洁净钢技术与工艺简介(三)
时间：2014-10-14 06:10 来源：钢铁技术 作者：admin 点击：次
8 结晶器内流动控制
钢水在结晶器内的流动极大地影响着钢水在结晶器内的被污染程度和夹杂物在坯壳内的滞留情况。也就是说，从浸入式水口排放出来的钢水撞在坯壳的窄面上，产生向下流进铸坯和向上流向弯月面的两股钢水流，诱发了扰动，如弯月面液位波动、夹渣和向下的钢流阻碍夹杂物上浮问题等。这一现象基本上是由于浸入式水口的出流在时间和空间上的不均匀造成的。另一方面，为防止非金属夹杂物滞留在坯壳内，在弯月面附近又需要一定程度的界面流速。该部分文字从结晶器内钢水流动控制技术的角度描述了弯月面液位控制、防夹带保护渣技术、电磁力应用等技术的现状。
8.1 弯月面波动与控制
弯月面液位波动不仅造成了诸如漏钢等生产上的问题，还严重影响铸坯质量。确切地说，当弯月面波动加剧时，板坯近表面非金属夹杂物增加，导致钢材表面缺陷加重。更有报道称，用EPMA分析时，在三分之一的表面缺陷样本中检测到了结晶器保护渣。从这些事实出发，就必须尽可能精确地控制弯月面液位波动，因此开发出了许多这方面的技术。
液位传感器的侦测精度、浇注设备的响应速度和控制系统的特性决定了液位控制的精确性。控制模式的基础是根据液位传感器输出值的变化和拉坯速度，并将其反馈回或传递给控制系统来控制滑动水口或塞棒的打开，从而控制中间包向结晶器的钢水流量。至于测量弯月面液位的传感器类型，x射线法和热电偶法早在80年代以前就已广泛使用。磁铁型是在80年代才开始推广的。至于浇注设备，虽然塞棒使用到了70年代中期，但经改进的滑动水口系统在板坯连铸机上更常见。原因在于它的流量与滑板打开时间的线性度高，且滑动水口系统驱动硬件的机械可靠性也高。然而，在近几年，从稳定钢水出流和在浸入式水口内的流动以及消除滑动水口密封等问题的角度出发，人们开始重新认识结合了镶嵌式浸入水口的塞棒控制模式。液位控制的基础是根据液位传感器的信号和拉坯速度对滑动水口或塞棒的打开进行PID控制。然而，由于对质量要求的愈发严格和连铸连轧技术的进步，开发了额外的弯月面液位控制技术来应对浇注设备导致的钢流波动、鼓肚造成的弯月面波动和高拉速下弯月面扰动带来的液位波动等问题。
弯月面传感器的发展似乎已到了极限，近一段时间几乎看不到技术进步。努力改进集中在了提高浇注设备精确度、工艺自适应控制和处理工艺扰动的H∞控制与人工控制等领域。自从主驱动系统从电机类型转换到液压类型，机械系统的精确度得到了极大的提高。为应对工艺的波动和扰动，当有可能要出现严重扰动时，将正常生产条件下的自适应控制切换到基于现代控制理论的控制模式是非常重要的，如H∞控制。
最近有报道称开发成功了一种新控制系统，它结合了混合致动器与塞棒控制，获得了高拉速下良好的弯月面稳定效果。混合致动器是中间包塞棒的驱动单元，它的液压缸和液压泵结为一体，缸和泵间的管道非常短，重量轻且尺寸紧凑，故具有非常好的机械响应特性。
8.2 保护渣的卷渣
现已清楚，保护渣夹渣是造成产品缺陷的一个诱因，因为在许多产品缺陷中，如冷轧薄板的剥片和厚板的UST缺陷，常常能检测到保护渣成分。据报道，60％的超低碳钢表面缺陷的根源都是保护渣。
主要通过结晶器内的流动控制预防夹渣。保护渣物理性质的影响是很大的，浇注中使用少量氩气也能有效地防止夹渣。结晶器流动控制的基础是对出流钢水在弯月面附近的表面流速进行控制，因此，虽然电磁力技术能有效控制钢水流动，针对不同浇注条件选择最佳的浸入式水口形状与浸没深度仍是重要的。若防止卷入的保护渣被坯固壳捕获，重要的是确保弯月面温度在一个最佳范围内和具有适度的流动。报道称，确保弯月面处有足够的渣层厚度和保温性能可有效地保证弯月面有足够的温度。
