于林輝1， 張振山1，2， Shevchenko Anthony 3， 沈明鋼4， 王一雍1，4
(1. 營口東邦冶金設備耐材有限公司技術中心，遼寧營口115100； 2. 遼寧科技大學應用技術學院，遼寧鞍山114051； 3. 烏克蘭國家科學院黑色冶金研究所，第聶伯彼得羅夫斯克49125； 4. 遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧鞍山114051）
摘要：中心偏析和等軸晶率是評價連鑄坯內部質量的重要參數，而用于改善內部質量的電磁攪拌、微合金化等技術相對復雜，實施成本高。通過對結晶器插入鋼帶，通過鋼帶的熔化吸熱有效地降低結晶器內鋼液過熱度，可以提高鑄坯內部質量。討論了在給定工藝條件下鋼帶插入對連鑄坯質量的影響。計算和生產試驗結果表明，插入鋼帶可以明顯降低鋼水過熱度；插入鋼帶的連鑄坯疏松和等軸晶率等指標均比沒有插鋼帶的連鑄坯好，且噸鋼插入鋼帶量增加可以增加等軸晶率，有利于改善鋼坯內部質量。
關鍵詞：連鑄；插鋼帶；內部質量
連鑄技術由于生產效率高、成本低、鑄坯質量好，在鋼鐵生產中占有絕對的比例[1-4]。因此，連鑄坯質量也直接制約著鋼鐵企業最終的產品質量和經濟效益。連鑄坯質量問題主要有連鑄坯內部的偏析、疏松和裂紋等。若要改善這些內部質量問題，解決思路之一就是改善其凝固的過程，提高等軸晶率[5-7]。提高等軸晶率的方法又包括結晶器電磁攪拌、輕壓下、微合金化等，但是這些方法技術上都比較復雜，成本相對較高。而在結晶器插入鋼帶，通過鋼帶的熔化吸收熱量來降低周圍鋼液的過熱度；同時通過鋼帶振動擾動鋼液，加速其溫度和成分的均勻；另外，由于鋼帶熔化產生了大量的凝固晶核。通過上述作用，可以有效提高連鑄坯的等軸晶率，使連鑄坯中心組織致密，成分均勻，防止或減輕中心缺陷的產生。該技術設備簡單，操作方便，建設成本低，效果好，對連鑄坯質量的提高具有積極作用。結晶器插鋼帶技術目前研究多為數值模擬和熱態試驗[8-10]，本文通過生產試驗，分析鋼帶插入量對連鑄坯質量的影響。
1 生產試驗裝置
連鑄結晶器振動插鋼帶裝置可以將鋼帶連續插入結晶器鋼液內，同時使鋼帶持續振動。其具體結構如圖1所示。
該裝置通過控制系統發出執行指令，通過放帶卷筒旋轉將鋼帶送出，然后通過導向和夾持裝置保證其準確插入鋼水的預定位置；同時，在鋼帶插入鋼水前，通過振動器進行振動，以提高其攪拌和冷卻效果。
2 生產試驗條件
試驗鋼種為Q345B，結晶器尺寸為220 mm×1 600 mm。本試驗主要研究噸鋼坯插入鋼帶量對連鑄坯質量的影響。噸鋼插入鋼帶方案包括：鋼帶振動頻率為60 Hz；插入量為3.5、3.7、5.0 kg/t。鋼液過熱度為20～25 ℃ ，板坯拉速為0.9～1.0m/min。試驗所用鋼液及鋼帶成分見表1。
3 插鋼帶對鋼水過熱度的影響
為計算不同鋼帶插入量對結晶器鋼水過熱度的影響，建立鋼帶-鋼水傳熱模型，并通過有限元計算軟件procast 進行計算。建立的幾何模型及網格劃分示意圖如圖2 所示，圖中中心部位的小長方體為鋼帶，大長方體為鋼水，鋼帶與鋼水的質量比根據鋼帶插入量設定。
初始條件：鋼水溫度為1 540 ℃，鋼帶溫度為20 ℃。
邊界條件：鋼帶-鋼水體系是絕熱系統，即僅發生鋼帶和鋼水的傳熱。
因為本計算僅分析鋼帶熔化對鋼水過熱度的影響，所以熱導率的大小僅影響體系到達平衡的時間長短，并不影響最終的平衡溫度。為使傳熱盡快達到平衡以節約計算成本，設定鋼水和鋼錠的熱導率為10 000 W/ （m·K）；鋼水和鋼帶的其他熱物理參數均為溫度的函數，由procast 軟件自帶的材料數據庫計算得出。
