浦项开发出创新性连铸保护渣加渣技术

 

浦项钢铁公司已经开发出汽车用高锰TWIP钢冷轧板，并成功用于试制部分汽车零配件。尽管如此，TWIP钢所添加的大量合金元素，导致其很难顺利进行连铸工序。在AHSS钢的连铸过程中，保护渣与铝、钛等合金元素会发生化学反应，进而明显改变结晶器保护渣的物理性能。

 

通常，在结晶器保护渣体系中，通过减少SiO2，同时增加Al2O3或TiO2，提高结晶器保护渣的黏度和结晶温度，这会降低结晶器的润滑性，进而造成铸坯表面质量下降。导致TWIP钢连铸性能变差的主要原因如下：

 

1)TWIP钢的液相线温度约为100 K，低于普通低碳钢。如果假设结晶器保护渣的化学性能相同，在TWIP钢连铸过程中，结晶器保护渣有效黏度通常是普碳钢连铸时的2-3倍。因此，在TWIP钢连铸时，由于化学反应造成黏度增加，非常不利于润滑。

 

2)由于锰、碳和铝等合金元素含量高，TWIP钢的糊状区也远大于普碳钢。尽管TWIP钢也属于高碳钢，但由于锰含量高，因而也呈现出不规则的凝固行为，这与包晶钢类似。因此，由于结晶器保护渣性能不稳定，造成结晶器热传递不均匀，从而产生各种表面裂纹，甚至导致连铸TWIP钢板坯的漏钢。

 

考虑到TWIP钢的这些特点，为了顺利进行连铸操作，必须确保结晶器保护渣的物理性能尽可能稳定。之前已经有报导称，为连铸高铝AHSS钢，设计了结晶器保护渣化学成分的优化方案，即控制CaO/SiO2，Al2O3/SiO2的比率，或控制助流剂的用量。尽管如此，由于结晶器保护渣与AHSS钢中铝的化学反应，CaO·SiO2系结晶器保护渣的黏度也会增大。表明采用传统的CaO·SiO2系保护渣，很难为TWIP钢设计完美的结晶器保护渣。也有学者尝试开发CaO·Al2O3系结晶器保护渣，有望在连铸任何AHSS钢种时，呈现出更为稳定的化学性能。因此，为了实现成功连铸，应该选择枪晶石(3CaO-2SiO2-CaF2)以外的、更为合适的晶体，不过，为连铸TWIP钢开发CaO·Al2O3系结晶器保护渣，依旧是个不小的挑战。

 

为了提高连铸生产效率，改善铸坯表面质量，基于熔融保护渣加渣技术，浦项钢铁公司开发了一项全新的连铸工艺。在该工艺中，熔融保护渣被加入到连铸结晶器中，用于促进钢液弯月面保温，进而改善凝固坯壳与铜结晶器之间的润滑性。本文将总结TWIP钢在中试和实际连铸机上进行连铸的应用结果，旨在将其与传统结晶器保护渣的技术性能进行比较。

 

1 POCAST技术特点

 

TWIP钢之所以备受关注，主要是因为目前全球对汽车安全和燃料消耗的法规日趋严格，需要汽车板用钢兼具高强度和优秀的成形性。为了提高均匀拉伸性，同时避免出现延迟开裂，TWIP钢的铝含量通常大于1%，如图1所示。

 

在不含铝的TWIP钢中，很容易出现严重的延迟裂纹，不过，合金元素含量更高，特别是铝含量高，会导致铸坯产生表面缺陷。在TWIP钢连铸时，钢中的铝成分会与结晶器保护渣中的SiO2发生剧烈反应如式(1)。因此，结晶器保护渣的黏度和温度都会显著提高，这会明显降低结晶器的润滑性。

 

3(SiO2)+4[Al]=3[Si]+2(Al2O3)(1)

 

因此，在TWIP钢连铸时，确保结晶器与弯月面的凝固坯壳之间有足够的渣膜渗透性是最为重要的。近期，一项名为POCAST(POSCO’s Advanced Casting Technology)的创新型连铸工艺，已经用于提高结晶器的润滑性，同时改善板坯的表面质量。

 

POCAST工艺如图2所示，在调节化学成分和温度之后，熔融结晶器保护渣持续加入结晶器顶部表面，而且在结晶器顶部表面，安装了一个保温罩，用于防止钢水和熔渣池热辐射的过度释放。

 

