針對(duì)400系不銹鋼板坯受鋼種成分、凝固特點(diǎn)、組織結(jié)構(gòu)等特征因素的影響，分析了板坯寬度精度控制達(dá)標(biāo)率低的問(wèn)題，在穩(wěn)定鋼水質(zhì)量、穩(wěn)定鋼水凝固過(guò)程控制的前提下，以長(zhǎng)期積累的過(guò)程控制參數(shù)數(shù)據(jù)和板坯寬度數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，以線(xiàn)性回歸的統(tǒng)計(jì)方法建立了二冷區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻強(qiáng)度的優(yōu)化方案，優(yōu)化后板坯寬度合格率大幅度提高，410S板坯寬度質(zhì)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，具有高溫強(qiáng)度低、凝固結(jié)晶速度快、柱狀晶發(fā)達(dá)等特點(diǎn)。受鋼種特性和生產(chǎn)過(guò)程控制影響，F(xiàn)e-Cr系鐵素體不銹鋼板坯寬度始終是影響成材及后續(xù)軋制的重點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。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(jié)晶器設(shè)定尺寸及錐度、保護(hù)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(qū)(尤其是扇形段2～4段)冷卻強(qiáng)度，甚至季節(jié)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(wěn)定鋼水質(zhì)量、穩(wěn)定鋼水凝固過(guò)程控制的前提下，重點(diǎn)攻關(guān)熱坯凝固收縮過(guò)程控制，以長(zhǎng)期積累的過(guò)程控制參數(shù)數(shù)據(jù)和板坯寬度數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，以線(xiàn)性回歸的統(tǒng)計(jì)方法建立二冷區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻強(qiáng)度的優(yōu)化方案，達(dá)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(chǎn)現(xiàn)狀

2.1 鋼水成分

鋼水成分是影響不銹鋼(α+γ)兩相區(qū)高溫強(qiáng)度、塑性、板坯延展性的直接因素，尤其是C、N含量會(huì)明顯影響兩相區(qū)比例，改變不銹鋼的性能(見(jiàn)圖1)。隨著鋼中C、N含量的增加，兩相區(qū)擴(kuò)大，兩相區(qū)的強(qiáng)度高、塑性低，這就使得C、N含量高的鋼液在連鑄過(guò)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?qū)挸叽纭?/span>

圖1 C、N對(duì)Fe-Cr合金γ圈[(α+γ)/α相界]的影響

以410S不銹鋼為例，東恒不銹鋼連鑄開(kāi)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(dá)到95%以上的達(dá)標(biāo)率。穩(wěn)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(qū)冷卻水冷卻強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)微調(diào)提供了可控條件。

2.2 結(jié)晶器設(shè)定參數(shù)

結(jié)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(zhì)量，鐵素體不銹鋼往往采用較高的過(guò)熱度和較弱的結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度。這使得初生坯殼更薄，鑄坯在出結(jié)晶器下口時(shí)有更大的變形量;而且如果二次冷卻強(qiáng)度偏弱，結(jié)晶器設(shè)定寬度對(duì)板坯最終寬度的作用將減弱。這意味著當(dāng)二次冷卻水量小于一定值后，板坯寬度延展量將增大，同時(shí)與設(shè)定寬度不再呈相對(duì)線(xiàn)性的關(guān)系。因此鐵素體不銹鋼連鑄板坯寬度控制多采用固定結(jié)晶器設(shè)定參數(shù)、根據(jù)鋼水情況動(dòng)態(tài)調(diào)整二冷水強(qiáng)度的方式來(lái)提高板坯寬度達(dá)標(biāo)率。

東恒不銹鋼長(zhǎng)期生產(chǎn)均固定結(jié)晶器參數(shù)，如上、下口尺寸、錐度設(shè)定和結(jié)晶器冷卻水流量等，僅以鋼種不同作為調(diào)整依據(jù)。這使得不銹鋼板坯寬度受結(jié)晶器設(shè)定參數(shù)影響較小。

2.3 二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度

二次冷卻水作為初生板坯的直接冷卻媒介，對(duì)初生坯殼強(qiáng)度、液芯位置、凝固過(guò)程等是最直接的影響因素，在脫離結(jié)晶器后，板坯以初生坯殼、結(jié)晶層、液芯的組合形式進(jìn)入二冷區(qū)，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(fā)展的趨勢(shì)。即使固定結(jié)晶器控制參數(shù)且過(guò)程無(wú)任何波動(dòng)，由于板坯初生坯殼具有較低的強(qiáng)度和較高的塑性變形特征，一旦二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度發(fā)生改變，板坯會(huì)因此出現(xiàn)延展或收縮。二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度無(wú)法固定的原因在于，初生坯殼強(qiáng)度和塑性變形能力對(duì)鋼液成分尤其是奧氏體形成元素具有強(qiáng)敏感性，澆鑄過(guò)程無(wú)法改變鋼水成分條件，因此動(dòng)態(tài)地根據(jù)鋼液成分調(diào)整二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度成為高精度控制板坯寬度的重要手段。