圖3 所示為模擬溫度結果取點的位置。當各點溫度相同時，可以認為傳熱達到平衡。經過計算，鋼帶插入量為3.5 kg/t 時，平衡溫度為1 533.84 ℃，即鋼水過熱度降低6.16 ℃（圖4）；采用相同方法計算得到鋼帶插入量為3.7 kg/t時，鋼水過熱度降低6.54 ℃；鋼帶插入量為5.0 kg/t時，鋼水過熱度降低8.67 ℃。
4 插鋼帶試驗及結果分析
插鋼帶試驗一共進行了12 個爐次，其中僅有1個爐次由于插帶過程中鋼帶打卷造成試驗中斷，其余爐次均較為順利。
4. 1 插鋼帶對連鑄結晶器熱流的影響
圖5 所示為插入量為3.5 kg/t 的插鋼帶過程中結晶器熱流的變化情況，圖中各序號按照時間先后排序。由圖5 可見，在插鋼帶過程中，熱流密度總體呈下降趨勢，寬面下降60～80 kW/m2，窄面下降30～50 kW/m2，這說明插鋼帶具有降低結晶器鋼水過熱度的作用。
4. 2 插鋼帶對連鑄坯內部質量的影響
圖6 所示為插鋼帶與未插鋼帶連鑄板坯宏觀組織比較圖。由圖6 可見，未插入鋼帶的鑄坯斷面中心偏析集中，經測量其等軸晶寬度為20～30 mm，等軸晶率約13.6%（本文中等軸晶率的計算為等軸晶寬度與鑄坯寬度的比值）；穩定插入鋼帶的鑄坯斷面幾乎沒有中心偏析，經測量其等軸晶寬度為75～80 mm，等軸晶率約為36.4%；當插鋼帶接近結束時，鑄坯斷面又出現了中心偏析，經測量其等軸晶寬度為20～25 mm。由上述變化可見，向結晶器鋼水中插入鋼帶可以明顯提高等軸晶率，減少中心偏析。
圖7 所示為不同鋼帶插入量時連鑄板坯宏觀組織比較圖。由圖7 可見，由于鋼帶降低鋼水過熱度和其振動的攪拌作用，采用插鋼帶操作的鑄坯中心偏析都得到了較好的改善。當鋼帶插入量為3.5 kg/t時，其等軸晶寬度為75～80 mm，等軸晶率約為36.4%；當鋼帶插入量為3.8 kg/t 時，其等軸晶寬度為75～80mm，等軸晶率為36.4%；當鋼帶插入量為5.0 kg/t時，其等軸晶寬度為80～90 mm，等軸晶率為40.9%。可見，插入量增加幅度較大的時候，可以較為明顯地提高鑄坯等軸晶率，這是因為增加插入量可以更大幅度地降低鋼水過熱度，增加形核，加速鑄坯中心等軸晶的形成。
另外，鋼帶插入量為5.0 kg/t時的中心偏析情況相對于3.5 kg/t時的較差，這是因為在進行鋼帶插入量為5.0 kg/t的試驗時，由于操作原因拉速變化較為頻繁導致的。但是中心偏析相對于未插鋼帶時明顯被打散。在生產試驗中，雖然插鋼帶對連鑄坯內部質量有明顯改善，但是目前還存在一定的問題。一個是鋼帶在插入過程中會出現打卷的現象，造成操作中斷時間較長，需要從插鋼帶設備方面加以改進；另外，鋼帶黏渣會對連鑄坯內部質量造成不利影響，目前采用鋼帶預熱的方式減輕或避免黏渣，但是鋼帶預熱將會影響其對鋼水的降溫效果，需要另辟途徑解決該問題。
5 結論
（1）插鋼帶技術使連鑄坯中心等軸晶區由原來的13.6%擴寬到截面的40%以上，在很大程度上消除了中心偏析，提高了中心組織的致密度，抑制了柱狀晶晶粒生長，因此拓寬了等軸晶區的比例，而且明顯改善了連鑄坯的宏觀組織結構，可顯著改善連鑄坯的質量，提高鋼鐵產品質量。
（2）計算結果表明，當鋼帶插入量為3.5 kg/t 時，鋼水過熱度降低6.16 ℃；鋼帶插入量為3.7 kg/t 時，鋼水過熱度降低6.54 ℃；鋼帶插入量為5 kg/t 時，鋼水過熱度降低8.67 ℃。即隨著鋼帶插入量的增加，鋼水過熱度降低幅度也增加。
（3）當鋼帶插入量由3.7 kg/t 增加至5.0 kg/t，等軸晶率由36.4%增加至40.9%，即提高鋼帶插入量可以提高鋼帶降低過熱度的程度，從而提高等軸晶率。
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