Production ofan Ultralarge-Section-Sized Slab With POSCO Mega Caster Developed by POSCO’sOwn Engineering

浦項(xiàng)重型鑄機(jī)生產(chǎn)超大斷面板坯

浦項(xiàng)制鐵巨型連鑄機(jī)(PosMC)是由浦項(xiàng)制鐵公司自行研制的一種用于特大斷面板坯的立式半連續(xù)軋機(jī)，使用板坯生產(chǎn)比鑄錠收得率提高13%。這臺(tái)鑄機(jī)在浦項(xiàng)制鐵第一煉鋼廠建造起來(lái)，其生產(chǎn)的板坯斷面尺寸比傳統(tǒng)連鑄機(jī)大得多，到目前為止，已經(jīng)澆鑄了300爐鋼，鑄機(jī)沒(méi)有任何設(shè)備和操作上的問(wèn)題。大多數(shù)鋼種，如中碳結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高合金鋼，都已經(jīng)成功澆鑄，而且板坯的表面和內(nèi)部質(zhì)量都比鑄錠的好，下一道工序接收度高。能源工業(yè)中使用的鋼材通常需要大于3:1的軋制壓下比，因此浦項(xiàng)制鐵400mm的鑄坯生產(chǎn)的鋼板最大厚度僅為133mm，現(xiàn)在這家工廠能夠滿足133毫米以上厚度鋼板的需求，PosMC新工藝和優(yōu)化的軋制工藝具有制造優(yōu)良超厚板的優(yōu)勢(shì)。

低成本生產(chǎn)高利潤(rùn)鋼材是鋼鐵行業(yè)組織生產(chǎn)的主要的目標(biāo)之一。最近由于全球競(jìng)爭(zhēng)而成本有所增加，為了滿足這一需求，必須提高收得率和提高軋鋼壓縮比，并提高產(chǎn)品質(zhì)量。鋼的連鑄工藝是目前較好的解決方案，但如何用特大截面鑄坯和高合金特種鋼來(lái)替代鑄錠工藝還沒(méi)有解決。因此，2016年，浦項(xiàng)制鐵與旗下的POSCO E&C、POSCO ICT和POSCO Plantec公司共同投入了超大尺寸鑄機(jī)(PosMC)的開(kāi)發(fā)。

PosMC工藝具有回收率高、生態(tài)友好、減少后續(xù)工序等優(yōu)點(diǎn)。而鑄錠工藝由于采用鍛造工藝而存在回收率低、成本高的缺點(diǎn)。采用垂直半連鑄生產(chǎn)700 × 1800 × 10000mm超大尺寸板坯，比鑄錠生產(chǎn)回收率高，質(zhì)量好。

從鋼水流動(dòng)和凝固的計(jì)算機(jī)模擬開(kāi)始，針對(duì)鑄坯表面質(zhì)量、尾坯端部縮孔、鋼水表面凍結(jié)、不規(guī)則凝固、重熔等問(wèn)題進(jìn)行模擬研究，進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和基本設(shè)計(jì)，并在浦項(xiàng)制鐵第一煉鋼廠建成了結(jié)晶器尺寸為700 × 1800 × 10000 mm的工業(yè)鑄機(jī)。到目前為止，300爐澆鑄通過(guò)鑄機(jī)沒(méi)有任何設(shè)備和操作問(wèn)題，大多數(shù)鋼種，如中碳結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高合金鋼都成功澆鑄，其表面和內(nèi)部質(zhì)量都比鑄錠的質(zhì)量好，易于后續(xù)工藝接受。

最近，大的重型壓力容器、工廠和重型機(jī)械制造商想要100mm以上的特厚鋼板，此外，這些板材要求具有苛刻的沖擊韌性指標(biāo)和內(nèi)部的完好性。工廠制造商需要厚板厚度達(dá)250mm和-60°C低溫沖擊韌性，以適應(yīng)嚴(yán)寒環(huán)境。對(duì)于大型機(jī)械零件的制造，客戶需要更厚的鍛造材料(超過(guò)400mm)和嚴(yán)格的鋼板內(nèi)部完好性，如高的清潔度，經(jīng)過(guò)超聲波檢測(cè)后無(wú)缺陷和偏析，只有少數(shù)鋼鐵企業(yè)能夠滿足這些客戶的需求，同時(shí)遵守環(huán)境友好的限制。

