304不銹鋼連鑄過程中結(jié)晶器傳熱問題分析

304不銹鋼連鑄過程中結(jié)晶器傳熱問題分析

鋼中的氫脆問題已被廣泛理解。在20世紀(jì)70年代,Oriani和Hirth先后全面地總結(jié)了氫對(duì)鋼鐵性能的影響。另外,肖紀(jì)美對(duì)氫脆機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。然而,對(duì)于氫含量在不銹鋼連鑄過程中的影響及分析的報(bào)道較少。本文通過對(duì)不銹鋼生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,確定氫含量會(huì)對(duì)不銹鋼的連鑄過程產(chǎn)生影響,并分析了氫含量對(duì)結(jié)晶器傳熱的影響規(guī)律,有助于更快更準(zhǔn)確的分析連鑄過程的異常狀況,并采取有效措施,為更好的控制不銹鋼連鑄過程提供參考。130異常出現(xiàn)時(shí)結(jié)晶器溫度和熱通量變化304不銹鋼的生產(chǎn)工藝路線如下:電爐→AOD爐→LF爐→連鑄。在生產(chǎn)過程中,工藝參數(shù)保持不變,但在連鑄過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱通量明顯下降,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)漏鋼。由結(jié)晶器專家系統(tǒng)監(jiān)測(cè)圖可知,異常出現(xiàn)時(shí),結(jié)晶器溫度突然下降,從120℃降至80℃;摩擦力逐漸減小,從20kN/m2降至12kN/m2;熱通量逐漸減小,從1.2MW/m2降至1.0MW/m2;異常出現(xiàn)的全過程時(shí)間較短,不到20min。顯然,在此過程中,結(jié)晶器內(nèi)的傳熱在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較大變化。在出現(xiàn)問題時(shí)結(jié)晶器液位并沒有明顯變化,所以不易被發(fā)現(xiàn),難以及時(shí)處理,很可能引起連鑄漏鋼的嚴(yán)重事故。結(jié)晶器摩擦力和熱通量突然發(fā)生變化,說(shuō)明結(jié)晶器內(nèi)的傳熱受到了影響。2晶體探測(cè)器的開口影響因素2.1錐度變化的影響在結(jié)晶器的傳熱過程中,氣隙的影響最大,占總熱阻的70%~90%,而在連鑄過程中影響氣隙變化的主要是結(jié)晶器在使用過程中錐度會(huì)發(fā)生變化。隨著過鋼量的增加,結(jié)晶器銅板磨損程度增加,結(jié)晶器錐度變小,不利于消除凝固收縮過程中產(chǎn)生的氣隙,使得傳熱熱阻增加,熱通量減小。結(jié)晶器磨損對(duì)傳熱的影響是在長(zhǎng)期使用過程中逐漸形成的,不會(huì)引起傳熱在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化,而結(jié)晶器其他參數(shù)在連鑄過程中基本無(wú)變化或變化緩慢,所以連鑄結(jié)晶器專家系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的異常情況應(yīng)該另有原因。2.2保護(hù)渣范圍及用量使用不同類型保護(hù)渣的結(jié)晶器,其傳熱效率會(huì)有明顯的差別。加渣不均勻,使保護(hù)渣不能均勻覆蓋在鋼液面,或加渣不及時(shí),使得液面見紅或鋼液直接裸露,這些都將影響液態(tài)渣均勻地流入到坯殼和結(jié)晶器之間的氣隙中,從而影響結(jié)晶器傳熱。連鑄過程中結(jié)晶器傳熱出現(xiàn)異常的爐次與正常爐次使用的保護(hù)渣為同一批次,成分及性能無(wú)差異。所以對(duì)于連鑄過程中出現(xiàn)的結(jié)晶器熱量傳輸異常,保護(hù)渣的影響也可排除。2.3校核及設(shè)備選型確定由于在連鑄過程中保持工藝參數(shù)不變,所以拉速、冷卻水量、澆鑄溫度、結(jié)晶器液面等對(duì)結(jié)晶器傳熱的影響也可排除。對(duì)發(fā)生漏鋼的結(jié)晶器進(jìn)行檢查也未發(fā)現(xiàn)有結(jié)垢現(xiàn)象。排除其他影響傳熱的主要因素后,鋼液成分成為出現(xiàn)問題的主要影響因素。對(duì)漏鋼爐次、熱通量明顯下降爐次,以及正常爐次對(duì)應(yīng)的鑄坯成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,除H含量外其他成分都無(wú)太大差別,其H含量分析結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,正常爐次的氫含量在(4~7)×10-4%之間,熱通量明顯下降爐次的氫含量(7.5~10)×10-4%之間,漏鋼爐次的鑄坯上的氫含量最高,氫含量在10×10-4%以上?？梢哉J(rèn)為,漏鋼爐次、熱通量明顯下降爐次以及正常爐次中的氫含量差異較大,當(dāng)304不銹鋼中氫含量超過7.5×10-4%時(shí),會(huì)影響連鑄過程的傳熱;氫含量超過10×10-4%時(shí),很可能會(huì)出現(xiàn)連鑄漏鋼事故。