首先，应用POCAST工艺，可以扩大弯月面结晶器渣膜的渗透通道，这有助于在连铸过程中，提高结晶器保护渣的消耗量。新工艺中，弯月面结晶器渣膜如图3所示。可以看出，在传统连铸过程中，靠近弯月面的渣圈，限定了结晶器保护渣渗透通道的宽度。采用POCAST工艺时，在连铸结晶器外部，发生了整个熔融反应，这样就可以阻止弯月面在连铸过程中形成任何渣圈。渣圈消除后，渗透通道得以扩大。采用POCAST工艺时，连铸速度为1.6m/min，弯月面的结晶器渣膜厚度约为1.2mm，正好低于弯月面，相较传统连铸工艺的估计值，高出了约50%。由于通道宽度变大，结晶器保护渣消耗量也随之增大。渣膜扩大对结晶器热传递会有显著影响，尤其是在弯月面附近。一般来说，在低于弯月面45mm处，可以实现结晶器的最大导热率。

 

结晶器的最大导热率如果更高，坯壳就容易出现更多的不规则凝固，进而在连铸坯出现更多的表面裂纹。因为低于弯月面的结晶器最大导热率，对板坯的表面质量有最为重要的作用，将结晶器导热率的最大值与平均值之间的比率，作为衡量连铸结晶器热传递均匀性的指标。与传统连铸工艺相比，新工艺的结晶器热传递更为均匀，新工艺中，最大值与平均值的热通量比率为1.3-1.5，低于传统连铸工艺的1.8-2.3，这表明，保护渣渗透增强可以使得结晶器热传递更为平缓，也更为稳定。基于上述特点，为了改善连铸性和铸坯的表面质量，将POCAST工艺用于TWIP钢的连铸试验。

 

2试验结果

 

为了检验0.6 C-1.5Al-18Mn TWIP钢的连铸性能，在10t中试连铸机以及100t和250t的实际连铸机上，分别进行了一系列试验。

 

2.1中试连铸机试验

 

中试连铸机的连铸条件如表1所示。在中试连铸机的连铸过程中，为了测定结晶器温度，将128T型(铜和康铜)热电偶嵌入结晶器铜板。图4显示的是中试连铸机中，位于疏松面中心处，低于弯月面75mm的结晶器温度变化。在连铸速度达到1.0m/min的目标值后，温度曲线的间隔时间为5min。尽管结晶器保护渣的化学成分相同，但粉末渣连铸的结晶器温度波动高达50K，远高于POCAST的20K的波动值。

 

通常来说，粉末渣连铸过程中，连铸开始后的3-5min，结晶器热传递就会变得极为不稳定。即便是铸速已经从1.0m/min降至0.6m/min，粉末渣连铸的一些铸坯，均不能稳定结晶器温度波动。结晶器保护渣成分的变化，会导致结晶器温度剧烈波动。由于Al和SiO2的氧化还原反应，在粉末渣连铸中，结晶器保护渣的Al2O3吸附率接近25%，而POCAST工艺的Al2O3吸附率低于10%。POCAST工艺的结晶器保护渣消耗量为0.22kg/m2(如图5)，远高于粉末渣连铸的0.08kg/m2。考虑到Al2O3的吸附，黏度的突然增加，被认作是粉末渣连铸时结晶器保护渣消耗量减少的主要原因。

 

2.2连铸机实机试验

 

1)100t连铸机实机试验。

 

基于中试连铸机的试验成功，就有可能在实际连铸机上进行下一次试验。在钢水采用电炉冶炼和AOD精炼后，在一台单流连铸机上进行连铸，连铸条件如表2所示。

 

由于润滑性不佳，粉末渣连铸速度应该限制在0.9m/min，低于1.2m/min的目标速度。即使是连铸速度降低，粉末渣连铸的结晶器温度波动也达到了20 K，这远高于POCAST工艺。考虑到连铸速度的差别，结晶器的这种表现也可被看作是POCAST工艺提高了结晶器的润滑性。

 

2)250t连铸机实机试验。

 

如前所述，POCAST工艺在TWIP钢连铸方面性能突出，而传统粉末渣连铸方法在连铸方面有一定局限性。因此，在带有250t钢包炉的另一个连铸机上进行试验。考虑到传统粉末渣连铸工艺的连铸性差，只采用了POCAST工艺生产TWIP钢。连铸条件如表3所示。

 

