天鋼40Si2MnV鋼澆鑄穩定性工藝研究

李林杰，寧 超

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

在生產鋼種40Si2MnV時，天鋼方坯2#連鑄6流150×150方坯連鑄機多次發生漏鋼事故。漏鋼是連鑄生產作業中嚴重事故。針對該鋼種的特性，以此次生產過程中漏鋼具體情況作為項目進行研究，以期找出漏鋼發生的原因，同時根據漏鋼尾坯的外形尺寸來計算我廠2#連鑄機在彎月面到結晶器下口這一段的凝固系數，優化工藝參數，避免再次澆鑄此鋼種時發生漏鋼事故。

1 生產情況及研究方向確定

天鋼于2017年生產150方40Si2MnV鋼種1個澆次中，生產13爐，共漏鋼4次，發生在前5爐中。主要通過研究漏鋼澆次的生產情況來找出漏鋼的主要原因，且通過漏鋼時尾坯情況來分析凝固系數是否與經驗凝固系數相匹配。本文主要結合以下3點進行分析：（1）鋼種的特性，計算每爐碳當量結合鐵碳相圖分析其凝固過程，凝固后成分結構分析；（2）結合結晶器使用，精煉處理時間及漏鋼時鋼水溫度、拉速，保護澆鑄情況分析漏鋼主因；（3）根據漏鋼尾坯的具體情況來分析漏鋼原因，以及凝固系數是否與經驗凝固系數相匹配。

本澆次生產150方坯40Si2MnV過程中：第2爐14：26時5流內弧縱裂漏鋼停。漏鋼時溫度1528℃，拉速2.0 m/min。漏鋼發生在2A區，在內弧靠近6流側漏鋼區域前后均有表面渣溝痕跡，5流漏鋼與鑄坯出結晶器后的冷卻不均以及表面渣溝有密不可分的關系。由于鑄坯出結晶器后、靠6流側弧方向的鑄坯冷卻滯后，導致其坯殼凝固較其他3個方向慢。鑄坯在熱應力作用下易出現裂紋，且在內弧側的渣溝處坯殼較薄，在熱應力的作用下鑄坯內弧開裂漏鋼。漏鋼后殘留鋼液在鑄坯坯殼凝固，不具備測量坯殼厚度條件[1-3]。

第3爐2流15：30時角裂漏鋼接鑄后接鑄塞棒控流異常流大15：33時停。漏鋼時溫度1 510℃，拉速2.2 m/min。處理廢鋼后2流2次開時塞棒輕微開啟流大直接滿液位停，廢鋼留在結晶器中無法再次開。漏鋼圖片見圖1。

圖1 漏鋼樣貌圖片1

2流漏鋼發為角裂，發生在1區，其內弧側發現明顯渣溝，延伸至漏鋼處，后部發紅鑄坯為接鑄段。2流漏鋼主因是渣溝引起。渣溝部位在熱應力的作用下鑄坯開裂漏鋼，漏鋼后殘留鋼液在鑄坯坯殼凝固，不具備測量坯殼厚度驗證凝固系數的條件。

第5爐18：28時6、3流先后角裂漏鋼停，6流漏鋼后未停，3流漏鋼后接鑄一次，未接上停。漏鋼時溫度1 529℃，拉速2.0 m/min。處理廢鋼時發現3流結晶器外弧足輥一側螺絲掉，外弧足輥掉，偏離水平位置。6流漏鋼后未接鑄，6流漏鋼時開啟度及尾坯見圖2。

6流鑄坯角裂后鋼液噴濺在結晶器足棍處，未在鑄坯上殘留鋼液，鑄坯在過拉機時與后面的坯殼分離拉斷分離。6流后半段坯殼掉入拉機下面，過拉矯機時鑄坯發出開裂響聲，坯殼內外弧在拉矯應力下開裂，鑄坯發脆。與鋼中高Si與V含量有密切關系。6流尾坯測量其坯殼外型尺寸后計算其凝固系數與經驗凝固系數做比較。鑄坯表面無明顯渣溝，6流角裂漏鋼原因結合鋼種特性做下一步分析。

圖2 漏鋼樣貌圖片2

3流外弧足棍一側螺絲掉，可能是由于鑄坯在出結晶器時突然向足棍掉下方向偏移，在強的外在應力作用下坯殼當即由角部裂開，漏出廢鋼與足棍相粘連，接鑄后鑄坯拉斷，后半段尾坯因足棍處廢鋼冷卻粘連阻擋卡在結晶器中。3流尾坯因接鑄原因不具備測量坯殼外應尺寸條件。

