供稿|蔡守桂，楊博文，李金偉 / CAI Shou-gui, YANG Bo-wen, LI Jin-wei

某鋼廠擁有一條鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→鋼包精煉→真空脫氣→矩形坯3機(jī)3流連鑄(帶輕壓下)生產(chǎn)線。這條全程計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)生產(chǎn)線具備生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼的條件，其鑄坯表面質(zhì)量良好，鋼中氧含量很低，平均氧含量在5.4×10-6以下，已達(dá)到世界先進(jìn)水平[1]。但與瑞典SKF的標(biāo)準(zhǔn)相比起來(lái)，高倍基本符合，但低倍(疏松和中心偏析)的差距還比較明顯。目前的鋼鐵冶金理論與大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，中間包鋼水溫度對(duì)高碳鉻軸承鋼鑄坯的質(zhì)量有重要影響。

因?yàn)楦咛笺t軸承鋼固液兩相區(qū)溫差達(dá)到131℃[2]，會(huì)在凝固后期由于連鑄坯斷面中心柱狀樹(shù)枝晶的搭橋，而形成小鋼錠的凝固結(jié)晶現(xiàn)象。根據(jù)溶質(zhì)元素析出與富集理論[3]，鑄坯從表層到中心結(jié)晶過(guò)程中，因鋼水中的一些溶質(zhì)元素如碳、磷、硫等，在固液邊界上溶解并平衡移動(dòng)，會(huì)從柱狀晶析出的溶質(zhì)元素排到尚未凝固的中心部位形成連鑄坯的中心偏析和疏松。

而低溫穩(wěn)態(tài)的過(guò)熱度可以有效地限制連鑄坯柱狀晶的生長(zhǎng)，增大等軸晶的形核和生產(chǎn)區(qū)域，降低中心偏析， 改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量[4]。但在連鑄實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于中間包鋼水熱輻射和耐火材料的吸熱以及鋼水換包時(shí)，由降溫突然向升溫轉(zhuǎn)變，使得中間包內(nèi)鋼水溫度呈現(xiàn)忽高忽低，溫度波動(dòng)隨之忽大忽小，就造成鋼水過(guò)熱度反復(fù)波動(dòng)并引起較大溫降。因此，通過(guò)外部熱源補(bǔ)償中間包鋼水的溫降，精確地控制最佳過(guò)熱度，就成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。因此本文重點(diǎn)總結(jié)了生產(chǎn)過(guò)程中中間包鋼水變化規(guī)律，探討了借助連鑄機(jī)中間包感應(yīng)加熱技術(shù)，及GCr15的目標(biāo)過(guò)熱度精確控制在15℃~20℃范圍內(nèi)的可行性。

連鑄機(jī)中間包鋼水溫度分布

由于中間包內(nèi)鋼水流場(chǎng)的不同，其包內(nèi)的溫度場(chǎng)也必然也會(huì)不同，詳見(jiàn)圖1。為了清晰其變化規(guī)律，在連鑄拉澆GCr15過(guò)程中的不同時(shí)間點(diǎn)，在6個(gè)點(diǎn)處的包殼用紅外儀電子測(cè)溫槍測(cè)溫，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)進(jìn)行的連鑄平臺(tái)上，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并沒(méi)有自動(dòng)采集連續(xù)測(cè)溫的數(shù)據(jù)的功能。因此現(xiàn)場(chǎng)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能通過(guò)人工記錄，即每澆鑄鋼水5 t，記錄一次連續(xù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

圖1 2#CCM 包殼測(cè)溫點(diǎn)

表1 中間包各點(diǎn)的包殼溫度

在測(cè)溫的這段時(shí)間里，中間包包殼溫度變化規(guī)律呈對(duì)稱分布。其中第4、5點(diǎn)為中包沖擊區(qū)，雖然鋼水從鋼包出來(lái)后直接流入此處；但因?yàn)殇撍疁囟容^高，隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)此處耐材受沖刷侵蝕嚴(yán)重，所以，通常此處耐材會(huì)砌筑得很厚，保溫效果好，故包殼外壁溫度較低。

其他四個(gè)點(diǎn)中，各點(diǎn)耐材砌筑厚度大致相同，均薄于4、5點(diǎn)，第2點(diǎn)的包殼溫度最高且升溫較快。因?yàn)殇撍畯臎_擊區(qū)流出后直接流至此處，用時(shí)最短所致。1、3點(diǎn)處的鋼水是從第2點(diǎn)處流出來(lái)的，故包殼溫度均低于第2點(diǎn)溫度且呈對(duì)稱分布。第6點(diǎn)包殼溫度最低，因?yàn)殇撍詈蟮竭_(dá)此處。各測(cè)溫點(diǎn)的包殼溫度隨時(shí)間變化分布情況，詳見(jiàn)圖2。

