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雙輥薄帶連鑄工藝 PoStrip - 浦項鋼鐵

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本文基于浦項鋼鐵公司板坯連鑄的生產經驗,探討了根據不同連鑄機類型所設置的拉坯速度范圍,簡要介紹了連鑄工藝以及相關的關鍵技術。浦項鋼鐵公司的雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip?,拉坯速度可達100m/min,通過快速凝固和無粉末澆鑄,可生產超薄高附加值產品。

1. 前言

在近50年的時間里,為了提高生產效率、產量和能效,同時節約生產成本,數量眾多的板坯連鑄機已經廣泛安裝于全世界的工廠。本研究根據拉坯速度和板坯厚度,將板坯連鑄工藝分為五種類型,如圖1所示。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

20世紀60年代,厚度200-300mm的板坯連鑄機取代了當時廣為采用的鑄錠工藝,由此正式開啟了連鑄時代,而且時至今日,板坯生產的主要部分就是用于熱軋薄帶的軋制。為了確保能源和造船行業專用厚板的內部質量,引進了拉坯速度為0.2-0.6m/min,板坯厚度為400-600mm的澆鑄工藝。為了生產厚度超過600mm的超厚板,開發了半連鑄技術用于替代鑄錠工藝,其拉坯速度為0.05-0.2m/min,相較鑄錠工藝,產量和生產效率都有了較大提高。

為了降低能耗,作為一種補充概念,近終形澆鑄的板坯厚度為50-100mm。隨著高速澆鑄技術的發展,薄板坯連鑄連軋工藝(TSCR)得到了商業應用。近年來,TSCR技術已經發展成為一種無頭軋制工藝,其拉坯速度高達8m/min,主要用于生產超薄高強帶鋼。作為另一個極端的案例,薄帶連鑄工藝可在最高拉坯速度為30-100m/min的情況下,用鋼水直接生產厚度不足5mm的薄帶,利用這一超快凝固特征技術可生產特定鋼種的產品。為了提高生產能力和產量,自20世紀60年代起,連鑄工藝取代了鑄錠工藝,并發展成為各種類型,以滿足鋼鐵市場對產品質量多樣化的需求。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

圖2顯示的是,板坯連鑄機在單位澆鑄流數以及單位板坯寬度上的生產能力。從生產效率的角度來看,厚度為200-300mm、拉坯速度為1.0-2.0m/min的傳統板坯連鑄機生產能力最高,而生產其他厚度板坯的連鑄機則略遜一籌。值得關注的是,浦項鋼鐵公司的薄板坯連鑄和無頭軋制工藝CEM?的生產能力可達4.5t/min,遠高于傳統板坯連鑄工藝。

通過前期攻克各種技術難關,浦項鋼鐵公司已經引進或開發了上述全部類型的連鑄機,用以生產先進高強鋼(AHSS)、超厚板、高級電工鋼、高附加值不銹鋼、超薄熱軋帶鋼等World Premium?系列鋼材產品。


2. 傳統200-300mm厚板坯連鑄:

拉坯速度為0.6-3m/min

連鑄機的發展必須考慮到板坯的質量、生產效率和可維護性。自20世紀70年代起,由于生產能力強,厚度為200-300mm的傳統板坯連鑄工藝,就成為最常用的板坯連鑄工藝之一,可生產熱軋和冷軋帶鋼、鋼板、電工鋼、汽車板和不銹鋼等大多數商用鋼材產品。

連鑄最早起源于立式設備,在板坯清潔度和表面裂紋方面具有一定優勢。為了提高生產效率,同時降低維護成本,早前廣泛采用的是全彎曲弧形設備,為了提高板坯質量,立式液態彎曲連鑄機最終取代了全彎曲弧形設備。伴隨20世紀80年代經濟的快速發展,為了提高產品質量、提高工藝生產效率,又開發了一些基礎技術,主要包括:

(1)潔凈鋼連鑄技術;

(2)板坯裂紋控制技術;

(3)板坯內部質量控制技術(如圖3);

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

(4)提高傳統板坯連鑄機生產效率的技術。


3. 400-600mm厚板坯連鑄:

拉坯速度為0.2-0.6m/min

壓力容器或海洋結構用鋼等需要厚度為80-230mm,同時兼具高強度和低溫高韌性的厚板產品。為了達到這一應用要求,板坯厚度已經超過了350mm。通常,為了防止板坯內部出現內部裂紋或非金屬夾雜物帶,安裝立式或立彎式連鑄機,例如新日鐵住金公司的Jumbo連鑄機以及德國迪林根鋼鐵公司的5號連鑄機。

浦項鋼鐵公司于2011年在浦項鋼鐵公司鋼廠建立了400mm的板坯連鑄機,還特別設計了一種新型的立式固態矯直連鑄機(VSU),設備高度和建造成本以及維護成本都有所降低。為了在立式連鑄機的生產基礎上,盡可能減少夾雜物帶和內部裂紋,引進了長度為3.2m的垂直截面,在矯直之前就完成了凝固,如圖4(a)所示。在這一布局上,連鑄機長度縮減至23.9m,因此拉坯速度最大為0.42m/min,由于拉坯速度低,在這臺設備上所開發的技術,可以顯著改善板坯內部質量或角部裂紋,而非提高生產效率,如圖4(b)所示。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip


4. 超厚板坯半連鑄:

拉坯速度為0.05-0.2m/min,板坯厚度超過700mm

盡管連鑄工藝是一項很好的技術,但仍有一些問題有待解決。比如,如何在維持一定壓下率的情況下,為超厚板澆鑄一個特大截面的板坯,而并非采用鑄錠工藝。眾所周知,板坯厚度范圍超過600mm時,通常只能采用鑄錠工藝,而非傳統的連鑄工藝。因此,浦項鋼鐵公司于2007年開發了大型鋼錠連鑄機(LICC)。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

LICC工藝采用了半連鑄型連鑄機,可分為三個子工序:(a)拉坯;(b)凝固;(c)精整。連鑄流的厚度為700mm,并由結晶器電磁攪拌系統、振動器、拉坯機、推進機和翻坯機等組成。

鑒于LICC已經發展成為一種半連鑄型技術,其連鑄流的產量低于多爐連鑄,因此仍需改進。主要的關鍵技術如圖5所示,研究發現等軸晶區的顯微組織結構有所擴大,這表明,在含C量為0.4%的合金鋼中,其結構組織是由細小的球狀晶體組成。在較低的拉坯速度和攪拌速度下,LICC內的鋼水內部質量與類似的橫斷鋼錠(6t)相當。但是,在半連鑄型鑄機中,連鑄流上部區域的縮頸管會直接影響產量。如圖6所示,將連鑄流上部的縮頸管減至最少,就是一項核心技術。為了實現從連鑄流底部到頂部的定向凝固,采用了一種冷卻控制技術。LICC連鑄工藝金屬收得率可達90%左右,而鑄錠工藝僅為70%。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

正因為具備這些優點,LICC生產的鋼種質量與鑄錠機相當甚至更優,而且生產效率更高。由此可見,LICC工藝是一項非常有前景的技術,特別是在針對有特殊用途的鋼種拉坯方面,可以快速響應工業發展的靈活趨勢。


5. 50-100mm薄板坯連鑄:

拉坯速度為3-8m/min

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

采用近終型連鑄概念之后,最先開發了立式薄板坯連鑄機,拉坯速度范圍為3-5m/min,板坯厚度為50mm。普通薄板坯連鑄連軋(TSCR)工藝的兩臺薄板坯連鑄機連接至一條熱軋產線,如圖7所示。

為具有無頭軋制功能(TSER)的TSCR工藝也開發出拉坯速度高于5m/min的薄板坯連鑄機,主要用于生產超薄和高強熱軋板卷產品。在2000年底之前,浦項鋼鐵公司成功開發了VLB型高速薄板坯連鑄機,其冶金長度約為20m,拉坯速度最大為8m/min,澆鑄厚度為81mm的厚板坯,將緊湊式無頭連鑄軋機CEM?的產量提高了兩倍,由此作為一種無頭軋制模式與單張軋制模式隨時切換的TSCR工藝。

TSER工藝必須在一條連鑄產線和一條軋制產線之間進行直接連接配置。作為無頭軋制工藝配置,需要在連鑄產線和軋制產線之間維持流量平衡。在全無頭軋制過程中,軋制速度取決于拉坯速度,這意味著當拉坯速度不夠高時,材料溫度過低,如果精軋機進口溫度(FDT)不夠,熱軋帶鋼就會出現混合的晶粒結構,這就是一種缺陷。為了闡明結晶器液面波動的機理,浦項鋼鐵公司在不同類型的連鑄機上開展過各類試驗,最終實現了結晶器液面穩定,相關的三大關鍵性要素如圖8所示。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

1)浸入式水口(SEN)的尾流現象:如圖8(a)所示,頻率約為0.1Hz的周期性波動時,在大產量澆鑄過程中,在結晶器彎月面上觀察到了一種尾流現象。帶有浦項鋼鐵公司電磁制動(EMBr)液芯形狀的SEN優化設計是一項重要的技術。如圖9所示,彎月面液面波形可控制在5mm以內。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

2)連鑄流上凝固坯殼的非穩定鼓肚:如圖8(b)所示,頻率范圍內的結晶器液面波動是由凝固坯殼的非穩定鼓肚所產生的。非穩定鼓肚與連鑄流的凝固坯殼動態特性有關。為了將非穩定鼓肚降至最低,在CEM?連鑄機設計上,運用了一些VLB型軋制幾何設計原則。在連鑄流上部區域采用強冷卻,生成厚凝固坯,但在較低區域采用軟冷卻,使得板坯具有較高溫度。

3)彎月面的表面波:如圖8(c)所示,表面波是由外部干擾所產生的。頻率范圍為0.8-1.2Hz,在拉坯速度較高時,部分與非穩定鼓肚的頻率范圍重疊。為了檢測干擾源,并采取適當對策,開發出結晶器液面主動控制系統(MLAC)。