總結4次漏鋼中2、5流有明顯的渣溝，在2、5流漏鋼后加強了挑渣帶的操作，之后3、6流漏鋼中漏鋼尾坯未見明顯渣帶。3流因外弧足棍位置突然的變化致使鑄坯在強外在應力下角裂，6流漏鋼應與鋼種特性有關。漏鋼后換上同批次未開封保護渣使用，在本澆次后面7爐鋼及之后澆次中未發生漏鋼事故。因此此次漏鋼從以下5個方面進行分析：（1）結晶器及銅管情況分析；（2）保護渣使用中加渣操作對產生渣帶的影響；（3）此鋼種的成分對鋼液凝固過程影響；（4）鋼種特性帶來的澆注不穩定性；（5）漏鋼時初生坯殼的厚度是否滿足澆鋼需求。

2 漏鋼原因的分析

2.1 結晶器水縫情況分析

在線使用結晶器水縫情況見表1。

表1 在線使用結晶器水縫情況

通過對結晶器水縫的分析可以看出，漏鋼流2、6流水縫在調整后有0.05的不均勻，但同樣情況下1、3、4流均沒有發生漏鋼，水縫0.05的偏差不是漏鋼的主因。且5流水縫完全均勻，仍然發生漏鋼事故，進一步證實水縫的偏差不是引起此次漏鋼事故的主因。

2.2 結晶器銅管磨損情況分析

在線使用結晶器磨損情況見表2。

表2 在線使用結晶器磨損情況

通過對下線結晶器的磨損情況測量發現，1、2流內外弧磨損較側弧輕，3、4、5、6流則是內外弧磨損較側弧嚴重，尤其是4流內外側弧磨損與側弧磨損相差最大。但4流未發生漏鋼事故，反而磨損情況較輕，內外弧與側弧磨損相差不大的2、5、6流發生漏鋼事故，這也證明結晶器的磨損情況也同樣不是造成此次漏鋼事故的主因。

2.3 保護渣使用情況分析

天鋼使用保護渣為30MnSi專用保護渣、批號為083156。連鑄保護渣是以 CaO-SiO2-Al2O3為基料，Na2O、CaF2等為熔劑，結晶器保護渣在連鑄生產中發揮如下5大基本功能[4-5]：

（1）防止鋼液特別是鋼液彎月面的二次氧化。（2）絕熱保溫。在高溫鋼液面上加入保護渣，由于3層甚至多層結構的出現，防止鋼水的過熱度的降低以及減少鋼液的輻射熱損失，所以生產過程中的保護渣操作就要求液渣層上有一定厚度的粉渣層，即黑渣操作。（3）保護渣吸收夾雜的能力。鋼液上浮的夾雜物被卷入初生坯殼，會造成鑄坯表面或皮下缺陷，熔融的保護渣形成的液渣層具有吸收和同化鋼液中上浮的非金屬夾雜的能力。（4）保護渣具有均勻傳熱功能。液渣均勻流入結晶器壁與凝固坯殼間，便能形成均勻的渣膜，可以減小上部的傳熱速率，加大下部傳熱速率，從而改善傳熱的均勻性，提高鑄坯質量。（5）改善鑄坯潤滑的作用。熔融液渣流入結晶器壁與凝固坯殼間形成的渣膜可以作為拉鋼的潤滑劑，減少拉坯阻力，防止坯殼與結晶器銅管內壁粘結造成粘結漏鋼。目前認為摩擦力＜0.2 kgf/cm2時，可以防止漏鋼。由于保護渣在存放過程中在潮濕的情況下，其中的機制CaO會與空氣中的水發生反應生成CaOH2，這對保護渣的溶化性的破壞是巨大的。本次漏鋼事故發生后對使用保護渣進行理化分析，3個試樣中其中1個試樣水分含量超標，理化性能異常。

2.4 鋼種特性對漏鋼的影響

2.4.1 高硅對鋼性能的影響

經高分辨熱場發射掃描電鏡對鋼中硅富集區域的微觀組織進行深層次分析，發現硅富集區域有明顯特殊的微觀組織。該組織的晶粒異常粗大，除去組織晶界有斷續狀鉻的碳化物顆粒析出之外，組織結構的晶內有呈現為織紋狀的類調幅組織。結合鐵硅合金的二元系相圖可知，在硅富集區域可能會發生調幅分解。調幅分解就是一種和形核長大機制相互并列的相分解機制，調幅分解與有序化共存的現象在許多合金系中都存在，發生調幅分解后的材料可以形成非常均勻并且精細的結構。然而鋼基體組織性能與硅富集區域脆性的調幅分解后形成的精細組織性能存在很大的差別，這樣就造成熱（冷）加工過程中將鋼中會產生巨大的內應力，導致材料產生內部裂紋。有文獻表示，當鋼種中Si含量超過0.60%之后，鋼液的粘度將隨Si的增加而增加，這將極大地增加鋼業的表面張力，這對于夾雜物的上浮析出是非常不利的，不利于高硅鋼的鋼液潔凈及澆鑄穩定。