東恒不銹鋼連鑄過(guò)程以鋼水[C]+[N]含量為參考，根據(jù)板坯寬度控制經(jīng)驗(yàn)調(diào)整二冷水流量，動(dòng)態(tài)定量化調(diào)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(jié)晶器凝固的先決條件。2)拉速是明顯影響板坯寬度的參數(shù)之一，對(duì)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(jìn)4 mm，拉速的提高使坯殼變薄。受鐵素體不銹鋼高溫強(qiáng)度低的性能影響，板坯坯殼越薄越容易發(fā)生外形改變，造成超寬，但因連鑄過(guò)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(jié)晶器內(nèi)的流場(chǎng)以及鋼液對(duì)初生坯殼的沖刷程度。4)保護(hù)渣堿度是影響結(jié)晶器渣層導(dǎo)熱和散熱的主要因素之一。

3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1 化學(xué)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(qū)構(gòu)成，α鐵素體組織凝固高溫強(qiáng)度遠(yuǎn)低于γ奧氏體組織的高溫強(qiáng)度，鋼液凝固過(guò)程，凝固組織的強(qiáng)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(dāng)量(金屬組織奧氏體化程度，計(jì)算公式：Nieq=30[C]+30[N]+0.5[Mn]+[Ni])的形式作為變量設(shè)計(jì)成分，奧氏體形成元素的Ni當(dāng)量值，可作為判定凝固組織高溫強(qiáng)度和塑性變化的依據(jù)(見(jiàn)表1)。

表1 410S不銹鋼影響Ni當(dāng)量的成分設(shè)計(jì) %

3.2 連鑄過(guò)程參數(shù)

連鑄工序的過(guò)程控制以穩(wěn)定為目標(biāo)，固定過(guò)程參數(shù)，為二冷區(qū)動(dòng)態(tài)配水提供穩(wěn)定的可控條件。

連鑄過(guò)程控制參數(shù)設(shè)計(jì)如下：中間包鋼水過(guò)熱度20～35℃;結(jié)晶器水流量，內(nèi)、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(qū)冷卻水強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整

1)建立數(shù)據(jù)庫(kù)：以廣順不銹鋼煉鋼廠生產(chǎn)的2 668爐410S不銹鋼過(guò)程控制記錄和板坯寬度記錄為原始數(shù)據(jù)，形成線(xiàn)性擬合數(shù)據(jù)庫(kù)。

2)線(xiàn)性擬合：采用線(xiàn)性回歸擬合的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)參數(shù)以Ni當(dāng)量為單一變量，以板坯寬度主控制二冷區(qū)2、3、4區(qū)的配水量為函數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖2所示。以二冷區(qū)2區(qū)的配水量為函數(shù)的一次擬合結(jié)果表明，函數(shù)關(guān)系不具備充分的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 二冷區(qū)2區(qū)冷卻強(qiáng)度一次擬合關(guān)系

3)二次擬合：為確保線(xiàn)性擬合結(jié)果準(zhǔn)確、具備實(shí)用性，對(duì)線(xiàn)性擬合結(jié)果取95%置信區(qū)間進(jìn)行二次擬合，見(jiàn)圖3。以二冷區(qū)2區(qū)為函數(shù)的二次擬合結(jié)果表明，顯著性檢驗(yàn)p值<0.001%，具備充分的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 二冷區(qū)2區(qū)冷卻強(qiáng)度二次擬合關(guān)系

4)形成模型：以擬合結(jié)果建立配水模型供實(shí)際生產(chǎn)使用。

4 優(yōu)化方案實(shí)施效果

以線(xiàn)性回歸為統(tǒng)計(jì)方法，建立了二冷區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻強(qiáng)度優(yōu)化方案，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)建立模型，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程在保持原配水制度的情況下，以模型計(jì)算結(jié)果為參考進(jìn)行了較長(zhǎng)期的驗(yàn)證，自2016年開(kāi)始投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，優(yōu)化方案實(shí)施前后板坯寬度合格率對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化方案實(shí)施前后板坯寬度合格率對(duì)比

執(zhí)行優(yōu)化方案后，410S不銹鋼板坯寬度質(zhì)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(yīng)顯著降低(由26.93%降低至14.49%)。優(yōu)化方案的實(shí)施取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量提升效果。