青山钢铁公司采用IFAODLFCC的生产工艺,R 10米弧形连铸进行了321连铸工艺的试验研究。通过对321不锈钢钢种特性的研究,找出了影响321不锈钢连铸工艺的关键环节和影响连铸坯质量的主要因素,成功开发了321不锈钢连铸工艺。

321是钛稳定化奥氏体不锈钢。这类钢种在各种腐蚀介质中具有优秀的耐蚀性,工艺性能和焊接性能优良,适宜制造耐酸容器、管道、换热器的耐酸设备及其衬里[1],在石化行业、交通运输、机械制造、电力行业各种化工及轻工领域得到广泛的应用,但是,321不锈钢的连铸生产难度比较大。目前,美、日等国321的产量只占到其不锈钢产量的1%-3%。由于历史的原因,我国的大部分不锈钢企业均在生产321。采用连铸工艺生产321,具有减轻夹杂物偏析,改善夹杂物的形态及分布,提高钢材加工性能,提高钢水及铸坯收得率、钢材成材率及生产效率等优势,连铸工艺优化成为各主要钢铁企业开发的重点。

因此,321不锈钢的冶炼制度、净化钢水、保护渣选用、减少水口堵塞、避免结晶器产生“结鱼”等等进行深入地研究,开发出具有青山钢铁特色的冶炼+连铸的321生产工艺显得尤为重要。

1工艺开发难点

321不锈钢是不锈钢中比较难以连铸生产的钢种之一,其连铸工艺开发的难点主要在于:

1)321不锈钢Ti含量、AL含量较高,易生成高熔点物质,造成连铸水口结瘤,保护渣吸附夹杂物后熔化状态恶化,使钢渣分离困难,造成钢渣混卷或产生“结鱼”,形成大量表面及皮下缺陷,甚至漏钢,使连铸生产难以进行;

2)321不锈钢和304钢一样,属于Ni/Cr当量比为0.550.70的钢种,连铸时振痕比较深,引起表面裂纹;

3)若保护渣在结晶器内渣膜均匀性差,“弱冷”制度控制不良造成收缩敏感的不锈钢铸坯表面凹坑出现率高;

4)保护渣在结晶器内的适应性差,容易在浇注含钛(Ti)不锈钢时结晶器液面出现“冷皮”结壳,进而导致铸坯表面和皮下夹杂;

5)保护渣碳含量较高,容易造成不锈钢铸坯表面增碳。

为保证其可浇性必须提高浇注温度,但同时321不锈钢又是裂纹敏感钢种,必须采用弱冷制度,这些相互矛盾的要求,使321不锈钢由模铸工艺转变为连铸工艺需要解决的细节较多。

另外,为防止晶间腐蚀,321加有钛以稳定钢中碳。钛与钢液中的氧、氮的亲和力很强,易形成TiNTiO2,加之冶炼和浇铸过程中会有Al2O3产生,这些都给321的连铸生产造成不利影响。

2工艺及其试验

20096月至20103,分三个阶段进行试验,包括连铸工艺试验的准备和可浇性试验阶段、工艺参数摸索阶段、工艺参数优化阶段。共生产321连铸坯4238.4,连铸坯质量合格率达97.65%;生产合格热轧材3627.2,成材率87.59%;生产合格冷拉材1528,成材率83.09%。该批钢材主要供石化企业使用。自2009年初陆续供货以来,用户对钢材的冷拔性能、焊接性能反应良好,未出现因钢材本身质量问题导致退货或退赔的情况。

2.1冶炼及浇铸工艺中易出现的问题

冶炼及浇铸工艺的优化主要包括优化中频熔炼、AOD精炼、连铸工艺参数三个方面。根据青山钢铁自身的冶炼条件,在国标要求的基础上进行化学成分调整,制定目标控制值,以提高钢水内在质量,稳定性能,促成连铸的顺利进行。成分目标如表1

制定AOD精炼制度是确保质量,达成成分控制目标的前提条件。AOD吹氩时,温度目标1530,15001530℃兑钢;渣厚目标50ε;冶炼过程全程吹氩;还原时间、还原剂加入量按照二级模型控制,还原渣二元碱度不小于1.7;可根据实际情况调整石灰加入量,还原剂采用普通FeSi还原扒渣,要求≥90%,扒渣后造新渣并用CaSi粉调渣,渣呈浅绿色或黄白色,确保钛的收得率。钛合金计量要准确,目标包中不加钛合金,钛的控制目标在符合标准Ti/C比的前提下尽可能低。出钢加Ti温度目标:16001620,Ti后纯吹氩≥3min,出钢后渣厚目标在150250ε。出钢前用氩气排空大包,出钢过程对大包钢流吹氩保护,出钢过程先慢后快,减少出钢过程的钢水裸露时间。钢包到位到出钢时间控制在10分钟内,保证包中温度。要求钢包清洁无残钢渣,温度≥800℃。

321不锈钢连铸过程中必须使用无氧化保护浇铸,否则将在连铸过程中产生水口结瘤、结晶器内“结鱼”、大量发达的渣条。

Ti的氮化形成高熔点的TiN夹杂物。TiN容易以钢液中的MgO·Al2O3,Al2O3为核心析出[2],形成含芯的TiN。浇铸时钢中存在大量的含芯TiN极容易造成结瘤。此外,TiNAl2O3等夹杂物致使连铸过程中容易出现悬浮,形成“结鱼”。