輥距的設計原則包括以下內容:相同輥距的每個截面不宜過長。每個截面的輥距與相鄰截面不同,輥距盡可能小。

采用10個輥距的組合測試了兩年的時間,而且通過長期的澆鑄試驗,已經實現了在較高拉坯速度(主要是6.5m/min,90mm)下生產。


6. 2-5mm薄帶連鑄

拉坯速度為30-100m/min

薄帶連鑄是一種直接從鋼水生產薄帶的創新工藝。該工藝不包括復雜的熱軋工藝,而且與傳統鑄軋工藝相比,有諸多優點。該工藝可以靈活生產特殊鋼種,而傳統的連鑄和熱軋工藝則難以實現。

浦項鋼鐵公司:雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip

2006年浦項鋼鐵公司廠在經過中試之后,正式建立了商業工廠,圖10顯示的就是PoStrip?設備的布局。鋼水經過水冷雙輥后,直接澆鑄成薄帶。鑄帶的標稱厚度為2.0-5.0mm,隨后由在線軋機(IRM)以30%-45%的壓下率連續熱軋。熱軋薄帶最終厚度為1.2-3.4mm,拉坯速度為30-100m/min,主要取決于澆鑄厚度。值得一提的是,為了獲得理想的表面粗糙度,生產更薄的鋼帶,PoStrip?的兩個IRM機架可進行獨特的連軋,在改進了連鑄穩定性之后,可在每爐最多7個鋼包的正常條件下操作。

浦項鋼鐵公司利用薄帶連鑄工藝的特點,開發了特殊的不銹鋼鋼種,如:高碳(≥0.4wt%)馬氏體不銹鋼,含有的部分粗大初生碳化物由于快速凝固,在鋒利刀片上剝落。由于可以避免粗大碳化物析出,產品具有良好的硬度和抗腐蝕性能,可用于刀片、手術刀以及廚房刀具等。

PossSD(POSCO Super Ductile Duplex)是一種高氮(≥0.2wt%)雙相不銹鋼。采用傳統連鑄工藝生產PossSD是非常困難的,這是因為在從凝固坯殼脫氮的過程中形成了孔洞,與之相反,薄帶連鑄工藝則可通過快速凝固生產PossSD,而且脫氮時間可更短。PossSD產品的耐腐蝕性與304不銹鋼相當,延伸率約為40%,具有較高成形性。而且,由于具有鐵素體相,PossSD材質的炊具可具有感應加熱的功能。另外,較高的屈服強度(≈450MPa)為輕量化應用,提供了絕佳的解決方案,例如液晶顯示器的結構框架。

快速凝固也有夾雜物的特征。由于冷卻速率高,使得夾雜物生長的時間更短,因此,與傳統工藝相比,薄帶連鑄產品的夾雜物更細。除了尺寸更細小,夾雜物的熔點也更低,而且在成形過程中可以輕易變形,這是非常有益于超薄鋼帶產品的生產。正因為這些優點,PoStrip?304i材質的注射針頭顯示出了較高的延性,并獲得了客戶的品質認證。

超薄熱軋鋼帶(1.2-2.0t)很難采用傳統熱軋工藝生產,但可采用薄帶連鑄工藝生產,采用超薄熱軋鋼帶可以減少冷軋和退火熱處理的軋輥孔型設計,由此可降低生產成本。而且,沿著寬度方向,PoStrip?產品的鋼帶凸度更低,這有助于提高產品產量。因此,采用PoStrip?工藝生產的薄帶非常適用于精細化產品。


7.結論

本文中,根據拉坯速度和板坯厚度,板坯連鑄工藝可分為五類。基于浦項鋼鐵公司在不同連鑄機上的操作經驗,對每類工藝的技術情況進行了分析。

由于生產效率高,同時進行了質量改進,傳統的板坯連鑄工藝得到了廣泛應用。拉坯速度為0.4m/min的厚板坯連鑄工藝一直用于生產厚板坯,可改進產品內部質量,滿足厚板產品的需求。拉坯速度為0.05-0.2m/min的超厚板坯半連鑄工藝開發的最終產品,厚度可達233mm。市場對高強薄規格熱軋產品的需求,加快了浦項鋼鐵公司薄板坯連鑄和無頭軋制工藝CEM?的發展。與現有的薄板坯連鑄工藝相比,一種新型的薄板坯連鑄機產量可翻番,還可以在無頭軋制模式下,生產超薄低碳鋼、HSLA、AHSS、高硅鋼的薄帶產品。浦項鋼鐵公司的雙輥薄帶連鑄工藝PoStrip?,拉坯速度最高為100m/min,通過快速凝固和無粉末澆鑄,可生產超薄高附加值產品。

近年來,浦項鋼鐵公司緊跟鋼鐵市場發展趨勢,采用不同的連鑄工藝,構建了完善的鋼鐵產品生產體系,與此同時,自主開發的新連鑄技術,可以生產出高質量的新產品。

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