高级钢厚钢板连铸坯制造技术

小红花

新日铁君津制铁所制造的抗H2S腐蚀管线钢管用钢板和海洋工程用钢板等高级钢厚钢板的质量要求极为严格。为制造这种钢板，君津厂开发出极限低硫、极限非金属夹杂物控制精炼技术和抑制中心偏析、中心疏松的连铸技术。通过改进设备条件和轻压下工艺的优化，开发出非金属夹杂物控制技术和脱硫粉剂喷吹法等新工艺，建立起高级钢厚钢板制造体系。

新日铁君津制铁所制造抗H2S腐蚀管线钢管用钢板和海洋工程用钢板等质量要求极为严格高级钢厚钢板。这些钢板不仅对厚板轧制工艺有严格的质量要求，而且对厚板原料的钢坯也有极高的质量要求。因此，必须有高水平的钢坯制造技术。目前，全世界对能源的需求不断增长，相应地对这些高级钢的需求也不断增加，因此，需要开发大量稳定生产高级钢的技术。
针对这种需求，君津制铁所为使连铸坯质量有一个根本性提高，于2006年建立了第6号连铸机（6CC）。6CC配置的高刚性、高压力下的扇形段，使铸坯轻压下工艺最佳化，在降低中心偏析和中心疏松的同时，实现高生产率。超低硫冶炼技术和氧化物冶金技术的应用，使君津制铁所建立了大批量高级钢生产体系。
1高级钢钢坯的质量要求
1.1质量的基本要求
在抗H2S腐蚀管线钢管用钢板和海工用钢板、钢管的制造中，对炼钢—连铸工艺的要求是钢的超低硫化、非金属夹杂物形态控制、降低有害夹杂物含量以及降低中心偏析和中心疏松。
1.2不同钢种的质量要求
1）抗H2S腐蚀管线钢管用钢板
抗H2S腐蚀管线钢管用钢板的最重要特性要求是具有良好的抗氢致裂纹（HIC）能力。随着能源开发区域向更加恶劣的北极区和海底的转移，对管线钢管用钢板的无HIC化、高强度、高韧性、大厚度（30mm以上）等要求日益严格。
HIC是钢板在H2S环境下，扩散到钢中的氢吸附在拉长的MnS界面和（Nb、Ti）（C、N）等非金属夹杂物界面，形成氢压，成为应力源，在无外力作用下产生的裂纹。这种裂纹在连铸最终凝固区（中心偏析区）的S、Mn、P、C等元素浓聚部位传播扩展。因此，为防止裂纹产生和传播，一方面要使钢达到极限程度的高纯度，特别是超低硫化，另一方面要降低连铸坯的中心偏析。此外，由于粗大的夹杂物也是HIC的起点，所以在连铸中也必须去除粗大夹杂物。
抗H2S腐蚀钢的目标成分如原创表1，成分特点是低碳、低磷、超低硫（S≤10ppm）。
2）海洋工程用厚钢板
近年来，随着石油、天然气等能源开发的广域化，开发区域向深海和北海等极冷海域扩展。因此，海洋工程对厚钢板的高强度、大厚度、焊接区的低温韧性等特性要求越来越高。相应地对炼钢连铸技术提出了更高的要求。
一般情况下，随着铸坯在连铸机内的凝固收缩，在铸坯中心区会产生中心疏松缺陷，利用轻压下技术可以抑制中心疏松的发生。但对于高强度钢来说，铸坯凝固壳的高温强度很高，对铸坯进行轻压下有很大困难。此外，由于钢板向特厚化的方向发展，厚度超过了100mm时，利用轧制方法很难将中心疏松压合。在这种情况下，降低铸坯中心疏松的技术就变得格外重要。
在焊接特性方面，为提高焊接区的低温韧性，必须使焊接热影响区（HAZ）的铁素体晶粒微细化，为此，在炼钢连铸工艺中通过调整非金属夹杂物的组成，使HAZ晶粒微细化。并且，对钢的成分进行控制，使非金属夹杂物均匀分布在铸坯中。由于粗大夹杂物是各种缺陷的源头，导致钢材性能下降，所以必须去除粗大夹杂物。海洋工程用厚钢板的典型成分如原创表2，为控制夹杂物的组成，海工用钢是Ti脱氧的无Al钢。
2高级钢厚钢板连铸坯制造工艺