在实际的浇注中，粘度的影响是很大的。采用高粘度保护渣后，冷轧薄板的表面缺陷明显下降，但随着粘度的提高，保护渣消耗下降，导致了严重的润滑问题。为解决这个问题，开发出了高粘度低熔点保护渣，由保护渣消耗下降造成的非金属夹杂物缺陷大幅下降。
氩气泡在弯月面附近破裂造成卷渣，虽然减少氩气流量有望能减轻卷渣，可一旦氩气流量下降，就更有可能形成氧化铝结瘤或水口堵塞。另一方面，用无碳水口能很大程度的降低卷渣造成的产品缺陷，这种水口抗氧化铝结瘤性能良好。
8.3 电磁场
应用电磁力控制钢水在结晶器内的流动开始于1985年。开发出的各种技术普遍为板坯连铸机采用，其中包括电磁制动和电磁搅拌。控制钢水流动的方法分为使用交流电的交变磁场和使用直流电的静态磁场。
交变电磁场法是在结晶器两宽面上布置有两极或多级的感应线圈，将交变磁场强加给结晶器内的钢水。采用这种方法的代表性技术是EMS(结晶器电磁搅拌)、EMLS(电磁液面稳定)和EMLA(电磁液面加速)。EMS的感应线圈布置在结晶器上半部，弯月面区域的钢水被强制进行水平方向的环流。EMLS和EMLA的感应线圈布置在浸入式水口的出流股附近，出流可根据浇注状况进行加速(EMLA)或减速(EMLS)，以获得最佳的钢水流速。EMS的作用是洗去凝固前端的非金属夹杂物，防止它们被困在凝固的坯壳内。EMLS和EMLA的作用是优化沿窄面向上和从窄面流向中心区这两种钢水流的流速。通过控制加速或减速模式的电流，就能控制弯月面处的钢水流速，使其达到最佳状态。
当静态电磁场垂直作用在钢流时会感生制动力，也就是说，当导电的流体在静态磁场中移动时会产生感应涡流。感应涡流与静态磁场相互作用，生成制动力，反向作用在流体上。该方法分成三大类，即局部电磁场型(EMBR)、均匀电磁场型(LMF或EMBR Ruler)和两段式磁场型(FC Mould)。EMBR是最早引入的方法，在降低钢水流速方面获得了一定的成效，但相当有限，因为在浸入式水口附近磁场强度较弱，有时会产生强大的钢水流，强大的向下钢流造成弯月面波动加剧、非金属夹杂物数量上升和气孔缺陷。LMF和FC Mould用电磁力覆盖了整个结晶器宽度，使EMBR的这个问题基本解决。
LMF(平面磁场)以静态磁场为特征，位于浸入式水口下方，覆盖了整个结晶器的宽度。报道称，在实际浇注中使用0.42T的磁通量，降低了下降钢流的穿透深度和偏流程度，提高了弯月面温度，其结果是成材的UST缺陷得到显著改善。
FC Mould(控流结晶器)有两个静态磁场。其中一个作用在弯月面处的钢流上，用来压制表面湍流。另一个作用在浸入式水口出流口下方的钢流上，目的是在结晶器下半部获得均匀的下降流。另外，上下两个磁场在两侧面用铁轭相接，绕着结晶器形成单一的磁路。由于两个磁场都覆盖了整个板坯宽度，故电磁制动力沿着结晶器宽度均匀分布。FC—MouldⅡ已开发成功，它能独立控制上下两个磁场，使得板坯表面和内部的非金属夹杂物数量级得到改善。
近几年就弯月面附近应用电磁挤压力展开了基础性研究，目的是在降低表面缺陷上进行最终的改进提高。在实验室内进行了小方坯和大板坯浇注实验，结果表明，除表面粗糙度急剧下降外，近表面非金属夹杂物显著降低。
结晶器电磁搅拌M-EMS广泛的用在了小方坯和大方坯连铸上，来提高铸坯内部质量。然而，当钢水供应充足时，为提高内部质量在弯月面附近的搅拌就会超出正常量，会造成溢钢、纵裂纹、表面脱碳和水口侵蚀等问题。为解决这个问题而开发了双线圈M—EMS。
l0年间，人们开发了许多技术来解决产品质量问题，满足生产操作上的需要。很多技术越来越复杂，似平快到了它们的极限。从上述技术趋势看，很明显，以实现最高质量、最低成本为目标，还有进一步的改进空间。将要解决的重要问题是生产效率与质量的协调问题，关键环节是浇注系统和弯月面控制。其中，结晶器内的流动控制将是最重要的一个细节。
