李炳一，孫國慶

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

微合金化鋼連鑄板坯熱送工藝研究與實踐

李炳一，孫國慶

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

針對中厚板連鑄坯出現(xiàn)的熱送裂紋問題，提出了正常生產(chǎn)條件下的防治措施。對于已有中厚板主要品種，通過成分，計算不同鋼種相變溫度，并根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況進(jìn)行修正，最終確定了中厚板連鑄坯的熱送工藝制度。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)實踐，微合金化鋼連鑄坯實現(xiàn)了熱裝熱送，熱送比率能夠穩(wěn)定在76%以上，達(dá)到了節(jié)約能耗、降低成本的目的。

熱送；裂紋；工藝；堆垛冷卻；熱裝溫度；節(jié)能

1　引言

隨著科技的不斷發(fā)展，連鑄技術(shù)逐漸向全熱送熱裝的方向發(fā)展。采用連鑄坯熱送熱裝工藝不僅可以提高加熱爐小時產(chǎn)量和加熱質(zhì)量，大幅度節(jié)約能耗，提高成材率，縮短生產(chǎn)周期，而且能減少鑄坯庫占地面積，減少天車的作業(yè)率，節(jié)約資金［1］。目前，大部分企業(yè)僅實現(xiàn)了Q235、Q345等普碳鋼（不含Nb、Ti、V、Al等）的熱送熱裝工藝，而微合金鋼由于表面裂紋等缺陷較多，未能實現(xiàn)熱送熱裝批量生產(chǎn)。本文根據(jù)我公司中厚板微合金化鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀，為了進(jìn)一步降低能耗、提高生產(chǎn)效率，采用理論聯(lián)系實際的方法，對中厚板微合金化鋼連鑄坯熱送工藝進(jìn)行了研究。

2　熱送裂紋的形成與防治

我公司中厚板微合金化鋼連鑄坯熱送裂紋率較高，這是影響熱送熱裝的主要因素，為實現(xiàn)其熱送熱裝工藝，應(yīng)對熱送裂紋的形成機(jī)理及防止措施進(jìn)行分析。

國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對熱送裂紋的形成機(jī)制進(jìn)行了研究［2-5］。由圖1熱送裂紋產(chǎn)生機(jī)理［5］可知，熱送裂紋產(chǎn)生原因包括鑄坯組織的演變、鑄坯中第二相的析出和固溶行為、熱送熱裝過程中鑄坯表面受力的變化（包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力）。在上述因素的共同作用下，鑄坯表面在加熱過程中已經(jīng)產(chǎn)生了細(xì)小晶界裂紋，軋制時裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展。

有研究表明［5］，對熱送裂紋的產(chǎn)生起主要作用的是鑄坯組織的演變，即兩相區(qū)中奧氏體晶界先共析鐵素體網(wǎng)膜的生成，其不但降低了鑄坯的熱塑性，而且為第二相粒子沿奧氏體晶界析出提供了條件，在加熱過程中致使奧氏體晶界最終成為了熱送裂紋的發(fā)源地。同時，由于鑄坯在輥道輸送過程中的冷卻速率遠(yuǎn)小于淬火過程，因而鑄坯體積變化速率很小，所以產(chǎn)生的組織應(yīng)力很小，可以忽略；而由于鑄坯內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力則較為顯著，最大時可達(dá)上百兆帕［6］。根據(jù)對熱送裂紋形成機(jī)理已有研究的分析，歸納出熱送裂紋的防治措施，如圖2所示，主要有兩個方向：第一方向是減小鑄坯加熱過程中所受的熱應(yīng)力，通常采取的措施是在鑄坯的輸送過程中增加保溫設(shè)備（如保溫式輥道），使鑄坯內(nèi)外溫度均勻，減小熱應(yīng)力；第二個方向是避免第二相在奧氏體晶界的先共析鐵素體網(wǎng)膜中析出。

圖1　熱送裂紋產(chǎn)生機(jī)理示意圖

圖2　熱送裂紋防治措施

3　熱送工藝制度的制定

連鑄坯的入爐溫度主要取決于連鑄機(jī)的冷卻制度、連鑄/軋制銜接區(qū)連鑄坯的輸送方式及生產(chǎn)組織的銜接等。在控制連鑄坯入爐溫度時，常依靠表面溫度進(jìn)行衡量，但是制定熱送熱裝溫度的控制標(biāo)準(zhǔn)卻不能全依賴表面溫度。為了在合理范圍內(nèi)最大限度地提高入爐溫度，需要確定入爐溫度的控制標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上確定其對應(yīng)的熱送連鑄坯表面溫度，避免熱送時產(chǎn)生紅送裂紋。

