连铸软压下提高钢铁长材质量

科技 2024-11-04 08:57 山东

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Mechanical Soft Reduction Technology for Increased Quality Demands in the Future Long Product Market

连铸软压下提高钢铁长材质量

连铸机机械软压下(MSR)是一种成熟的技术，用于提高铸坯产品的内部质量和宏观偏析水平，达到具有最高质量要求水平。紧凑的软压下MSR单元设计，先进的在线凝固和铸坯温度建模，以及在压下率和压下力的稳定性方面的最高精度，确保了基于实际连铸参数和工艺条件的完全高效和动态控制的过程。本文将深入了解最新的MSR发展，以满足先进应用对钢材不断提高的质量标准，满足最大生产灵活性和更大的轧制铸坯原料尺寸的需求，并重点关注可持续性发展。

引言

现代炼钢技术使钢铁制造商能够生产出性能更好、杂质更少的钢材，通过使用更清洁的原材料和改进熔炼、精炼和连铸工艺和设备，来提高钢产品的质量和保持其一致性。

先进的传感器和控制系统可以在钢铁生产过程中进行更加严格的过程控制，从而使钢铁的性能更加均匀和做到可预测。

国际标准和认证机构的建立促使制造商遵守更高的质量要求，以在全球市场上具有竞争力。世界各国政府一直在对基础设施和消费品的性能和安全实施更严格的监管，这反过来又要求更高质量的钢材。

汽车、航空航天、建筑和能源等行业对钢铁产品的性能要求越来越严格，促使钢铁企业提高质量以满足这些要求。

由于钢铁市场是全球性的，世界各地的制造商都在竞相以最具竞争力的价格提供最优质的材料，这推动了创新和质量的提高。

这些因素共同促进了钢铁质量的提高趋势，使工业能够生产更安全，更可靠，更高效的产品和结构。投资于质量改进的钢铁公司更有能力满足客户和监管机构的高标准要求，并在市场上保持竞争优势。

对于钢的连铸工艺，机械软压下(MSR)已经成为一种成熟的技术，可以提高各种大断面铸坯和各种铸坯截面形状(矩形、方形、圆形)的的内部质量和宏观偏析水平，提升钢铁长材产品质量。

钢的连铸和偏析

连铸已在很大程度上取代了模铸铸锭工艺，用于大规模的钢铁生产。在这个工艺过程中，钢水被倒入一个水冷的结晶器中，钢水在结晶器内凝固形成一个固态坯壳，这个坯壳带走内部钢水从结晶器底部引出，然后二冷段托辊支撑，引导铸坯通过一系列冷却区，直到它完全凝固。然后将完全凝固的铸坯(板坯、大方坯或小方坯)切割成一定长度以供进一步轧制加工。

在今天的钢铁工业中，连铸是占统治地位生产方式，因为它比传统的模铸铸锭工艺路线有许多优点：

l 与模铸铸锭相比，生产率和效率更高。

l 更高的钢水收得率，因为连铸过程很少切废，需要少的后续处理工序。

l 由于更好地控制凝固过程和减少缺陷的可能性，提高了铸坯质量。

l 可与电磁搅拌、机械软压下等先进技术相结合，减少铸坯中心偏析、疏松、中心缩孔，提高产品质量。

在钢铁工业中，偏析是指金属中合金元素、杂质或相的不均匀分布。这可能发生在钢的凝固过程中，当液态金属转变为固体时发生偏析。

有两种主要的不同类型的偏析：[1]

• 微观偏析：这发生在微观层面，通常在单个晶粒或枝晶内。这是因为合金中不同的元素在不同的温度下凝固，在液相和固相中具有不同的扩散系数。因此，随着凝固过程的进行，液体的成分发生变化，导致微观组织内成分的变化。