連鑄機(jī)中間包鋼水測(cè)試方案

從中間包內(nèi)鋼水流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)可知，第1、2、3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是1流、2流、3流的鋼水溫度。由于1流、3流的中間包內(nèi)鋼水溫度均比2流的低，為了保證連鑄的順利拉澆，在1流處安排了測(cè)溫槍與連續(xù)測(cè)溫探頭來(lái)判斷中間包鋼水過(guò)熱度的情況，詳見(jiàn)圖3。測(cè)溫槍與連續(xù)測(cè)溫探頭的位置基本一致，且入鋼水深度基本相同，連續(xù)測(cè)溫和人工點(diǎn)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)，具有很好的可比性。

圖2 中間包各點(diǎn)的包殼溫度-時(shí)間變化分布圖

測(cè)試結(jié)果與分析

澆注過(guò)程中每爐鋼中間包鋼水溫度的變化

在整個(gè)澆次中，隨著連澆包次的增多，中間包本身的熱狀態(tài)不斷發(fā)生變化，其中間包內(nèi)鋼水溫度也隨之變化，并且呈差異性規(guī)律。因此對(duì)整個(gè)澆次的中包鋼水溫度變化情況進(jìn)行了研究，前四爐的中間包鋼水溫度變化分布情況，詳見(jiàn)4。

從開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫起，中間包內(nèi)鋼水溫度就己開(kāi)始上升，升溫速率約為0.2857℃·t-1。當(dāng)鋼包鋼水65 t左右時(shí)，溫度升到最高點(diǎn)，以軸承鋼液相線溫度1454℃計(jì)算，此時(shí)過(guò)熱度27℃。這說(shuō)明，鋼包開(kāi)澆初期，中間包內(nèi)壁溫度較低，大量吸熱，初期進(jìn)入中間包內(nèi)的鋼水溫度就較低。隨著澆注時(shí)間的延長(zhǎng)，中間包壁蓄熱量不斷增加，中間包壁從鋼水吸收的熱量也逐漸減少，鋼水溫降不斷變小，溫度就逐漸上升。達(dá)到65 t以后，隨著澆注過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，鋼包鋼水對(duì)外的輻射散熱增加，及中間包壁繼續(xù)吸熱，兩者共同作用，中間包內(nèi)鋼水溫度也隨之逐漸降低，降溫速率為0.1200℃·t-1，直至第2包鋼水開(kāi)澆。

其后連澆第2、第3、第4包鋼水澆注過(guò)程中間包內(nèi)鋼水溫度變化規(guī)律類(lèi)似，均是中間包內(nèi)鋼水溫度迅速升高到最高點(diǎn)，隨著澆注的進(jìn)行，中間包鋼水溫度開(kāi)始下降。但中間包鋼水溫降速率呈現(xiàn)較大的差異，連澆第2爐中間包鋼水溫降較快，降溫速率為0.0739℃·t-1，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。這主要由于中間包壁吸熱仍未處于飽和狀態(tài)，繼續(xù)吸熱所致。連澆第3、4爐不斷緩解，其中連澆第4爐中間包鋼水溫降最慢，降溫速率僅為0.0346℃·t-1。在鋼包鋼水剩余25 t時(shí)，中間包鋼水溫度才略有下降，詳見(jiàn)圖4。這說(shuō)明中間包壁吸熱基本處于飽和狀態(tài)，不再大量吸熱。且第4爐中間包鋼水溫度保持在1480℃較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)應(yīng)過(guò)熱度為26℃。這是因?yàn)閺霓D(zhuǎn)爐出鋼、鋼包精煉、真空處理到連鑄，整個(gè)冶煉過(guò)程鋼包采取全程底吹氬氣攪拌，從鋼包底部到中部再到頂部的鋼水溫度比較均勻，其對(duì)中間包鋼水溫度不均勻性的影響可以忽略不計(jì)，而本爐鋼水與上一爐中包內(nèi)低溫鋼水溫度補(bǔ)償與中包溫降達(dá)到平衡所致。

表2 中間包鋼水澆注過(guò)程中溫度變化速率

澆注過(guò)程中快換鋼包時(shí)中間包鋼水溫度的變化

一般來(lái)講，換包澆注時(shí)獲取中間包內(nèi)鋼水溫度的數(shù)據(jù)較為困難，但通過(guò)中間包內(nèi)鋼水的連續(xù)測(cè)溫的方法則可較方便地測(cè)得這些重要數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)圖4。