生產(chǎn)特厚板有兩種工藝，浦項(xiàng)制鐵有一條厚板生產(chǎn)線，采用連鑄板坯生產(chǎn)的鋼板最大厚度為133mm，鋼板收得率高。然而，它在軋制壓下比方面有一定的局限性，成品鋼板不允許連鑄板坯的軋制壓下比小于3:1。另一種工藝是采用性能優(yōu)良的鑄錠鍛造成板坯后軋制特厚板，但是產(chǎn)量低，成本高。因此，浦項(xiàng)制鐵開(kāi)發(fā)了一種具有兩種工藝優(yōu)勢(shì)的新型鑄機(jī)，以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本滿足客戶的需求。

工程解決方案

浦項(xiàng)開(kāi)發(fā)了垂直半連鑄PosMC工藝，生產(chǎn)了700 mm厚1800 mm寬的特大板坯，表1顯示了PosMC的主要規(guī)格，PosMC的概念和基本設(shè)計(jì)如下。

表1  PosMC鑄機(jī)的主要參數(shù)

表2  A516-70鋼種的化學(xué)成分，P和S值（ppm)表示

鋼水模擬

采用ANSYSFluent軟件對(duì)中間包、浸入式水口(SEN)和結(jié)晶器進(jìn)行了PosMC過(guò)程的流體流動(dòng)建模。

中間包：

由于PosMC的澆注速度很低，為防止鋼水堵塞中間包水口，中間包出口處的鋼水溫度至關(guān)重要。在PosMC工藝中，當(dāng)鋼包到中間包和中間包到結(jié)晶器的鋼水下行時(shí)，鋼水不堵塞水口和塞棒的鋼水溫度降要最小化。PosMC的中間包通過(guò)安裝較厚的耐火材料和絕緣板來(lái)最大限度地減小鋼水溫度降。在0.05 m/min的澆注速度下，最大溫度降在13.1℃以內(nèi)，PosMC能夠在不堵塞水口的情況下將鋼水傳入結(jié)晶器內(nèi)，即使在很低的澆鑄速率下，鋼水也能夠正常從中間包下行到結(jié)晶器內(nèi)。

浸入式水口和結(jié)晶器：

PosMC的SEN設(shè)計(jì)是的一個(gè)思想是減少結(jié)晶器鋼水液位的波動(dòng)，以得到均勻平靜的結(jié)晶器鋼水液面。在小于0.1 m/min的拉速情況下，由于流速小于0.1 m/min，存在表面鋼水凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。為防止鋼水液面凍結(jié)，結(jié)晶器周?chē)捎秒姶艛嚢?/span>(EMS)線圈布置。在ANSYS Fluent中分析，通過(guò)電磁場(chǎng)耦合的方法，計(jì)算了EMS模型中結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動(dòng)行為，在彎月面內(nèi)得到均勻的鋼水溫度和穩(wěn)定的鋼水流動(dòng)，如圖3所示。

圖1  中間包的鋼水液面高度對(duì)應(yīng)的中間包鋼水溫度降

圖2  采用浸入式水口(SEN)的鋼水流動(dòng)

圖3  采用EMS結(jié)晶器內(nèi)鋼水流動(dòng)

鋼水凝固

為了知曉大截面尺寸連鑄坯的凝固過(guò)程，利用ANSYS Fluent對(duì)連鑄坯的拉速變化進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，模擬采用了潛熱回收法。從圖4的計(jì)算結(jié)果可以預(yù)測(cè)，在鑄速、二次冷卻和EMS條件下，可以安全地組織生產(chǎn)。