• 宏观偏析：这发生在更大的范围内，例如在连铸或铸锭的不同区域之间。它是通过固液相密度差、温度传热梯度、凝固收缩、重力效应和钢水流动来发生的。

疏松是指金属内部的小空洞或气孔，它们会削弱钢的性能，降低钢的抗疲劳性、冲击强度和延展性。

中心缩孔，也称为管缩或中心孔洞，是由于钢在凝固过程中体积减小而产生的。如果产品的中心最后凝固，就会产生空隙。中心缩孔是一个特别的问题，因为它们是一个内部缺陷，如果没有无损检测，就很难检测到。它们会显著影响钢铁制品的力学性能和完整性。

由于更均匀的组织结构减少了各种形式的偏析，以及疏松和中心缩孔形成的可能性，因此，大多数连铸技术的发展都是为了找到减少偏析的有效方法。

偏析会以不同的方式影响材料的性能，例如：

• 机械性能：拉伸强度、韧性和延展性可能会受到影响，因为金属内部不同区域在应力作用下的表现可能不同。

• 耐腐蚀性：某些元素的浓度可能导致局部腐蚀，这在要求均匀耐腐蚀性的应用中尤其成问题。

• 可加工性和可焊性：由于熔点和化学成分的变化，偏析会导致不一致的加工行为，并在焊接过程中带来挑战。

为了尽量减少偏析，钢铁制造商可以采用以下几种策略：

• 二次冶金技术，如真空脱气和钢包精炼可以帮助在连铸前均匀化钢的成分。

• 控制凝固过程中的冷却速率。

• 电磁搅拌技术用于凝固过程中来搅拌其内部的钢液，以促进更均匀的成分。

• 机械软压下。

机械软压下与市场趋势

MSR包括通过沿连铸机拉矫机辊施加控制量的变形(即压下)，其铸坯中心部位仍然是糊状的(部分固体和部分液体)，而外表面部分已经是固体，小心地压缩钢的内部糊状区域。[2]

机械软压下的主要优点包括：

• 改善内部质量：MSR有助于减少中心偏析和疏松率，从而使合金元素分布更均匀，减少内部缺陷。

• 提高机械性能：通过提高铸坯半成品的内部质量，最终钢产品的强度、延展性和韧性等机械性能也得到了提高。

• 提高产量：通过降低内部缺陷的严重程度，MSR允许更大比例的连铸半成品铸坯用于高质量应用，有效提高优质钢产品的钢水收得率。

• 成本效益：虽然MSR在连铸过程中增加了一个步骤，但质量的提高可以通过减少下游加工、质量控制和潜在的次品拒收来节省成本。

• 灵活性：MSR可以根据连铸条件和钢种进行调整，使其成为提高各种钢产品质量的通用工具。

在过去的二十年里，MSR在钢的连铸工艺中取得了重大的发展。虽然MSR最初是为连铸板坯而设计的，但它随后也被应用于长产品连铸坯上，从立式连铸机和弧形连铸机的大断面矩形坯或方形开始，见图1~图3。下一个发展是成功的在圆坯连铸上引进MSR工艺。

图1 在中国，采用柔性引锭杆对非常大的圆截面(φ700-φ1200mm)进行机械软压下(MSR)的实例

图2 中国使用柔性引锭杆的矩形坯连铸机(325 x 380 mm)的MSR示例

图3 在美国的一个大断面矩形坯(430 x 610mm)立式连铸机上的MSR示例

MSR在小方坯中的应用虽然在2000年代在欧洲率先出现，[2]但直到最近才最终被全球市场上的钢铁生产商所接受。钢铁制造商现在可以使用软压下生产出质量更好或同等质量铸坯，相当于传统的工艺使用大方坯二火成材轧制的钢坯。

这些相对缓慢的发展是由于许多因素造成的：钢铁制造商的保守思想使然，事实上MSR被视为一种新的技术，并且很少有公开的数据可以得出独立的结论，从工艺的角度来看，小方坯使用MSR更为复杂，主要是由于更高的连铸拉速所致(与大断面矩形坯方坯相比)导致铸坯临界应变率和应力增加。

采用不同的技术克服了与工艺相关的问题：更精确的在线凝固模型；拉矫机间的间距更小，允许在许多点之间分散所需的总压下量；更精确的位置测量传感器;以及更好的控制软件算法。从市场方面来看，随着越来越多的大方坯制造商公开报道MSR的好处，小方坯制造商也开始对这项技术产生兴趣和信心。