君津制铁所第二制钢厂的工艺流程见原创图1。抗H2S腐蚀钢的冶炼工艺是机械搅拌脱硫铁水预处理（KR）、转炉脱磷铁水预处理（LD-ORP）、转炉底吹氧（LD-OB）、真空减压喷粉（V-KIP）脱硫二次精炼。该工艺使钢中的P、S降低到极限程度，达到高纯度化。海洋工程用钢的冶炼工艺是二次精炼前的转炉处理与抗H2S腐蚀钢相同，二次精炼是RH脱气和KIP脱硫。该工艺使钢中的夹杂物得到控制（氧化物冶金）。
抗H2S腐蚀钢和海工用钢的连铸在6CC进行，通过中间罐和结晶器内的钢水流动控制，减少了粗大夹杂物，利用轻压下减轻了连铸坯的中心偏析和中心疏松。
3高级钢精炼工艺
高炉铁水的含S量约为0.03%。通过炼钢工序，将S降到3ppm，脱硫率达到90%以上。为保证稳定的高脱硫率，君津制铁所实施了两级脱硫处理：转炉前铁水脱硫（300ppm→30ppm）、转炉吹炼后钢水脱硫 (30ppm→3～2ppm)。
3.1铁水脱硫工艺
君津制铁所过去采用鱼雷罐车对铁水进行脱硫、脱磷预处理。由于对钢提出了超低硫化的要求，2000年开始采用脱硫效果更好的铁水罐脱硫工艺（KR），在用机械搅拌头对铁水进行搅拌的同时，投入脱硫剂，加速脱硫反应，在短时间内可脱掉90%的硫，即使在转炉冶炼中会发生回硫，也可保证钢材中的硫含量在50ppm的低硫水平。KR工艺使低硫钢的大量生产容易进行。
3.2钢水脱硫工艺
仅利用KR工艺还不能达到超低硫钢的S含量要求（≤30ppm），因此要通过二次精炼进行脱硫。根据对S含量的不同要求，二次精炼脱硫有KIP法和V-KIP法。
KIP法是将耐火材料制成的喷枪插入钢水中，利用气体载体将CaO粉剂吹入钢水中进行脱硫的方法。脱硫粉剂在上浮过程中直接对钢水进行脱硫，由于进行强搅拌，提高了钢的洁净度，脱硫率可达60%，钢材产品含S量可达20ppm。
对于抗H2S腐蚀钢等对S含量要求更严格的超低硫钢，要采用S含量可达5ppm的V-KIP脱硫法（见原创图3、4）。V—KIP法是将钢包放置在真空室内，然后与KIP法相同，喷吹脱硫粉剂进行脱硫的方法。由于在真空条件下进行搅拌，搅拌力有很大提高，不仅粉剂在上浮过程中对钢水脱硫,而且钢水与顶渣的反应也具有脱硫效果，进一步提高了脱硫效率。V—KIP法可以在短时间内进行高效脱硫，使钢中的S含量达到3ppm。此外还可以同时进行脱H，从而缩短了精炼时间。
另一方面，由于进行强搅拌，钢包耐火材料熔损增加，但通过添加MgO调整熔渣的成分，可以抑制钢包耐火材料的熔损。目前君津制铁所V-KIP的产量达到3万t/月。
4氧化物冶金技术
海工用厚钢板必须具有良好的的HAZ低温韧性。HAZ γ晶粒长大，导致铁素体晶粒粗大、韧性下降。为防止这种情况的发生，利用炼钢中生成的非金属夹杂物，提高HAZ低温韧性。TiO钢中夹杂物的基本组成是TiO，所以TiO钢一般不用Al脱氧。海洋工程用厚钢板要求具有抗层状撕裂性，所以应是低硫钢。但是用Ti脱氧时，会使钢中的氧含量升高，不利于硫反应的进行。对此，君津制铁所在精炼操作中利用氧的控制技术，实现了无Al低硫钢的制造。
进一步提高低温韧性的钢是HTUFF钢（微细粒子细化微观结构HAZ超韧化钢）。这种钢通过在钢水中添加Mg对夹杂物进行控制，使1400℃下仍能稳定存在的纳米级非金属夹杂物在铸坯内均匀弥散分布，抑制γ晶粒长大。

5高级钢厚板坯连铸工艺

5.1君津制铁所连铸机特点
新日铁为增强厚钢板、钢管用钢板高质量的保证能力，于2006年建造了第6号连铸机（6CC）。表3是设备的技术参数。6CC是冶金长度为41.2m的单流立弯式连铸机。铸坯厚度与已有的2号厚板坯连铸机（2CC）相同，为240mm、300mm。此外，以2CC为基础进一步强化了质量措施。
5.2减少大型夹杂物措施
含有非金属夹杂物的钢水在连铸时，非金属夹杂物会残留在铸坯内，形成铸坯内缺陷或表面缺陷。因此，减少大型夹杂物对制造高质量铸坯是十分重要的。君津制铁所很早就在中间罐和结晶器方面采取了相应措施。