在連鑄、熱送、加熱過程中，鑄坯橫斷面上不同位置的熱履歷不同，如圖3所示，導(dǎo)致鑄坯橫斷面上不同位置的組織演變過程也不相同。由于鑄坯橫斷面上溫度分布的不均勻，各位置發(fā)生相變的時間并不統(tǒng)一，因此熱裝溫度應(yīng)該考慮整個鑄坯橫斷面的組織演變。對于高溫?zé)嵫b，在厚度方向上，寬面中心是溫度最低，當(dāng)寬面中心的溫度在Ar3以上，則鑄坯內(nèi)部必然不會發(fā)生相變，而在鑄坯表面，角部是溫度最低處，只要角部溫度在Ar3以上，則能確保鑄坯組織為全奧氏體。對于低溫?zé)嵫b，只要保證橫斷面中心的溫度在Ar1以下，則鑄坯內(nèi)部必然不會發(fā)生奧氏體/鐵素體相變的組織，確保鑄坯組織為鐵素體+珠光體，但此時鑄坯寬面中心的溫度已降至約480℃。所以若在480℃～Ar3之間熱裝，鑄坯中必然存在奧氏體+鐵素體兩相共存的現(xiàn)象，嚴(yán)重時將形成混晶組織，影響鋼材力學(xué)性能。

圖3　鑄坯橫斷面熱履歷

通過對熱軋微合金鋼的研究可知，裂紋敏感鋼種的Ar1、Ar3溫度對熱裝溫度控制尤其重要。按照煉鋼廠各鋼種的成分控制，并依據(jù)Andrews等大量試驗后獲得的平衡相變溫度經(jīng)驗公式，見公式（1）～公式（3），計算其空冷條件下Ar1、Ar3溫度，由于各鋼種C含量基本在0.06%～0.18%范圍內(nèi)，取值時Ar3溫度均比Ae3低10℃，Ar1溫度均比Ae1低30℃，Ms溫度不變，制定熱送裝爐制度如表1所示。

表1　微合金化鋼相變溫度及熱送裝爐溫度/℃

由表1可以看出，微合金化鋼熱軋板的Ar1溫度在685～710℃范圍內(nèi)，Ar3溫度在751～805℃范圍內(nèi)。根據(jù)含鈮AH36鋼連鑄坯在輥道輸送過程中的傳熱計算結(jié)果，連鑄坯角部最高溫度為617℃，均低于各鋼種的Ar3溫度。因此，微合金化鋼需要入庫堆垛冷卻，冷卻到表面中心最高溫度低于Ar1溫度時出庫，再送加熱爐加熱。從節(jié)能效果的角度考慮，熱裝軋制下限溫度400℃以連鑄坯寬面中心溫度計，而堆垛頂面是冷卻過程中冷卻最快的，因此，整個堆垛達(dá)到熱裝軋制下限溫度的標(biāo)志是堆垛最頂面中心溫度為400℃。為了減少連鑄坯顯熱的耗散，達(dá)到更好的節(jié)能效果，一般以接近熱裝上限溫度的狀態(tài)裝爐。

根據(jù)對微合金化鋼連鑄坯熱裝加熱的分析，需要根據(jù)每個鋼種熱裝溫度上限進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B鑄參數(shù)的調(diào)整，而且對輥道輸送時間控制嚴(yán)格。相對而言，連鑄坯下線冷卻后再組織熱裝的過程，持續(xù)時間較長，對熱裝的生產(chǎn)組織的要求有所放寬，其對生產(chǎn)節(jié)奏的適應(yīng)性更強(qiáng)，有利于連鑄坯熱裝連續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)行。根據(jù)實際生產(chǎn)狀況，還需要考慮之前的熱裝計劃的完成情況，結(jié)合加熱爐生產(chǎn)計劃，制定了以下幾種組織辦法：

（1）若已生產(chǎn)并編入加熱爐生產(chǎn)計劃的連鑄坯數(shù)量少，可通過減少每垛連鑄坯數(shù)量來維持加熱爐的連續(xù)、正常的生產(chǎn)。

（2）若已生產(chǎn)并編入加熱爐生產(chǎn)計劃的連鑄坯數(shù)量較多，但總耗時小于394 min時，可通過增加每垛連鑄坯數(shù)量，延長入庫連鑄坯的堆垛時間來保證熱裝的順利進(jìn)行。

（3）若已編入加熱爐生產(chǎn)計劃的連鑄坯持續(xù)394～496min時，可通過調(diào)整連鑄機(jī)參數(shù)（包括二冷參數(shù)），提高連鑄坯入庫溫度，延長滿足熱裝所可能的堆垛時間，提高熱裝比例，達(dá)到節(jié)能的目的。

目前，軋鋼車間對加熱爐生產(chǎn)計劃的制定一般提前8 h進(jìn)行，通過上述組織辦法均能滿足連鑄坯熱裝的需要。對于兩種改變均能達(dá)到延長堆垛時間的情況，基于改變每垛連鑄坯數(shù)量的節(jié)能效果較好，應(yīng)優(yōu)先采用改變每垛數(shù)量的方式。對設(shè)備檢修后的過渡階段，也按照上述辦法進(jìn)行熱裝組織。此外，為了充分利用熱坯的顯熱，且維持已建立的熱裝生產(chǎn)制度，確保熱裝的持續(xù)性和穩(wěn)定性，提高熱裝率，在組織冷坯加熱前，可以通過冷熱坯混堆的方式加熱冷坯，實現(xiàn)冷坯熱送。