以钢中Al2O3MgO·Al2O3为核心析出的TiN,同浇铸过程析出的TiN在结晶器中与保护渣中的SiO2Fe2O3等组分发生反应放出氮气[2],由于TiNSiO2的反应是吸热反应,加之放出的氮气搅动钢液带走部分热量,从而促使局部钢液表面温度下降,凝固后形成了“结鱼”。因此,其内部也留下了大量气孔。反应式如下:

TiN+SiO2=TiO2+0.5N2+[Si]

ΔGo=206094-120.93 T J/mol(1)

TiN+2/3Fe2O3=TiO2+4/3Fe(l)+1/2N2(g)

ΔGo=-69634-69.03 T J/mol(2)

反应(1)生成的Si在迅速冷凝的条件下在“结鱼”中形成了单质硅,上述物相分析表明,“结鱼”中具有不同形貌特征的区域均存在单质硅,证实这一反应是形成“结鱼”的主要反应。由表2可知,保护渣使用后渣中SiO2Fe2O3含量有所下降,CaO/SiO2相应提高。

随着浇铸的进行,由于高熔点夹杂物不断进入保护渣中,结晶器四周出现渣条,结晶器内不再有均匀燃烧的蓝火苗,而是大量气体吹散整个黑渣面,被吹开的粉渣层像开了锅的粥,局部火苗像燃烧的蜡烛一样冒得很高。到第三炉时,结晶器壁上的渣条已经相当发达,形成宽50mm,25mm的大渣皮牢牢粘贴在结晶器壁上,结晶器内的有效散装粉渣越来越小,四周均为死区。整个浇注过程采用人工加渣,从挑出放置冷却后的渣条断面观察,由渣条断面内在从靠近结晶器壁至液钢方向,分布有

大小不一的金属球如图2和图3。从表2所列分析数据发现,渣条的化学成分与原渣并无显著差异,只是物性粘度有较大增加。当测量液渣层厚度时,明显能感觉到钢液流的冲击,当在大断面测量时该冲击感觉较小。

2.2铸坯表面质量

321不锈钢连铸坯常见表面缺陷是凹陷、夹渣、针孔及裂纹。填充在凝固壳和结晶器间隙的结晶器保护渣是影响铸坯表面的关键因素。因此,把减轻表面缺陷的重点放在结晶器保护渣及其在连铸321不锈钢时的特性变化上。321不锈钢中AlCrTi等元素均是易氧化和氮化的物质,若处理不好,所产生的夹杂物就会使铸坯表面产生夹杂缺陷。振动设计不合理就会产生振痕深,修模量加大,影响成材率。

2.3冶炼连铸工艺优化

综合分析,CaO·TiO2-MgO·Al2O3夹杂物所产生的结瘤主要是由于钢中加入AlCa-Si或钢液与炉渣反应。出钢后,钢中存在较多CaO-SiO2,CaO-SiO2-Al2O3等夹杂物,这些夹杂物在喂钛线前的吹氩过程中未能有效排出,喂钛线后,经反应生成双相CaO·TiO2-MgO·Al2O3夹杂物,如果吹氩搅拌裸露钢液面,会进一步增加这类夹杂物数量。因此,不加Al并采用低铝硅铁还原,钢包底氩气搅拌时采用弱吹,避免钢水裸露,不仅控制钢液的二次氧化,而且有利于夹杂物的上浮。保护渣是影响321不锈钢连铸坯质量的重要因素,保护渣的作用,是钢液保温,保护钢液面不受氧化,吸附结晶器中上浮的夹杂,流入凝固壳与结晶器之间起润滑作用和改善结晶器与凝固壳的传热条件。为此,要求保护渣具有适当的熔融温度(半球点)、粘度和碱度,C含量、助熔剂加入量大是不锈钢保护渣的显著特点。321连铸应选择适应较高的高碱度、高玻璃态、高熔点、低粘度、低碳量的多组元的保护渣。

3结论

1)成功开发出用连铸生产180 mm×180 mm200 mm×200 mm方连铸坯经轧机开坯再成材工艺。用连铸工艺生产的连铸坯质量合格率达97.65%,成材率87.59%,生产合格冷拉材1528,成材率83.09%。该批钢材主要供石化厂使用。自2009年初陆续供货以来,用户对钢材的冷拔性能、焊接性能反应良好,能满足用户使用要求。

2)采用在321不锈钢连铸生产中提高浇铸温度可使金属附着层中的部分金属熔化,使金属附着层变薄,缓解结瘤。通过喂钛线前的吹氩搅拌,尽可能多地从钢液中排除CaO-SiO2,CaO-SiO2-Al2O3等夹杂物,以减少喂钛线后钢中CaO·TiO2-MgO·Al2O3双相夹杂物的生成,减少“结鱼”,确保连铸顺利,提高铸坯表面质量。

3)321不锈钢连铸保护渣应具有较高的碱度和强的吸收夹杂的能力,同时具有提高钢/渣界面张力的能力,使钢/渣易于分离。采用321不锈钢专用结晶器保护渣,铸坯表面质量良好,基本上不需要清理。