圖4  結(jié)晶器內(nèi)采用的凝固模擬：(a)0.05 m/min拉速，(b)0.10 m/min拉速

二冷過(guò)程

PosMC鑄機(jī)結(jié)晶器下，下行的鑄坯由氣水霧化噴嘴進(jìn)行冷卻，其目的是減少鑄坯鼓肚和減少連鑄生產(chǎn)時(shí)間，增加鑄坯的表面熱延性(圖5)。為了防止窄面鼓肚，每個(gè)扇形段設(shè)置了兩個(gè)氣水霧化噴嘴對(duì)窄面進(jìn)行冷卻。

圖5  在二冷過(guò)程中，溫度和固態(tài)坯殼厚度隨距離彎月面距離的變化

引導(dǎo)夾持輥

PosMC有引導(dǎo)夾持輥，被設(shè)計(jì)用來(lái)限制二冷室內(nèi)鑄坯出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，如圖6所示，考慮靜鋼水靜壓作用，計(jì)算出的最大鼓肚量為0.8 mm，鼓肚應(yīng)變?yōu)?/span>0.2%，滿足鑄坯設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了強(qiáng)化PosMC鑄機(jī)的扇形段，圖6中采用對(duì)軋輥冷卻效率更高的螺旋輥代替實(shí)心輥，通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)，夾持輥與鑄坯的接觸溫度可達(dá)340℃，冷卻效果優(yōu)于固體實(shí)心夾持輥。

圖6  引導(dǎo)夾持輥(鑄坯鼓肚量及螺旋式夾持輥)

減少鑄坯內(nèi)部縮孔

采用最終凝固控制方法(FSCM)防止鑄坯頂部的預(yù)凍結(jié)。采用ANSYS Fluent對(duì)PosMC鑄坯頂部縮孔狀況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖7所示。從圖中可以看出，鑄坯頂部的內(nèi)部縮孔可以最小化。

圖7   (a)在沒(méi)有最終凝固控制方法(FSCM)，(b)使用FSCM的情況，最大限度地減少了鑄坯內(nèi)部的縮孔

板坯質(zhì)量

PosMC板坯表面質(zhì)量的改善

低速澆鑄表面開(kāi)裂原因：

在PosMC生產(chǎn)的包晶鋼(0.14 ~ 0.17% C)板坯中，裂紋沿奧氏體晶界出現(xiàn)，如圖8所示。對(duì)超厚厚板的最終產(chǎn)品進(jìn)行表面磨削是非常必要的。裂紋產(chǎn)生的主要原因是中碳鋼奧氏體晶粒粗化導(dǎo)致晶界脆化。已有研究表明，由于連鑄過(guò)程中奧氏體晶粒尺寸較粗，導(dǎo)致晶界非常脆弱。[1~4]尺寸較大晶粒在晶界上有較多的硫偏析和析出相，如圖9所示。[6]  Y. Li等人[4]利用高溫共焦實(shí)驗(yàn)研究了奧氏體晶粒的生長(zhǎng)，由于抑制晶界遷移的釘扎效果的降低，奧氏體晶粒在高溫鐵素體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相結(jié)束時(shí)迅速開(kāi)始長(zhǎng)大，中碳鋼(0.14-0.17mass% C)中，晶粒生長(zhǎng)最快的溫度范圍為1473 – 1350℃。在非常慢的連鑄拉速中，如PosMC 的連鑄拉速為0.06~0.10 m/min，由于在最快晶粒生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，所以?shī)W氏體晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)較大。

圖8  PosMC板坯晶界表面裂紋

圖9  晶界上的硫偏析：(a)板坯表面，(b)紅色的硫偏析

圖10為PosMC生產(chǎn)的壓力容器厚板板坯表面晶粒尺寸測(cè)量結(jié)果。在PosMC和常規(guī)拉速下，平均晶粒尺寸分別為5000微米和600微米。粗大的奧氏體晶粒增加了貝氏體和馬氏體的相變傾向。結(jié)果表明，鑄坯與冷卻輥接觸時(shí)，鑄坯表面溫度降至430℃。這一溫度下降足以引起貝氏體相變，是鑄造過(guò)程中引起裂紋的主要應(yīng)力。