1）中间罐内钢水流动控制
在中间罐采取的减少夹杂物的措施有，中间罐大型化保证夹杂物有充分的上浮时间和在中间罐内设置挡墙使钢水流动合理化。
与2CC相比，6CC的中间罐内的钢水流程增加，以及挡墙设置更加合计，促进了夹杂物的上浮。原创图5是6CC中间罐的断面图。2CC是双流铸机，中间罐是容量为60t的船形罐，平均每流容量是30t。6CC是单流铸机，中间罐是容量与2CC相同，也是60t的船形罐，因此钢水流程是2CC的2倍。
此外，在6CC中间罐内，从钢包长水口向中间罐浸入式水口，顺序设置了上挡墙、下挡墙、上挡墙。第1道上挡墙起着阻挡大型夹杂物和熔渣作用，使从钢包流入中间罐的大型夹杂物和熔渣上浮，保持中间罐钢液面稳定，不使大型夹杂物和熔渣流进结晶器。从第1道上挡墙下面流过的钢水冲撞到下挡墙，防止钢液直接流进浸入式水口，在中间罐钢水表面形成含有夹杂物的钢流层。钢水在第3道上挡墙前形成下降钢流，促进在热对流的作用下夹杂物上浮。数学模型解析结果表明，这种挡墙的配置使夹杂物上浮到钢水表面，容易去除。
中间罐内的钢水温度是影响夹杂物上浮分离的重要因素。为防止钢水温度过低阻碍夹杂物上浮，应使钢水温度保持在一定的温度范围内。但在实际连铸情况下，由于精炼处理后的钢水温度波动以及连铸中钢包内钢水温度下降等原因，中间罐内钢水温度的波动很大。为对钢水温度波动进行补偿，对中间罐内的钢水进行加热处理。6CC中设置了等离子加热装置，位置在中间罐长度的中间，在覆盖了2个上挡墙的等离子加热室内对钢水进行加热。利用这种加热装置抑制住连铸过程中钢水温度的波动，并且防止了钢包更换时中间罐温度的下降。该装置的等离子喷枪与钢液面的距离可以自动控制，所以在更换钢包中间罐内钢液面下降的情况下也可以进行加热。
2）结晶器内钢水流动控制
结晶器内钢水流动控制是去除流入结晶器内的大型夹杂物的重要措施。为有效控制结晶器内钢水流动，应综合利用结晶器电磁搅拌（M-EMS）、电磁制动、钢液面高度控制和防止浸入式水口结瘤等多项措施。
6CC结晶器内钢水流动控制装置与2CC相同，也是M-EMS。采用M-EMS在凝固界面前形成稳定的钢水流动，可以去除100μm以上是大型夹杂物。原创图6是采用M-EMS时结晶器内钢水流动的数值解析结果，可以看出由于M-EMS的搅拌作用在铸坯宽度中央的浸入式水口下面产生了循环钢流。在循环钢流的作用下，侵入钢水中的夹杂物和气泡上浮，抑制夹杂物和气泡向铸坯偏析带集中。
与2CC相比，6CC投产后厚钢板的夹杂物缺陷发生率显著降低，保证了厚钢板的质量稳定性。
5.3降低中心偏析措施
1）轻压下技术
铸坯轻压下技术可以抑制铸坯凝固末期钢水的流动，减小中心偏析晶粒直径。中心偏析产生的原因是钢水凝固末期的凝固收缩、热收缩以及连铸机夹辊间鼓肚引起的浓缩钢水流动。轻压下法是对应于钢水的凝固收缩量，减小液芯末端的夹辊辊缝，对凝固收缩量进行压力补偿，抑制伴随凝固收缩发生的钢水流动。减小铸机夹辊辊径、缩短夹辊间距，并根据铸坯厚度和铸造条件确定适当的压下量，可以最大限度发挥轻压下的作用。在6CC的20m长的水平段上配置了小辊径短间距的分节辊，并且6CC的扇形段是具有大压下力的高刚性扇形段。根据计算结果，6CC的辊距是2CC的3/4，扇形段挠度是2CC的1/4。
2）减轻中心偏析
用硫印方法对6CC和2CC的铸坯中心偏析进行检验，结果表明，6CC中心偏析的晶粒小，偏析显著减轻。利用X射线微区分析对铸坯中心偏析部位的Mn浓度进行分析，6CC铸坯中心偏析部位Mn浓度约为2CC的3/4。此外，一般情况下，2CC铸坯厚度中心是正偏析，周围是负偏析，但6CC铸坯的特点是，厚度中心正偏析周围的负偏析很小。这种中心偏析形态是扇形段夹辊小间距、高刚性化，使鼓肚影响降低到最小程度的结果。