2.4.2 釩對鋼性能的影響

合金鋼種單獨加入釩時形成VC，屬于中間相，化學式在VC-V4C3之間變化。與其他的微合金化元素機理基本相同，釩影響鋼的組織結構和性能主要是通過形成碳氮化物來完成。碳氮化物對鋼的影響取決于氮化物和碳化物的形成溫度以及轉變溫度之間的關系。這些溫度依賴于冷卻速度（或加熱速度），鋼的化學成分，主要是氮的含量及所加入合金的含量。在1 050℃以下時，釩的碳氮化物在奧氏體中仍有很大的溶解度。到目前為止，關于夾雜物或析出物促進晶內鐵素體形核的機制主要有以下幾種[6-7]：

（1）鋼液中的夾雜物以及凝固析出物周圍的奧氏體化學成分變化引起形核；

（2）鋼液中的夾雜物及凝固析出物與鐵素體核心共格，引起較小的晶格錯配度，通過降低形核勢壘促進形核；

（3）鋼液中的夾雜物及凝固析出物作為惰性界面促進形核；

（4）鋼液中的夾雜物及凝固析出物和奧氏體的熱膨脹系數的差異引起形核。

夾雜物在晶界表面的富集是含V鋼種易漏鋼的原因之一，也是尾坯在過拉矯時會受壓開裂的原因之一。

結合生產實際，尾坯發生脆性裂紋最主要的原因為Si的富集以及夾雜物在含V鋼初生坯殼晶間富集。

2.5 凝固系數的分析

溫度拉速變化，液相線1 486℃，中包目標溫度1 506～1526 ℃。

我廠鑄機的設計理論凝固系數為26，坯殼厚度計算公式為：s=26（l/v）0.5

6流的坯殼外表尺寸在漏鋼部位以后153 mm處外弧殼厚度為8.9 mm，漏鋼處坯殼四面正中部位厚度按內弧、外弧，以內弧為正面，左側外弧，右側外弧分別為 10.1、10.3、10.5、10.3 mm。漏鋼部位在出結晶器下口處。彎月面距離上口位置為150 mm，結晶器長度為1 000 mm。漏鋼時的冶金長度為850 mm，拉速為 2.0 m/min，溫度 1 529 ℃。

將坯殼厚度為平均值10.3 mm，在漏鋼時，鋼液瞬間流出，依照經驗值會導致初生漏鋼尾坯的坯殼較正常澆鑄的坯殼厚度減少10%，修正后的坯殼厚度應為11.3 mm，代入公式中，計算凝固系數為公式為：

計算可得k=17.3。

此凝固系數為一冷結晶器的凝固系數。k=17.3代表了中包溫度在1 529℃，拉速為2.0 m/min時一冷結晶器的凝固系數值。為了考慮在特定過熱度下，拉速變化對結晶器內坯殼厚度變化的影響，我們做以下分析：

溫度為1 529℃情況下，坯殼厚度與拉速對應情況見表3。

表3 坯殼厚度與拉速對應情況

坯殼厚度與拉速對應圖見圖3。

圖3 坯殼厚度與拉速對應圖

可以看出，當在1 529℃情況下，拉速由2.0～2.8 m/min 時，坯殼厚度減少了 1.75 mm。拉速變化可以調節因過熱度提高對初生坯殼厚度的影響在1.75 mm內。在一定程度上可以調節由于過熱度變化對初生坯殼厚度帶來的影響。

3 針對40Si2MnV漏鋼分析后結論及改進措施

漏鋼事故發生原因有以下3點：

（1）此鋼種為高Si，且含V鋼種，局部的成分不均使得Si局部富集。

（2）澆鑄過程中的結晶器保護渣長期敞開放置導致性能發生異變而未及時發現更換。

（3）澆鑄過程中結晶器的冷卻情況突然發生變化，使冷卻不均。

針對漏鋼事故提出以下措施：

（1）此鋼種在精煉時適當延長吹氬攪拌時間，使得成分分布更加均勻。

（2）保護渣應該在避光，干燥環境下放置，避免因受潮發生性能改變。

（3）加強結晶器上線前的檢查，避免因冷卻環境突然生發變化提高漏鋼發生幾率。

（4）適當增強結晶器1區冷卻強度及2A區的冷卻強度，采取高液位澆鑄，使得初生坯殼厚度增加，降低漏鋼幾率。

4 預防措施實施效果

冶煉過程中加強了強氬氣攪拌的作用，氬氣攪拌圖見圖4。

圖4 增強鋼包底吹氬氣強度情況

在加強氬氣攪拌的同時，加強專用保護渣的儲存防潮處理，使用時未見保護渣結塊現象及使用過程中融化不良與渣膜不良情況。加強結晶器及二冷1區及2區的冷卻強度，由原因數分別上調10%。通過以上措施的實施，大大加強了40Si2MnV的可澆性，實現了后續生產過程中連澆22爐未發生漏鋼停流事故。

5 結論

通過加強冶煉氬氣，保護渣合理存放，結清器維護和加強二冷強度這些工藝優化措施，使40Si2MnV的澆注穩定性得到了大幅提升，實際生產中未再出現多流集中漏鋼事故，取得了良好效果。