利用吸入管在连铸操作过程中，对结晶器保护渣频繁取样，除了连铸长度为26.2m和27.7m的两种试样以外，SiO2减少、Al2O3增加的反应基本可以忽略不计，这与连铸长度分别为18.5m和29m，进行熔融结晶器保护渣加渣的人为中断和重新开始基本一致。

 

显然，如果采用POSCAT工艺，替代传统的结晶器保护渣技术，结晶器保护渣的化学性能变得更加稳定。铸坯表面呈现出周期性、稳定的振痕，这表明连铸过程中润滑性稳定。由于连铸性能好，所有铸坯直接送入热轧工序。

 

3讨论

 

3.1POCAST工艺的应用对结晶器保护渣成分稳定性的作用

 

通过TWIP钢的成功连铸，可以确认，应用POCAST工艺，可以显著改善铸坯的连铸性能和表面质量。因为采用POCAST工艺进行连铸操作，很容易控制结晶器保护渣的加渣量，当熔渣池深度维持在大于传统工艺操作水平时，就会出现稀释效应。熔渣池从顶部到底部有一系列层，亦即固态保护渣层、烧结层和熔融保护渣层，熔渣池深度主要由结晶器保护渣的游离碳含量所决定。

 

游离碳含量低，不仅会导致熔渣池深度更大，也会使得烧结层更厚。因此，由于烧结层厚度的增加，会形成不规则的大尺寸渣棒，为了避免这种情况的发生，结晶器保护渣的游离碳含量应该处在最佳的范围。结晶器保护渣通常含有2%-20%的自由碳，确保结晶器顶部表面的熔渣池深度最多为10mm。由此可见，在传统操作方法中，采用固态保护渣，氧化反应会降低整个熔渣池的流动性，与之相反的是，采用POCAST工艺，连铸过程中，熔渣池的深度可维持在30mm以上，这可以使得反应式(1)产生的Al2O3更快被稀释。

 

在高铝AHSS钢连铸过程中，有部分学者模拟了Al2O3的增加对结晶器保护渣黏度的影响。在不同的Al2O3/SiO2比率之下，研究合成渣体系的黏度，发现碱性化学成分与商用结晶器保护渣相似。这些保护渣的黏度，随着Al2O3/SiO2比率的增加而提高，这表明，Al2O3在结晶器保护渣中是作为一种酸性氧化物，而且结晶器保护渣中还含有CaO、Na2O、Li2O和F等成分。因此，在TWIP钢连铸试验中，通过POCAST工艺提高稀释效果，将有助于防止结晶器保护渣黏度的突然提高。

 

在POCAST连铸工艺过程中，通过增加熔渣池厚度，可以改善自然对流，进而稳定保护渣的化学成分，这也是另一大益处。类似熔渣池在结晶器顶部表面的平面层流体流动，自然对流的强度通常由瑞利数(Ra)所决定的。对结晶器保护渣熔渣池而言，Ra的表达式如下，

 

Ra=ρgβΔTD3/μα

 

(2)其中，ρ是密度，g是重力常数，β是热膨胀系数，ΔT是结晶器保护渣熔渣顶部和底部的温度差，D是熔渣池深度，μ是动力黏度，α是结晶器保护渣的热扩散系数。

 

随着Ra增大，重力作用增强，就会加快自然对流，产生冷/厚层的向下流动，热/薄层的向上流动。在式(2)中，Ra与D的三次方成正比，熔渣池厚度的增加，会显著加快自然对流。

 

传统连铸的Ra为509，熔渣池厚度为10mm，低于1700-2400的临界Ra(熔渣池出现自然对流)。与之相反，在熔渣池厚度为30mm时，POCAST工艺的Ra接近7950，在POCAST的操作中是最低值。

 

这表明，在POCAST操作时，很容易出现自然对流。总之，POCAST操作时，由于熔渣池深度增加，稀释效应和自然对流作用增强，结晶器保护渣也更加稳定。

 

3.2对保护渣消耗加快的作用

 

在POCAST过程中，结晶器保护渣的消耗量远大于传统连铸工艺。这是因为结晶器保护渣薄膜会改善润滑性和结晶器的热传递，尤其是在弯月面附近，归功于结晶器保护渣消耗加快，采用POCAST工艺，就可以改善铸坯的连铸性和表面质量。结晶器保护渣消耗增加的原因之一是POCAST过程中的保温效果，可以确保温度更高，靠近弯月面渗透通道的黏度也更小。

 