如今，MSR技术已成为任何类型的高性能铸坯连铸机的标准配置，无论铸坯的截面形状如何(矩形，方形，圆形，小方坯或大断面铸坯)。见图4~图5。

图4 中国180×180mm小方坯连铸机使用柔性引锭杆的MSR示例

图5 中国210×210 mm小方坯连铸机的MSR示例，该连铸机是刚性引锭杆

MSR的实施需要对连铸工艺进行精确的设计、控制和监控，因为在每一拉矫辊压下应用的时间和压下量对于达到预期的结果而不造成表面或内部缺陷或其他问题是至关重要的。

MSR与复杂的工艺过程控制系统高度集成，利用实时数据优化压下工艺。这包括使用传感器和计算机模型来密切监测钢的铸坯内部的凝固情况，并在精确的时刻和位置上应用软压下。

SMS集团不断改进MSR技术，包括更好地了解凝固工艺过程，开发更精确的传感器和建模技术，以及探索MSR在大断面铸坯厚度和钢种方面的限制。

随着对高质量钢材需求的增加，特别是汽车、能源、重型机械工程、造船钢板和其它对钢材内部质量至关重要的应用，MSR被视为满足这些要求的关键技术。钢的趋势是具有更高的强度和韧性，而重量更轻，而MSR可以帮助实现这些特性。

此外还有环境方面的考虑，因为通过MSR提高产量和质量有助于更有效地利用资源和能源，这符合钢铁行业走向可持续生产实践的趋势。

MSR连铸设计注意事项

钢铁生产商经常要求铸坯许多不同的截面尺寸和/或形状，要求在同一台铸造机上应用MSR工艺技术。这可能会或可能不会与电磁搅拌技术一起实现，并使用刚性或柔性引锭杆，有或没有厂房建筑高度或其它物流相关限制

所有这些要求和限制有时会对任何机器制造商提出有趣和困难的挑战，以提供一个完善的连铸机设计和工艺体系结构。

而对于生产中型和大型断面铸坯的连铸机，使用柔性引锭杆往往是最后的选择，允许更灵活的连铸设计。对于小方坯连铸机，刚性引锭杆通常是首选的解决方案，导致紧凑的连铸机设计，更短的送引锭复位时间和更高的机器使用效率。

这个最初的，看似无害的，所以机械类型的决策可能已经对MSR工艺本身造成了一些限制，特别是当应用于连铸拉速相对较高的小方坯。

为了有效，铸坯的压下过程需要沿着连铸机拉矫机在特定位置进行，最后的MSR拉矫机模块靠近冶金凝固点的末端。对于弧形连铸机，这个位置往往是在连铸机半径和水平线的切点上，在拉矫机群的水平部分进行矫直铸坯。这种设计有利于布置MSR模块，有利于拉矫机群的安装和维护。缺点也是明显的，只能使用柔性引锭杆。对于刚性引锭杆，由于机械系统的力学约束，MSR拉矫机群的布置在弧形上只能安放少数的拉矫机。

从工艺的角度来看，对于给定的截面尺寸和钢级组合(当必须使用全部MSR潜力时)，这可能会对最大的连铸拉速给予一些限制，因为铸坯最终凝固必须发生在最后一个MSR模块之前。对于柔性引锭杆系统，这种限制是不存在的，因为可以在水平段上布置更多的拉矫机模块，允许更高的连铸拉速。

对于具有刚性引锭杆具有MSR功能的连铸机，连铸机基本半径(以及所有可能的相关考虑因素，如厂房建筑高度、矫直区域内铸坯表面温度、内部和表面矫直弯曲应变)和连铸流数总数(以确保所需的生产率)可以在设计中产生差异，因为大多数拉矫机模块将位于连铸机的曲线段和水平段部分，必须始终保证易于维护。