當(dāng)快換第2、3、4包鋼水時(shí)，中間包內(nèi)鋼水溫度隨新的鋼包鋼水的注入而迅速上升。其中第2、3包中間包鋼水升溫速率較快，分別為0.4890、0.5000℃·t-1。這是因?yàn)榍耙话撍跐沧⒛┢跍囟燃合鄬?duì)較低，從而導(dǎo)致中間包內(nèi)鋼水在一包鋼水澆注的末期，溫度越來(lái)越低。在一包鋼水停澆到另一包鋼水開(kāi)澆的這幾分鐘里，中間包內(nèi)鋼水量迅速減少，其溫度繼續(xù)下降。當(dāng)新的一包鋼水開(kāi)澆后，新鋼包內(nèi)的鋼水迅速注入中間包內(nèi)，使其很快將儲(chǔ)鋼量恢復(fù)到上一個(gè)鋼包停澆前的水平，此時(shí)中間包鋼水溫度也隨之迅速升溫。但第4包中間包鋼水升溫速率相對(duì)較慢，主要原因是到達(dá)連鑄平臺(tái)的第4包鋼水溫度偏高，高達(dá)1515℃。而前一包中間包鋼水澆注末期的溫度在整個(gè)澆次過(guò)程中是最低的。因此當(dāng)?shù)?包鋼水注入時(shí)，這兩種溫差較大的鋼水經(jīng)過(guò)混合、吸熱、均勻，導(dǎo)致其升溫速率相對(duì)較慢。

澆注過(guò)程中中間包鋼水溫度的整體變化

在整個(gè)澆次4爐鋼里，中間包內(nèi)鋼水過(guò)熱度波動(dòng)很大。最大值在開(kāi)澆爐鋼包鋼水還有60 t左右時(shí)出現(xiàn)，為27℃；最小值出現(xiàn)在連澆第3包與第4包換包澆注期間，為13℃。在澆注過(guò)程中，共出現(xiàn)了4次中間包內(nèi)鋼水溫度的高溫時(shí)段，過(guò)熱度在25℃上下波動(dòng)，與目標(biāo)過(guò)熱度有5℃以上的偏差。其余大部分時(shí)間，中間包內(nèi)的鋼水溫度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，共出現(xiàn)了2次中間包內(nèi)鋼水溫度的低位點(diǎn)，過(guò)熱度在15℃左右。這一溫度變化趨勢(shì)只是在換包澆注時(shí)才有可能得到緩解。

為了明確中間包鋼水的溫度變化規(guī)律，本澆次并沒(méi)有采用感應(yīng)加熱功能。因?yàn)檫^(guò)熱度的波動(dòng)值為12℃，為了確保澆次成功，整個(gè)澆次鋼水溫度均偏高，這對(duì)軸承鋼生產(chǎn)鋼水過(guò)熱度精確控制在15~20℃范圍內(nèi)，是很難實(shí)現(xiàn)的，必須輔助于感應(yīng)加熱技術(shù)。即在以后生產(chǎn)軸承鋼的過(guò)程中，其鋼包到連鑄平臺(tái)的溫度可以比本試驗(yàn)到連鑄平臺(tái)的溫度降低10℃。而在開(kāi)澆爐中期、第2、3爐末期，借助感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)中間包鋼水進(jìn)行加熱。但感應(yīng)加熱檔位過(guò)高，亦會(huì)帶來(lái)不利影響：一方面高檔位高電力時(shí)，會(huì)因向心原理使得中間包內(nèi)部流場(chǎng)極不穩(wěn)定；另一方面開(kāi)高檔位后，中包內(nèi)鋼水因流速增大，加重了鋼水對(duì)中間包包壁的沖刷程度，可能會(huì)造成生產(chǎn)事故。所以感應(yīng)加熱最高設(shè)定為4檔，后續(xù)爐逐步降低檔位，具體操作過(guò)程，詳見(jiàn)圖5。

結(jié)論

1) 中間包內(nèi)鋼水溫度場(chǎng)的呈對(duì)稱分布，在非沖擊區(qū)一側(cè)橫向中心部位鋼水溫度最高，兩側(cè)鋼水溫度均逐漸降低。

2) 中間包內(nèi)鋼水溫度和鋼水過(guò)熱度波動(dòng)較大，過(guò)熱度最大值為27℃，最小值為13℃，這個(gè)不利于對(duì)軸承鋼生產(chǎn)過(guò)熱度的精確控制。

3) 開(kāi)澆爐中期，第2、3爐末期，溫降速度較大，溫降速率分別為0.1200、0.0739、0.0539℃·t-1，可以借助感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)中間包鋼水進(jìn)行加熱，感應(yīng)加熱檔位逐步降低。

[1] 虞明全. 軸承鋼鋼種系列的發(fā)展?fàn)顩r. 上海金屬，2008, 30(3)：49-53.

[2] 梁建國(guó)，何慶文，張海霞，等. 軸承鋼中心偏析的成因及預(yù)防措施[J]. 萊鋼技術(shù)，2008.

[3] 常國(guó)威. 金屬凝固過(guò)程中的晶體生長(zhǎng)與控制. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[4] 孫海波，閆博，張家泉，等. 連鑄中間包通道式感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用現(xiàn)狀. 上海金屬，2012，34(1)：43-8.