3）减轻中心疏松
使用超声波探伤（UST）装置测定了6CC、2CC铸坯1mm以上的孔隙个数，以此对中心疏松密度进行评价，结果表明，6CC铸坯的1mm以上的孔隙个数大大减少，仅为2CC的1/10。
5.4提高铸坯质量
6CC投产和操作技术优化提高了铸坯质量，从而使钢材产品质量进一步提高。由于铸坯中心偏析程度的减轻，钢板1/2厚度处的韧性值约提高了20%，可在高强度级别领域得到应用。由于精炼技术、厚板轧制技术的应用和6CC铸坯中心偏析程度的减轻，推进了高强度厚钢板的生产，以满足客户对海洋工程大型化的要求。
6高级钢厚板坯高效率生产技术
随着对高级钢厚钢板需求的增加，需要建立高效率规模化生产高级钢厚板坯炼钢连铸系统。铸坯高强度（高合金）、大厚度化会引起表面缺陷增加，在解决这个问题方面，最大限度发挥6CC提高质量的作用至关重要。
6.1减少铸坯表面缺陷的技术
连铸铸坯的表面缺陷，需要用砂轮、火焰枪等工具进行清理，因此影响了向厚板工序的直送。需要进行清理的主要缺陷是纵裂纹和角横裂纹。为免除缺陷清理，需要利用结晶器钢水流动控制技术和2次冷却控制技术，抑制表面缺陷的产生。
1）表面纵裂纹的消除
铸坯凝固初期在铸坯宽度方向上，凝固坯壳厚度不均匀，使坯壳变形，致使表面纵裂纹产生。凝固坯壳厚度不均匀的原因是，在铸坯宽度方向上结晶器散热不均，以及弯月面周围钢水流动不畅，导致钢水温度在铸坯宽度方向上不均匀，使凝固坯壳不均匀形成。特别是海工用钢等中碳钢，因上述的冷却不均匀，容易出现表面纵裂纹。通过保护渣成分调整使结晶器散热均匀化和应用M-EMS使结晶器内钢水温度均匀化，可以防止凝固不均，消除纵裂纹。6CC通过优化M-EMS工艺条件，以及优化保护渣成分，抑制了表面纵裂纹的产生。
2）角横裂纹的消除
立弯型连铸机铸坯角横裂纹易发生在铸机的弯曲点和矫正点，这些位置的铸坯表层有拉伸应力起作用。横裂纹是钢在第3脆性温度区发生脆化，裂纹产生是钢的固有脆化现象。因此要对铸坯通过弯曲点和矫正点时的温度进行控制，防止出现脆化区。横裂纹多发生在冷却很快的铸坯角部。所以使铸坯角部的二次冷却强度小于铸坯中心是防止角横裂纹产生的一个措施。但铸坯角部的冷却过于缓慢时，角部凝固推迟，会引起中心偏析、中心疏松。6CC的二冷喷水管路分为铸坯宽度中央的主管路和两条铸坯角部的喷水管路。各管路的冷却水流量独立控制。根据钢种特点调整铸坯角部喷水管路水流量，可以控制铸坯冶金长度末端形状，减轻铸坯中心偏析、中心疏松，同时抑制了角横裂纹的发生。
君津制铁所采取的上述消除铸坯缺陷的措施，使铸坯可以无需清理，直接供给厚板工序。目前免处理直接轧制的厚板坯达到99%。
6.2提高连铸作业率措施
1）连浇炉数增加
增加连浇炉数可以减少切头切尾量，提高铸坯的收得率，还可以减少连铸机的开停次数，提高作业率。中间罐浸入式水口结晶器液面处的耐火材料熔损曾是6CC高级钢厚板坯连浇次数的制约因素，采用抑制耐火材料熔损的保护渣和优化浸入式水口形状，提高了6CC的连浇次数。
2）缩短铸坯厚度变更时间
6CC的铸坯厚度和2CC一样，为240mm、300mm。这是根据厚板工序生产能力和综合成材率确定的。2CC在生产300mm铸坯时，更换结晶器需用4个小时，使作业率下降，因此规定将生产300mm铸坯安排在铸机定期检修的前后。6CC采用结晶器窄面快速更换方法，不影响作业率，300mm铸坯生产时间不受限制。因此，可以以轧制条件为主编制生产计划。2CC的300mm铸坯的产量比例仅有3%，6CC的300mm铸坯产量比例增加到50%。