MSR拉矫机间距考虑因素

MSR拉矫机模块数量的选择通常是预期性能、生产灵活性、经济性、维护和机械考虑之间的微妙妥协，其中拉矫机间距起着关键作用。

如前所述，为了有效，MSR布置必须沿着铸坯运行方向增加一定的长度，目的是对收缩铸坯内部进行压下，由于钢种不同其铸坯内部的收缩也不同，所需的总压下率很大程度上取决于钢的化学成分。然而，由于这种压下必须从较冷的铸坯外部表面进行，因此实际的总压缩量大于铸坯实际的体积收缩量：传递到铸坯中心的压下量与施加的外部压下量之间的比率是MSR效率因子，随着温度和外壳厚度的变化，该系数随拉矫机模块位置的变化而发生改变。

显然，铸坯截面尺寸越大，总压下量越大。问题是，如果通过使用几个拉矫机模块(它们之间的间距较大)来完成这种总压下量，那么每个拉矫机单道次的压下就会变得很大，铸坯内部无法适应从而导致内部裂纹的发生。另一种情况是，在一对拉矫机辊子到下一对拉矫机辊子之间，偏析可能会再次形成，或者因温降造成所需的轧制压力和扭矩变得如此之高，以至于要求拉矫机模块设计变得过大，甚至可能在有限的空间内无法容纳这些设备。

理想情况下，总压下量应该通过连续压下铸坯来实现，这种情况只能通过使用更多的小节距拉矫机近似地实现。实际上，经验表明，这种近似实现多台紧凑拉矫机压下对于小方坯连铸来说比大方坯更重要，导致不同的MSR模块设计具有不同的节距(对于小方坯来说间距要小，大断面连铸机间距可以大些)；如果拉矫机间距太小而不能单独布置，则可以将多个拉矫机集成到一个更紧凑的框架中。见图6~图8。

图6 为小方坯软压下而设计的紧凑3机架模块，小间距的拉矫机

图7 生产中型断面铸坯单模块拉矫机

图8 生产大断面铸坯的双机架模块，大间距拉矫机

MSR连铸机操作

一个设计布置适当的带有MSR功能的连铸机本身并不足以保证预期的产品质量。如果MSR没有正确应用，希望的良好的结果仍然可能被破坏。具体来说，对于每一种钢种(即化学成分)、铸坯截面尺寸(即几何形状)和铸坯参数选择(即连铸拉速、二次冷却、过热度选择)，MSR必须应用于铸坯中心位置固相分数假设确定值的位置，而这些位置对钢的化学成分和连铸参数的变化非常敏感。

如果在凝固过程中过早地进行压下，或者压下量太大，可能会发生严重的铸坯内部开裂;反之，如果压下部位应用得太迟或压下量太小，则不足以达到预期的效果。[2]

最初的MSR装置是“静态的”，在某种意义上，操作者(或下级控制系统)只能在手动操作每个拉矫机的压下(手动或通过预编制的表格自动压下)，改变每台拉矫机的压下位置和数量，而没有利用和理解正在进行的凝固过程的确切详细信息。

如今，MSR系统越来越多地与复杂的工艺控制系统集成，利用实时数据来优化压下工艺过程。这包括使用传感器和计算机模型来密切监测铸坯内部钢水的凝固，并在需要的精确时刻和位置上应用软压下。当以这种方式使用时，经常会遇到术语“动态”MSR。

有一个良好的凝固模型并不足以保证良好和可靠的结果，而且用于确定热物理材料钢性能的来源也有所不同。典型的MSR拉矫机辊子间距在500到2000mm之间，取决于铸坯截面尺寸和钢种，如果模型不能正确地预测凝固末端，MSR系统即使在布置良好的连铸机中由于没有压下在正确的位置而受到危害。

用于动态MSR控制的离线和在线凝固模型可以满足所有这些任务。通过使用专业化的化学数据库，通过考虑正在连铸钢坯热力学特性，并使用直接从可编程逻辑控制器软件读取的实际连铸参数，在线计算钢的热物理性能，它能够连续模拟和调整连铸坯的凝固曲线，以应对任何变化，并保证最佳的MSR工艺过程控制。见图9图10。

图9 在线凝固模型-计算域

图10 凝固模型输出-温度曲线(左)，固相分数曲线(右)

