢。上述钢种经检测内部质密均匀，满足工艺要求。

从材料学检验结果可知，船板钢EH32、EH36铸坯中心偏析等级均在B0.5以下，中间裂纹和三角区裂纹等级均小于0.5。

连铸机电磁冶金系统与轻压下系统通过连铸动态凝固过程紧密联系，在线优化冶金工艺关键参数，充分发挥长处优势互补。以Q960E为例轧制后钢材力学性能同比单独应用轻压下工艺显著提高，屈服强度提高3.1%，抗拉强度提高7.41%。

连铸高品质铸坯集成生产工艺的应用为连铸生产有特殊高品质要求的连铸坯奠定坚实的技术、装备、实践基础。  

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