圖10  PosMC生產(chǎn)壓力容器厚板的奧氏體晶粒度比較

減少表面裂紋的新思路：

為減少PosMC板坯表面裂縫，應(yīng)避免出現(xiàn)嚴(yán)重的溫降，提高鑄坯表面溫度，以減小在低拉速下鑄坯與結(jié)晶器下面二冷室?jiàn)A持輥接觸時(shí)的溫度下降。

通過(guò)表面各深度的加工和滲透液測(cè)試對(duì)表面裂紋進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，如圖11所示。通過(guò)提高鋼坯表面溫度，鋼坯表面裂紋的深度和分布都得到了顯著改善，使特厚鋼板首次上市銷(xiāo)售。

圖11  改進(jìn)前后用滲透法檢測(cè)表面裂紋

進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行，改變結(jié)晶器設(shè)計(jì)，改變連鑄拉速和研究第二相粒子析出釘扎強(qiáng)化作用來(lái)防止晶粒尺寸粗化。

減小縮孔

在生產(chǎn)特大斷面板坯的連鑄機(jī)中，鑄坯頂部縮孔對(duì)成品率有很大的影響。因此，減小鑄坯頂部的縮孔是非常重要的。為解決這一問(wèn)題，針對(duì)PosMC鑄造開(kāi)發(fā)了FSCM。

應(yīng)用FSCM后，鑄坯內(nèi)部的縮孔長(zhǎng)度從L0明顯縮短到0.45L0，如圖12所示。

圖12  FSCM對(duì)鑄坯內(nèi)部縮孔的影響

厚板

機(jī)械性能

對(duì)于特厚鋼板，由于軋機(jī)的軋制壓力不足，鑄坯的中心疏松不易壓縮，從而導(dǎo)致ZRA質(zhì)量和中心部位的沖擊韌性下降。此外，由于板坯中奧氏體晶粒較粗或部分形成的貝氏體或馬氏體等低溫組織，焊后熱處理(PWHT)的強(qiáng)度和韌性較差。

由于板坯偏析較低，PosMC生產(chǎn)的板坯中沒(méi)有出現(xiàn)Mn的中心偏析和A向偏析，通過(guò)充分軋制焊合鑄坯中心疏松，提高了板坯的穩(wěn)定性。利用上述特點(diǎn)，研制了用于大陸工廠重型壓力容器用超厚A516-70鋼，并對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

母材力學(xué)性能：

圖13為200mmt板在5% 硝酸腐蝕液蝕刻后的四分之一和中心位置的微觀組織結(jié)構(gòu)，珠光體體積分?jǐn)?shù)約為15%，鐵素體平均晶粒尺寸分別為26μm和32μm。由于均勻的鐵素體晶粒形成貫穿厚度，這樣就獲得均勻的力學(xué)性能。

圖13  焊后熱處理(PWHT)后鋼板中心位置1/4 厚度處和中心位置的顯微組織

從圖14中可以看出，在不同的厚度方向上，可以得到屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。平均屈服強(qiáng)度為345 MPa，抗拉強(qiáng)度為518 MPa，符合ASTM A516-70規(guī)范要求。為避免層狀撕裂現(xiàn)象，ZRA值達(dá)到35%以上是非常重要和必要的。ZRA為厚度方向拉力試樣的斷面收縮率，PosMC制得200 mm厚板的厚度方向上斷面收縮率最小值為41%。

圖14  根據(jù)鋼板不同厚度上力學(xué)性能和ZRA (鋼板厚度方向拉力試驗(yàn)的斷面收縮率)

圖15為200 mm鋼板夏比v型缺口試驗(yàn)全低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果，低沖溫度為0℃~ -60℃。-50℃時(shí)，平均吸收能量105 J，最小吸收能量78 J。