在许多工厂中，通过测量(对比)观察到(预测)白亮带的位置，以及观察到(或在测试期间产生)许多不同类型的内部裂纹，验证了在线凝固模型。[5]

机械软压下结果

MSR可以应用于任何截面和形状的连铸坯上，以减少不同类型的碳钢中碳偏析，以及在不锈钢生产中使用。图11和图12显示了从各种安装中获得的一些结果。轴承钢使用MSR见图13。

图11 含/不含MSR的100Cr6钢种在150×150mm和240×240 mm截面上的碳偏析比 [3]

图12 54SiCr6钢种使用/不使用MSR的180×180 mm截面的碳偏析比 [4]

图13 GCr15轴承钢不同连铸条件下255×300 mm铸坯中碳偏析水平的分布 [5]

MSR还显示了其在减少甚至消除连铸低碳钢种和奥氏体不锈钢时遇到的典型中心缩孔问题，以及连铸某些类型的马氏体和铁素体不锈钢时遇到的典型中心裂纹方面的潜力。[7]

结论

总之，机械软压下作为生产高质量钢的一种重要工具，正获得越来越多的关注。这一趋势的特点是更广泛的采用、技术整合和工艺的不断改进，受市场对优质钢铁产品的需求、经济压力和环境可持续性目标的驱动，越来越多的钢铁生产商将MSR纳入其连铸生产线配置中。

参考文献

1. A. Ludwig, M. Wu and A. Kharicha, “On Microsegregation,”Metallurgical and Materials Transaction A, online, 19 May 2015.

2. R. Thome and K. Harste, “Principles of Billet Soft-Reduction and Consequences for Continuous Casting,” ISIJ International, Vol. 46, No. 12, 2006, pp. 1839–1844.

3. R. Thome, K.G. Doppler, M. Bleymehl and M. Zimmer, “Application of Soft Reduction to Improve the Quality of Long Products for Automotive Parts,” Stahl und Eisen, Vol. 137, No. 11, 2017.

4. G. Ney, S. Fries, R. Thome, M. Czarnynoga, D. Deckers, A. Britz, S. Munch, M. Abram, L. Alessio and A. Wildhaber, “The New Billet Caster S1 at Saarstahl AG,” ESTAD 2023 Proceedings, 2023.

5. X. Chen, W. Deng and S. Niu, “Industrial Application of Mechanical Reduction on Continuous Casting of Bearing Steel Bloom,” Processes MDPI, Vol. 9, 2021, p. 2280, https: //doi.org/10.3390/pr9122280, https: // www. mdpi.com/journal/processes.

6. T. Meier, B. Kundig, S. Feldhaus, C. Tercelli, F. Zani, Y. Lim and Y. Park, “Continuous Casting Machine for Oversized Blooms,” 9th ECCC Conference Proceedings, 2017.

7. G. Cairoli, S. Feldhaus, P. Rivetti, M. Abram, Z. Jun, G. Qian, X. Xu, Y. Chen and G. Xu, “Jumbo Round Caster With Mechanical Soft Reduction,” ESTAD 2023 Conference Proceedings, 2023.

8. F. Zani, A.N. Grundy, S. Feldhaus, J. Sanders, N. Valentine and C. Eastman, “Vertical Continuous Casting Machine for Large Blooms,” METEC 2015 Proceedings, 2015.

作者

Giovanni Cairoli：SMS Concast AG, Zurich, Switzerland giovanni.cairoli@sms-group.com

Steve Munch：SMS Concast AG, Zurich, Switzerland

Stephan Feldhaus：SMS Concast AG, Zurich, Switzerland

唐杰民2024年8月在安徽黄山屯溪翻译自某国《钢铁技术》今年9月期刊，水平有限，翻译不准之处请各位专家老师和看官给予指正。

下面是几张软压下的照片：

图14 某厂使用柔性引锭杆软压下拉矫机

图15 某厂使用刚性引锭杆软压下拉矫机图纸局部

图16 使用刚性引锭杆软压下拉矫机

轧钢之家·钢铁资源库

2024-10-30

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