在评估连铸坯洁净度方面，不仅仅是非金属夹杂物的数量，夹杂物的分布同样重要。尺寸在50μm以上的宏观夹杂物在钢水中可自由移动，同时受钢流和浮力的影响。正是由于这个原因，在弧形连铸机铸坯的上表面形成了夹杂物带。
洁净度分析表明了吸氧是在浇注钢流上发生的，吸入的氧越多，夹杂物的数量就越多。对中间包总氧浓度的检测表明，在开浇阶段存在严重的二次氧化。中间包氧含量在开浇时为40ppm，随着浇注的进行而下降，到第一包终点时达到13ppm。问题是，经Ca处理的钢水结瘤有可能造成水口堵塞能否通过陶瓷材料解决。在几个铸流上安装氧化铝—石墨质(黑)和不定形硅质(白)水口。白水口的侵蚀严重，铸坯污染相当严重。
水模型流动实验引起了人们对中间包流动控制优点的注意。其它的水模型实验提出了可适度修改浸入式水口的几何形状。窄水口使液态夹杂物絮状沉淀明显减少，狭窄的截面对氧化物的堆积是非常敏感的。只有在氧化物含量极低的情况下才有可能浇注非钙处理钢。从长远看，为提高洁净度而降低连铸产量不是一个令人满意的方法，这是以降低生产效率为代价的。很明显，SEN40宽水口夹杂物的数量是SEN22的4倍以上。
氧化物洁净度的重要标准是用数量和尺寸描述局部分布。对此，大表面式样的金相评估是尤其适用的方法。夹杂物尺寸可非常精确的确定到25μm以下。用定量金相法对纵截面的夹杂物尺寸分布进行了研究。只有直径在41μm以上的宏观夹杂物纳入了统计评估。正常情况下的铸坯是清洁的，上下两面基本相同。大型夹杂物的运动机理几乎不起作用，没有45μm以上的夹杂物。当减小临界值时，夹杂物数量上升。夹杂物带的形状是铸坯沿连铸机弧形路径运动的结果。首先，远离边缘的地方夹杂物数量下降。此时，铸坯仍停留在结晶器内，夹杂物可以上浮到弯月面处。夹杂物带主要是距表面约30mm的位置上的高浓物质，形成沿铸坯运行轨迹的弧形剖面。由于大型夹杂物上浮得更快，当降低临界尺寸时，渐增的最大值向外侧少许移动。底面更干净，而上表面更脏。
宏观洁净度是用大型不常见夹杂物定义的。因此，检查大表面区域是必要的。乳化炉渣的尺寸介于25～160μm。MIDAS测定给出了宏观夹杂物的数量和分布。对于高级扁平材，如DWI、超低碳钢和IF钢等，在不考虑铸坯内夹杂物类型、形态、尺寸和位置时，这个系统是有效的。夹杂物带只在铸坯离开垂直区后才形成，夹杂物聚集在一起，有清晰的轮廓。
气体保护系统用在了连铸机上，可将二次氧化降到最低或完全消除。今天我们使用大型中间包，因为其钢水存留时间长，夹杂物有足够的时间上浮分离。对钢水内夹杂物的频谱研究表明，尤其是在中间包和结晶器内，已除掉了较大的夹杂物。中包堰、坝能适当的改变流动方向，有助于提高洁净度。
拉坯速度与去除夹杂物的需要正好矛盾，因为颗粒在朝着液相穴终点方向上传输得更快。分离条件与几何尺寸紧密相关。通过降低钢流的穿透深度，可在某种程度上消除弧形连铸机的缺点，为此，开发出了电磁制动。
对大板坯进行了大量测试，证实了不对称的存在，这是由浇注时的跃迁和异常导致的。这一现象的原因必须在工艺技术中查找：结晶器内的单侧流、滑动水口的节流、叉形浸入式水口两侧冒出的氩气量不均衡等。使用浸入式水口和结晶器控流后，氧化性夹杂物更易聚集在窄面上。向浸入式水口添加氩气后，如果浇注的截面很小，氩气泡会紧贴着坯壳上升，导致气泡偏析。因此，在浇注小尺寸铸坯时，吹氩不是通行的操作。过度降低浸入式水口的浸没深度是非常有害的。在结晶器内形成射流和过度湍流对各种生产情况都是不利的。原则上，小直径浸入式水口具有提高质量的潜力。成熟的钢包冶金技术和铸流、钢包、中间包和结晶器的气体保护是实现洁净度的绝对先决条件。
可用先进的感应测量系统来研究结晶器内的钢水流动，即MFC结晶器。MFC在结晶器宽面安装了4个传感器，测量点选择在弯月面附近和浸入式水口主出流口附近。
