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            400系不銹鋼板坯寬度控制優化實踐

            作者:廣順管道發布時間: 2018-11-13 13:33:03 瀏覽次數0

            返回:新聞動態

              針對400系不銹鋼板坯受鋼種成分、凝固特點、組織結構等特征因素的影響,分析了板坯寬度精度控制達標率低的問題,在穩定鋼水質量、穩定鋼水凝固過程控制的前提下,以長期積累的過程控制參數數據和板坯寬度數據為依據,通過建立數學模型,以線性回歸的統計方法建立了二冷區動態調整冷卻強度的優化方案,優化后板坯寬度合格率大幅度提高,410S板坯寬度質檢合格率提高了19.01%。

              1 前言

              鐵素體不銹鋼是指在高溫和室溫均具有完全鐵素體或以鐵素體為主體結構、鉻含量>10.5%的一系列鐵基合金,一般含鉻量11%~30%,具有體心立方(BCC)晶體結構,具有高溫強度低、凝固結晶速度快、柱狀晶發達等特點。受鋼種特性和生產過程控制影響,Fe-Cr系鐵素體不銹鋼板坯寬度始終是影響成材及后續軋制的重點和薄弱環節。影響板坯寬度控制的因素有很多,如鋼水成分(尤其是C和N含量)、結晶器設定尺寸及錐度、保護渣性能、浸入式水口、中間包溫度、拉速、冷卻水溫度、二次冷卻區(尤其是扇形段2~4段)冷卻強度,甚至季節和氣候變化也影響板坯寬度控制。為此,廣順不銹鋼煉鋼廠在穩定鋼水質量、穩定鋼水凝固過程控制的前提下,重點攻關熱坯凝固收縮過程控制,以長期積累的過程控制參數數據和板坯寬度數據為依據,通過建立數學模型,以線性回歸的統計方法建立二冷區動態調整冷卻強度的優化方案,達到了提高板坯寬度合格率的目的。

              2 板坯寬度影響因素分析及生產現狀

              2.1 鋼水成分

              鋼水成分是影響不銹鋼(α+γ)兩相區高溫強度、塑性、板坯延展性的直接因素,尤其是C、N含量會明顯影響兩相區比例,改變不銹鋼的性能(見圖1)。隨著鋼中C、N含量的增加,兩相區擴大,兩相區的強度高、塑性低,這就使得C、N含量高的鋼液在連鑄過程中板坯寬度延展性差,板坯傾向窄尺寸,同理C、N含量低的鋼液板坯傾向寬尺寸。

              

             

              圖1 C、N對Fe-Cr合金γ圈[(α+γ)/α相界]的影響

              以410S不銹鋼為例,廣順不銹鋼連鑄開澆鋼液[C]含量控制為0.02%~0.05%、[N]含量控制為0.020%~0.030%均能達到95%以上的達標率。穩定的鋼水成分,是提高板坯寬度控制精度的先決條件,也為二冷區冷卻水冷卻強度的動態微調提供了可控條件。

              2.2 結晶器設定參數

              結晶器是板坯凝固形成初生坯殼的容器,為了澆鑄順行和保證板坯質量,鐵素體不銹鋼往往采用較高的過熱度和較弱的結晶器冷卻強度。這使得初生坯殼更薄,鑄坯在出結晶器下口時有更大的變形量;而且如果二次冷卻強度偏弱,結晶器設定寬度對板坯最終寬度的作用將減弱。這意味著當二次冷卻水量小于一定值后,板坯寬度延展量將增大,同時與設定寬度不再呈相對線性的關系。因此鐵素體不銹鋼連鑄板坯寬度控制多采用固定結晶器設定參數、根據鋼水情況動態調整二冷水強度的方式來提高板坯寬度達標率。

              廣順不銹鋼長期生產均固定結晶器參數,如上、下口尺寸、錐度設定和結晶器冷卻水流量等,僅以鋼種不同作為調整依據。這使得不銹鋼板坯寬度受結晶器設定參數影響較小。

              2.3 二冷區冷卻強度

              二次冷卻水作為初生板坯的直接冷卻媒介,對初生坯殼強度、液芯位置、凝固過程等是最直接的影響因素,在脫離結晶器后,板坯以初生坯殼、結晶層、液芯的組合形式進入二冷區,受力形式為扇形段鑄輥有限的拉矯力,板坯尺寸存在自由發展的趨勢。即使固定結晶器控制參數且過程無任何波動,由于板坯初生坯殼具有較低的強度和較高的塑性變形特征,一旦二冷區冷卻強度發生改變,板坯會因此出現延展或收縮。二冷區的冷卻強度無法固定的原因在于,初生坯殼強度和塑性變形能力對鋼液成分尤其是奧氏體形成元素具有強敏感性,澆鑄過程無法改變鋼水成分條件,因此動態地根據鋼液成分調整二冷區冷卻強度成為高精度控制板坯寬度的重要手段。