圖15  200mmt板中心位置夏比v型缺口試驗(yàn)的全溫度曲線

熱影響區(qū)力學(xué)性質(zhì)：

鋼板的詳細(xì)焊接條件見(jiàn)表3。200mmt板采用埋弧焊焊接；開(kāi)槽角30?，根部開(kāi)口5mm。預(yù)熱溫度為120℃，焊層間溫度設(shè)計(jì)為120 - 250℃。

表3  A516-70鋼板焊接條件

從表4可以看出，PWHT后的試樣均在母材處斷裂，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率與母材幾乎處于同一水平。圖16顯示了在-30℃下根據(jù)熱輸入和PWHT條件評(píng)估的熱影響區(qū)沖擊韌性測(cè)試結(jié)果。從以上結(jié)果可以確定，在-29℃低溫下，至少有100 J，韌性可以得到保證。 

表4  熱影響區(qū)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖16  -29℃低溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

概述

浦項(xiàng)制鐵巨型連鑄機(jī)(PosMC)是由浦項(xiàng)制鐵公司自行研制的一種用于特大斷面板坯的垂直半連續(xù)鑄機(jī)。其板坯的收得率比鑄錠高13%，截面尺寸比常規(guī)連鑄機(jī)大得多。它是在浦項(xiàng)制鐵第一煉鋼廠建造的。PosMC的運(yùn)行結(jié)果如下:

1.到目前為止，300爐鋼水通過(guò)連鑄機(jī)沒(méi)有任何設(shè)備和操作問(wèn)題，大多數(shù)鋼種，如中碳結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高合金鋼都成功澆鑄，它們的表面和內(nèi)部質(zhì)量都比鑄錠的質(zhì)量好，易于后續(xù)工藝接受。

2.運(yùn)用ANSYS Fluent軟件，結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和冶金專業(yè)知識(shí)，明確解決了結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面凍結(jié)、中間包內(nèi)鋼水凍結(jié)、超低澆鑄拉速、鑄坯尾部較大縮孔、順序澆鑄等工程問(wèn)題。

3.為解決尾坯頂部縮孔問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了面向PosMC鑄造的FSCM工藝，采用FSCM后，鑄坯尾坯內(nèi)部縮孔長(zhǎng)度從L明顯縮短到0.45L。

4.通過(guò)提高熱鑄坯表面溫度和熱切割鑄坯，大大降低了鑄坯表面裂紋出現(xiàn)的頻率和深度。

5.在鑄造和鍛造過(guò)程中，通過(guò)最佳的鋼水流動(dòng)，獲得了鑄坯內(nèi)部完好性，沒(méi)有中心偏析和疏松。

6.用PosMC板坯制成的超厚鋼板等最終產(chǎn)品在焊接前后均具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

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4.K. Yasumoto,T. Nagamichi, Y. Maehara and K.Gunji, Tetsu-to-Hagané, Vol. 14, 1987, p. 1738.

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6.C.H. Yim,G.S. Jung, H.J. Kim and S.H. Kwon, GIFT research report, 2019.

作者

K.S. Oh：Head ofPosMC Technology Development TF Team, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic ofKorea goldsteel@posco.com

J.D. Lee：PosMCTechnology Development TF Team, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic of Korea

T.I. Chung：PosMCTechnology Development TF Team, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic of Korea

D.W. Kim：PosMCTechnology Development TF Team, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic of Korea

C.K. Jeong：PosMCTechnology Development TF Team, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic of Korea

U.K. Cho：PosMCTechnology Development TF Team, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic of Korea

H.S. Oh：SuperintendentPohang Works, POSCO, Pohang, Gyeongsangbuk, Republic of Korea

唐杰民2021年7月7日在安徽黃山屯溪翻譯自美國(guó)《鋼鐵技術(shù)》軋制2021年第7期，水平有限，請(qǐng)各位看官對(duì)不妥之處給予指正。

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