POCAST操作中，主要由通过液态熔渣池的辐射热传递产生热损失，保护渣的吸收系数提高或保温罩的反射率提高，都会降低热损失。POCAST工艺的保温效果优于任何采用保护渣的传统工艺。与传统工艺相比，在渗透通道的结晶器保护渣温度更高，这使得POCAST工艺的结晶器保护渣黏度更小。人们已经研究了黏度对结晶器保护渣消耗的影响，消耗量与黏度或黏度的平方根成反比，因此，POCAST工艺的极佳保温效果，可以通过提高结晶器保护渣温度加快保护渣的消耗。

 

POCAST工艺的另一大有利作用就是消除了弯月面的渣圈。在传统工艺中可以经常观察到渣圈，其主要成分是没有熔化的固态保护渣、半熔保护渣以及重新凝固的保护渣。在POCAST工艺中，没有渣圈出现，POCAST工艺的特点使得弯月面的渣膜厚度为1.2mm，比传统工艺试验的预估厚度高出50%。人们普遍认为，渣圈是阻碍渣膜向铜结晶器和凝固坯壳之间缺口渗透的要因之一。

 

为了详细研究弯月面渣膜厚度对结晶器保护渣消耗的影响，有必要同时研究沿连铸方向上的厚度分布和渣膜压力。尽管在液态渣膜厚度情况上，一直存在两种矛盾的机理，例如，沿着连铸方向增加或减小，毫无疑问的是，通过增加弯月面的渣膜厚度，可以加大结晶器保护渣的消耗。

 

因此，POCAST工艺在结晶器顶部表面的两大特征可以加大结晶器保护渣的消耗，首先是确保热的弯月面保温性能优秀，其次是通过消除弯月面的渣棒加大渗透通道，也会改善渣膜化学性能的稳定性。

 

3.3TWIP钢的工业化生产

 

TWIP钢的连铸试验成功，表明采用POCAST工艺可以显著改善铸坯的表面质量。如前所述，POCAST工艺的优点有助于TWIP钢的工业化生产。不过，尽管保护渣的化学性能有了显著改进，但仍有一些不足，例如，式(1)的反应本身只能通过保护渣温度或(和)化学成分的控制来实现，而不是操作方法的选择。熔融保护渣加渣装置的任何故障，都会直接造成TWIP钢的生产问题，因此，迫切需要通过开发更为稳定的结晶器保护渣体系(如CaO-Al2O3基)，用于抑制式(1)的反应，这将会是TWIP钢生产所需要进一步攻克的难关。

 

4结论

 

Fe-18Mn-0.6C-1.5Al的TWIP钢传统生产工艺，采用固态保护渣加渣方法，容易出现铸坯连铸性能差，表面质量不稳定的问题，为了解决这一问题，开发了一项名为POCAST的连铸新工艺，基于熔融结晶器保护渣加渣技术，采用不同连铸机进行试验，新工艺呈现出稳定的结晶器性能，改善了铸坯的表面质量。

 

1)在POCAST连铸试验中，Al2O3的吸附率控制在低于10%的水平，而传统的保护渣加渣工艺的Al2O3吸附率则达到了25%。

 

2)POCAST连铸试验的结晶器保护渣消耗量大于0.2 kg/m2，大于传统工艺的0.1 kg/m2。

 

3)POCAST工艺生产的TWIP钢铸坯呈现出周期性或稳定的振痕，传统工艺生产的铸坯则出现了严重开裂和不规则振痕等质量缺陷。

 

这些改善主要源自POCAST操作在结晶器顶部表面和弯月面的如下特点：

 

1)熔渣池深度加大，约相当于传统连铸工艺的三倍，有助于结晶器保护渣和钢水之间氧化还原反应产生的氧化铝更快被稀释。

 

2)POCAST工艺的Ra接近7950，远高于发生自然对流的、1700-2400的临界值，而传统工艺Ra仅为509。TWIP钢连铸操作时，自然对流的增强，将提升结晶器保护渣的化学性能。

 

3)通过熔融结晶器保护渣加渣，POCAST工艺在结晶器顶部表面的保温效果更好，在传统工艺中，结晶器顶部表面的热损失估计为68.6 kW/m2，远大于POCAST工艺的9.9 kW/m2。因此，POCAST工艺中，渗透通道的结晶器保护渣黏度小于传统工艺。

 

4)POCAST操作消除了弯月面的渣圈，弯月面的渣膜厚度变成1.2mm，比传统工艺高50%，这有助于加大结晶器保护渣的消耗。