4　熱送工藝實施結(jié)果

我公司通過分析熱送裂紋的形成機(jī)理、規(guī)范熱送制度等措施，在控制熱送裂紋的前提下，于2015年1月至6月共生產(chǎn)微合金鋼20.71萬t，熱送量15.84萬t，熱送比達(dá)到76.5%，具體牌號、產(chǎn)量及熱送比如表2所示。對比2013年1月至6月生產(chǎn)微合金化鋼22.74萬t，熱送量9.34萬t，熱送比為41.1%?？梢姡?015年上半年微合金化鋼連鑄坯熱送比提高了1.86倍。

以AH36鋼的熱送為代表，近似分析其它鋼種連鑄坯熱裝的節(jié)能效果，依據(jù)表1微合金化鋼熱送裝爐溫度控制要求，和AH36鋼連鑄坯溫度和熱焓變化關(guān)系，分別計算各鋼種在其滿足熱送熱裝要求時，輥道輸送、堆冷等銜接方式下連鑄坯的平均熱焓，并根據(jù)模擬結(jié)果得出連鑄坯緩冷到滿足熱裝要求所經(jīng)歷的堆垛時間，按其熱裝上限溫度出庫裝爐同400℃出庫裝爐、30℃冷裝出爐對比計算節(jié)能效果。加熱爐使用高爐-轉(zhuǎn)爐混合煤氣（高爐煤氣占82%，轉(zhuǎn)爐煤氣占18%），其標(biāo)準(zhǔn)熱值為800～850 kJ/m3取中限值825 kJ/m3）；高爐煤氣0.05元/m3，轉(zhuǎn)爐煤氣0.10元/m3。結(jié)合表2計算出我公司2015-01—06期間生產(chǎn)微合金化鋼采用熱送工藝節(jié)約的成本。經(jīng)整理得到熱送微合金化鋼取得的效果見表3。

由表3可以看出，2015年1月至6月期間，采用熱送工藝生產(chǎn)的微合金化鋼同400℃出庫裝爐、冷裝（30℃裝爐）對比，節(jié)約能源分別為540.1 kJ· kg-1、3 159.2 kJ·kg-1，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤氣量分別為924× 104m3、5 500×104m3，節(jié)約成本分別為54.6萬元、324萬元。

表2　中厚板連鑄坯熱送比統(tǒng)計

5　結(jié)論

（1）熱送裂紋的產(chǎn)生主要與鑄坯組織的演變和鑄坯內(nèi)外溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力有關(guān)，其防止措施主要有兩個方向：第一方向是在鑄坯的輸送過程中增加保溫設(shè)備，使鑄坯內(nèi)外溫度均勻，減小熱應(yīng)力；第二個方向是避免第二相在奧氏體晶界的先共析鐵素體網(wǎng)膜中析出。

表3　熱送微合金化鋼的生產(chǎn)效果

（2）微合金化鋼需要入庫堆垛冷卻，冷卻到表面中心最高溫度低于Ar1溫度時出庫，再送加熱爐加熱。從節(jié)能效果的角度考慮，整個堆垛達(dá)到熱裝軋制下限溫度的標(biāo)志是堆垛最頂面中心溫度為400℃，一般以接近熱裝上限溫度的狀態(tài)裝爐。

（3）通過采用研究制定的熱送工藝，實現(xiàn)2015年1月至6月生產(chǎn)微合金化鋼20.71萬t，熱送量15.84萬t，熱送比達(dá)到76.5%，同2013年同期對比，熱送比提高了1.86倍；同400℃出庫裝爐、冷裝（30℃裝爐）對比，節(jié)約能源分別為540.1 kJ·kg-1、3 159.2 kJ·kg-1，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤氣量分別為924×104m3、5 500×104m3，節(jié)約成本分別為54.6萬元、324萬元。

［1］趙海峰，王紅廣.連鑄坯熱送熱裝工藝發(fā)展現(xiàn)狀［J］.連鑄，2004（4）：3-6.

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［4］萬友堂.中厚板生產(chǎn)線鋼板表面裂紋的機(jī)理分析［J］.鋼鐵研究，2008，36（3）：14-16.

［5］夏文勇，朱正海，干勇.微合金鋼紅送裂紋形成的試驗研究［J］.鋼鐵，2011，46（12）：29-32.

［6］帥習(xí)元.熱送直裝亞包晶橋板鋼表面疤狀缺陷原因分析［J］.軋鋼，2006，23（4）：10-13.

Study and Practice of Hot Charging Process for M icro Alloying Slab

LIBing-yiand SUN Guo-qing
（
Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Aiming at crack occurring at the slab hot charging process formedium and heavy plate，the author put forward preventivemeasures under normal production conditions.By calculating the phase transmission temperature of different existing main grades with composition and correcting according to the actual production situation on site，hot charging process for the slab formedium and heavy plate was eventually formulated.Production practice showed micro alloying slab realized hot charging and delivery and hot charging rate could remainmore than 76%，attaining the objective of saving energy consumption and reducing cost.

hot charging；crack；process；stacking cooling；hot charging temperature；energy saving

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.006

2016-03-07

2016-04-07

李炳一（1968—），男，天津人，本科，高級工程師，主要從事產(chǎn)品質(zhì)量管理工作。