10 确定钢中氧化物洁净度的方法
对于宏观洁净度，其任务是在工艺早期检测出有害现象，确定宏观夹杂物在材料中的位置。在工厂随机检查的基础上，这个统计概率是很低的。在炼钢最早阶段检查洁净度的可靠方法仍然是人们所期待的。某些钢种以及与此相关的应用中，要求非常高的洁净度。钢洁净度是由非金属夹杂物总量确定的，即他们的数量、尺寸、形状、成分和分布等。尺寸分布是一个特征值，它的测定是个统计学上的难题。重要的评判标准是发现较大夹杂物的概率，它们在统计中极少出现。检测宏观夹杂物不会带来什么困难，至于宏观夹杂物，要求大测试量或至少巨大的测试面积。对传统方法的评估表明，在确定宏观夹杂物方面还缺乏创新性的概念和思想。
经典化学法属于残留物分离法。取10kg样钢，用电解熔化，排出或滤出大于50um的夹杂物。金相观察法通常用在轧制的半成品、棒材和管材上。必须强调的是，因为受检区域太小且宏观夹杂物太不常见，只有少数几个步骤的传统递减车削测试不能满足极其严格的要求。也可以用光谱分析确定非金属夹杂物。氧化铝可以用脉冲幅度鉴别法或峰值累积法确定。光谱分析法表明钢水洁净度是可评估的。尽管电子仪器能提供自动图像分析和—些辅助，但仍受限于测量面积不足的统计学问题。因此，相关系统瞄准了微观洁净度，尤其是硫夹杂物，它们只有几个微米。
非破坏性物理法一般用在成品上，使用范围有限。主要的测量原理有x射线照相、显微射线照相或自动射线照相，和利用声波反射或传播性质的超声波检查法。磁性粒子法用来处置冷轧薄板、用于冲压的镀锡板、铁质饮料包装等。在线超声检查系统已在热带和中厚板的生产中使用多年，能跟踪的临界缺陷长度为>8mm／<30mm。
MIDAS是一种确定宏观洁净度的检查方法。铸坯的截面切片与运动方向垂直。夹杂物带沿着拉坯方向紧密排布，夹杂物之间仍紧密接触。试样重25kg，被测试的板厚度为13mm。对于弧形连铸机铸坯，夹杂物在顶面积累，故只对有夹杂物带的上半部分进行了超声波检查。这种宏观氧化物洁净度的测量方法的可复现性得到了验证。
人们认为短流程钢厂能有效地降低生产成本，它们可以将两个或更多的连续的工艺直接相连或者合并。各种薄板坯热连轧技术被开发出来并投放市场，其数量增长迅速。短流程钢厂迅速发展的主要原因是投资成本低，但其生产的产品大部分局限于普通品种上。这主要是因为在废钢中残余元素的控制上、在表面质量优秀的热带的生产上存在着困难。本节涉及了薄板坯连铸或带钢连铸产品的特性，为了简便，称之为短流程钢厂产品。。
获得无表面缺陷热带的关键因素之一可能就是控制钢中氧化物夹杂。为提高热带质量人们付出了诸多努力，用纯铁替代废钢，强化对炼钢、连铸和除鳞的控制能力等。同期，还引入了使用转炉的短流程钢厂，希望能生产出质量更好的钢材。尽管短流程钢厂有种种限制，各公司仍在经营短流程钢厂。这种技术的应用有望在不远的将来被不断的扩展。
短流程钢厂为了保持竞争力就要提高钢的氧化物洁净度。然而，有关小钢厂钢材氧化洁净度的现状与未来的可用数据并不多。本次调研使用的数据主要来自POSCO的光阳厂。表明电炉钢产品的总氧含量、氧化物夹杂的尺寸都比传统的转炉—大板坯连铸高得多。钙处理经常导致不可变形夹杂物的出现，但这是短流程钢厂获得良好浇注性能的先决条件。这就造成其产品的应用限制。在目前的这种状态下，短流程钢厂的优质铝镇静钢和冷轧薄材极有可能存在洁净度问题。虽然仅做了数量有限的实验室规模的试验，但对于厚度在lmm以上的冷轧板，与铝酸钙有关的表面缺陷数量并不明显，这暗示了电炉钢厂生产的钢材可以作为更高质量的产品。然而，最终的使用还要由经验确定。现急需进行深入研究，不仅要改善氧化物夹杂的性能，还要评估它们的性质。Morihiro Sumida进行了补充研究，针对带钢连铸工艺及它们对氧化物洁净度的影响进行了分析。