美國(guó)鋼鐵公司也發(fā)現(xiàn)了鋼液中氫含量對(duì)連鑄傳熱的影響,采用統(tǒng)計(jì)方法分析了有關(guān)結(jié)晶器導(dǎo)熱的幾個(gè)基本過程參數(shù)的相對(duì)重要性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋼種和保護(hù)渣一定的情況下,對(duì)連鑄結(jié)晶器傳熱影響最顯著的兩個(gè)因素是拉速和鋼液氫含量;并且對(duì)于成分相差較大的幾個(gè)鋼種進(jìn)行研究后,都發(fā)現(xiàn)鋼液氫含量與結(jié)晶器導(dǎo)熱量間有很好的相關(guān)關(guān)系。3鋼液氫含量對(duì)結(jié)晶器傳熱的影響結(jié)晶器傳熱由以下環(huán)節(jié)組成:(1)熱量穿過保護(hù)渣渣膜或氣隙到結(jié)晶器;(2)熱量穿過結(jié)晶器壁;(3)由結(jié)晶器與冷卻水界面?zhèn)鞯嚼鋮s水。由于冷卻水與結(jié)晶器界面的熱阻遠(yuǎn)小于結(jié)晶器壁與坯殼間的熱阻,因此傳熱速率的決定性條件應(yīng)是結(jié)晶器與坯殼間的界面條件,所以保護(hù)渣性能是影響結(jié)晶器傳熱的關(guān)鍵因素。在正常操作條件下,冷卻水與結(jié)晶器壁間的傳熱條件保持不變,那么保護(hù)渣性能就是唯一變量。文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)已證明帶有微孔的保護(hù)渣可以降低結(jié)晶器的熱流,鋼液氫含量對(duì)連鑄傳熱的影響可能與保護(hù)渣中微孔對(duì)傳熱的影響相類似。氫在鋼液中的溶解反應(yīng)可表示為:鋼液中氫的溶解度304奧氏體不銹鋼的典型成分如表1所示。由304不銹鋼的化學(xué)成分可以計(jì)算出其鋼液不同氫壓力下的平衡氫濃度,計(jì)算結(jié)果如圖2所示。可以看出,氫分壓101.325Pa下,1600℃時(shí),304不銹鋼中氫含量達(dá)到飽和時(shí)為27×10-4%。Yagodzinskyy等人的研究結(jié)果顯示,AISI310、AISI301LN、AISI201鋼固態(tài)下氫的飽和溶解度分別是13.84×10-4%、7.831×10-4%、4.199×10-4%。其中304不銹鋼與AISI301LN的成分接近,所以氫的飽和溶解度也接近,約7.831×10-4%。在連鑄過程中,隨著鋼液溫度降低,鋼液開始凝固,氫在304不銹鋼中的飽和溶解度降低,鋼液中的氫從凝固前沿聚集到鋼液表面,再由此進(jìn)入液態(tài)的保護(hù)渣層中。氣態(tài)氫不溶解于液態(tài)保護(hù)渣,但卻很可能以氫氣泡的形式被捕捉于其中。從鋼液中逸出的氫量增加,相應(yīng)地會(huì)引起液態(tài)保護(hù)渣中氫含量的增加,而渣中氫則以微孔形式出現(xiàn),這樣就會(huì)使保護(hù)渣薄膜層熱阻增加,使結(jié)晶器的導(dǎo)熱量減少。根據(jù)漏鋼爐次、熱通量明顯下降爐次以及正常爐次中的氫含量分析結(jié)果顯示,鋼中氫含量超過7.5×10-4%時(shí),會(huì)影響連鑄過程的傳熱;鋼中氫含量超過10×10-4%時(shí),會(huì)出現(xiàn)連鑄漏鋼事故。鋼液氫含量對(duì)結(jié)晶器傳熱的影響主要與保護(hù)渣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān),Zasowski等人的研究指出任何保護(hù)渣都存在著一個(gè)“氫點(diǎn)”。當(dāng)鋼液氫含量較低時(shí),結(jié)晶器導(dǎo)熱量隨拉速變化較大,但隨著氫含量增加,拉速的影響變小;當(dāng)氫含量達(dá)到“氫點(diǎn)”時(shí),結(jié)晶器的導(dǎo)熱量不再隨拉速變化。這說(shuō)明鋼液氫含量達(dá)到“氫點(diǎn)”時(shí),結(jié)晶器導(dǎo)熱性能達(dá)到了給定條件的最小值,連鑄過程就不能再正常運(yùn)行。隨著保護(hù)渣薄膜中微孔量的增加,結(jié)晶器的潤(rùn)滑效果變差。當(dāng)氫含量接近“氫點(diǎn)”時(shí),結(jié)晶器甚至沒有了潤(rùn)滑,最終導(dǎo)致粘結(jié)漏鋼。上述研究中,保護(hù)渣的“氫點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的鋼液H含量為8×10-4%~10×10-4%。而在本文中,漏鋼爐次鑄坯上的氫含量為10×10-4%以上,超過了保護(hù)渣的“氫點(diǎn)”,因而影響了結(jié)晶器內(nèi)的傳熱,以至于出現(xiàn)了漏鋼。4連鑄過程熱通量的改善通過前面分析可知,氫含量是304不銹鋼連鑄過程中結(jié)晶器傳熱的影響因素。為避免再次出現(xiàn)由于氫含量變化而出現(xiàn)連鑄漏鋼、連鑄過程中熱通量明顯下降兩個(gè)問題。采取了如下措施:(1)檢查冶煉過程中使用的石灰、螢石等輔料的干燥程度,避免使用潮濕的輔料;(2)在LF爐采用定氫儀檢測(cè)鋼液中的氫含量;(3)保證結(jié)晶器保護(hù)渣的干燥,禁止使用受潮的保護(hù)渣。通過采取上述措施,控制304不銹鋼中氫含量在7×10-4%以下,連鑄過程中結(jié)晶器傳熱再未受到氫含量的不利影響。5連鑄過程會(huì)造成連鑄漏鋼事故(1)氫含量是304不銹鋼連鑄過程中結(jié)晶器傳熱的影響因素;(2)304不