              廣順不銹鋼連鑄過程以鋼水[C]+[N]含量為參考,根據板坯寬度控制經驗調整二冷水流量,動態定量化調整程度低,2014年下半年至2015年一季度板坯寬度合格率僅為68.95%。

              2.4 其他因素

              1)中間包溫度是影響鋼水在結晶器凝固的先決條件。2)拉速是明顯影響板坯寬度的參數之一,對凝固坯殼厚度的影響十分顯著,拉速每提高0.2 m/min,凝固液面就向鑄坯表面推進4 mm,拉速的提高使坯殼變薄。受鐵素體不銹鋼高溫強度低的性能影響,板坯坯殼越薄越容易發生外形改變,造成超寬,但因連鑄過程采用恒拉速方式,板坯寬度受其影響很小。3)浸入式水口插入深度影響了鋼液在結晶器內的流場以及鋼液對初生坯殼的沖刷程度。4)保護渣堿度是影響結晶器渣層導熱和散熱的主要因素之一。

              3 優化方案設計

              3.1 化學成分

              以410S不銹鋼為例,因其合金元素含量均較低,且成分主要影響鋼中(α+γ)兩相區構成,α鐵素體組織凝固高溫強度遠低于γ奧氏體組織的高溫強度,鋼液凝固過程,凝固組織的強度、塑性和形變能力主要由奧氏體相比例決定。因此借鑒Ni當量(金屬組織奧氏體化程度,計算公式:Nieq=30[C]+30[N]+0.5[Mn]+[Ni])的形式作為變量設計成分,奧氏體形成元素的Ni當量值,可作為判定凝固組織高溫強度和塑性變化的依據(見表1)。

              表1 410S不銹鋼影響Ni當量的成分設計 %

              

             

              3.2 連鑄過程參數

              連鑄工序的過程控制以穩定為目標,固定過程參數,為二冷區動態配水提供穩定的可控條件。

              連鑄過程控制參數設計如下:中間包鋼水過熱度20~35℃;結晶器水流量,內、外弧3 600~4 000 L/min,窄邊400~600 L/min;拉速0.80~1.0 m/min;浸入式水口插入深度130~160 mm;收縮因子0.970~0.990。

              3.3 二冷區冷卻水強度動態調整

              1)建立數據庫:以廣順不銹鋼煉鋼廠生產的2 668爐410S不銹鋼過程控制記錄和板坯寬度記錄為原始數據,形成線性擬合數據庫。

              2)線性擬合:采用線性回歸擬合的統計學方法,針對數據庫的相關參數以Ni當量為單一變量,以板坯寬度主控制二冷區2、3、4區的配水量為函數進行線性擬合,如圖2所示。以二冷區2區的配水量為函數的一次擬合結果表明,函數關系不具備充分的統計學意義。

              

             

              圖2 二冷區2區冷卻強度一次擬合關系

              3)二次擬合:為確保線性擬合結果準確、具備實用性,對線性擬合結果取95%置信區間進行二次擬合,見圖3。以二冷區2區為函數的二次擬合結果表明,顯著性檢驗p值<0.001%,具備充分的統計學意義。

              

             

              圖3 二冷區2區冷卻強度二次擬合關系

              4)形成模型:以擬合結果建立配水模型供實際生產使用。

              4 優化方案實施效果

              以線性回歸為統計方法,建立了二冷區動態調整冷卻強度優化方案,以現場實際數據建立模型,實際生產過程在保持原配水制度的情況下,以模型計算結果為參考進行了較長期的驗證,自2016年開始投入實際生產應用,優化方案實施前后板坯寬度合格率對比見表2。

              表2 優化方案實施前后板坯寬度合格率對比

              

             

              執行優化方案后,410S不銹鋼板坯寬度質檢合格率顯著提高(平均提高19.01%),板坯寬尺修磨率大幅下降,窄尺展寬軋制比例相應顯著降低(由26.93%降低至14.49%)。優化方案的實施取得了良好的經濟效益和質量提升效果。

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