重型铸机生产超大断面板坯浦项制铁巨型连铸机

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使用 POSCO 自己的工程公司开发的 POSCO Mega Caster 生产超大截面板坯

浦项重型铸造机生产超大断面毛坯

浦项巨型连铸机（PosMC）是浦项制铁为超大型材板坯开发的立式半连轧机。 板坯的成品率比铸锭的成品率高13%。 该铸造机是在浦项制铁第一炼钢厂制造的。 它可以生产比传统连铸机横截面大得多的板坯。 到目前为止，已铸造了 300 炉钢。 该铸造机不存在任何设备和操作问题。 中碳结构钢、不锈钢、高合金钢等大部分钢种均已铸造成功，板坯表面和内部质量优于钢锭，下道工序合格率高。 能源行业使用的钢材通常要求轧制压下比大于3:1，因此浦项制铁的400mm铸坯生产的钢板最大厚度仅为133mm。 目前该工厂可满足133mm及以上厚度钢板的需求。 ，PosMC的新工艺和优化的轧制工艺具有制造优良超厚板的优势。

低成本生产高利润钢材是钢铁行业组织生产的主要目标之一。 近年来，由于全球竞争，成本增加，为了满足这种需求，需要提高成品率和提高轧制压缩比，并提高产品质量。 钢材的连铸工艺是目前较好的解决方案，但如何用特大断面钢坯和高合金特殊钢替代铸锭工艺尚未解决。 因此，2016年，POSCO及其子公司POSCO E&C、POSCO ICT和POSCO Plantec共同投资开发超大型铸造机（PosMC）。

PosMC工艺具有回收率高、环境友好、减少后续工序等优点。 铸锭工艺因锻造工艺存在回收率低、成本高的缺点。 采用立式半连铸生产700×1800×10000mm超大板坯，比铸锭生产回收率更高，质量更好。

我们从钢水流动和凝固的计算机模拟出发，对铸坯表面质量、尾部板坯缩孔、钢水表面冻结、凝固不规则等问题进行了模拟研究。和重熔，并进行了概念设计和基础设计。 第一炼钢厂建造了一台铸型尺寸为700×1800×10000毫米的工业铸造机。 到目前为止，已通过铸造机铸造了300炉，没有出现任何设备和操作问题。 中碳结构钢、不锈钢、高合金钢等大部分钢种均已铸造成功，其表面和内部质量均优于钢锭。 便于后续工序验收。

最近，大型重型压力容器制造商、工厂和重型机械需要100mm以上的特厚钢板。 此外，这些板材需要严格的冲击韧性指标和内部完整性。 工厂制造商需要厚度达到250mm且具有-60℃低温冲击韧性的厚板，以适应严寒环境。 对于大型机械零件的制造，客户要求较厚的锻件材料（400mm以上）和严格的钢板内部完整性，如清洁度高，超声波检测后无缺陷和偏析。 只有少数钢铁企业能够满足这些客户的要求。 的需求，同时遵守环境友好的限制。

生产特厚板有两种工艺。 浦项制铁拥有厚板生产线。 连铸板坯生产的钢板最大厚度为133mm，钢板成材率高。 但在轧制压下率方面有一定的局限性。 成品钢板不允许连铸板坯的轧制压下率小于3：1。 另一种工艺是用性能优良的钢锭锻造成板坯，然后轧制成厚板，但产量低、成本高。 因此，浦项制铁开发了一种具有两种工艺优点的新型铸造机，以具有竞争力的成本满足客户需求。

工程解决方案

浦项制铁开发了垂直半连续铸造PosMC工艺，可生产厚度为700毫米、宽度为1800毫米的特大板坯。 PosMC的主要规格如表1所示。 PosMC的概念和基本设计如下。

表1 PosMC铸片机主要参数

表2 A516-70钢级的化学成分，以P和S值表示（ppm）

钢水模拟

PosMC 工艺的流体流动建模是使用 ANSYS Fluent 软件对中间包、浸入式水口 (SEN) 和结晶器进行的。

中包：

由于PosMC的浇注速度很低，因此中间包出口处的钢水温度对于防止钢水堵塞中间包进水口非常重要。 在PosMC工艺中，当钢水从钢包向下流向中间包以及从中间包流向结晶器时，在不堵塞水口和塞杆的情况下，钢水的温降必须最小化。 PosMC 的中间包通过安装更厚的耐火材料和隔热板来最大限度地减少钢水的温降。 浇注速度为0.05 m/min时，最大温降在13.1℃以内。 PosMC可以在不堵塞喷嘴的情况下将钢水输送到模具中。 即使在很低的浇注速度下，钢水也能正常地从中间包流入结晶器。

浸入式喷嘴和结晶器：

PosMC的SEN设计思路之一是减少结晶器内钢水液位的波动，以获得结晶器内均匀、平静的钢水液位。 在拉速小于0.1 m/min的情况下，由于流速小于0.1 m/min，存在表面钢水冻结的风险，如图2所示。为了避免冷冻表面，结晶器周围布置有电磁搅拌（EMS）线圈。 在ANSYS Fluent中进行分析，通过电磁场耦合的方法，计算了EMS模型中结晶器内钢水的流动行为，在弯液面内得到了均匀的钢水温度和稳定的钢水流动，如图3所示。

图1 中间包内钢水温降对应中间包内钢水液面高度

图2 使用浸入式水口（SEN）的钢水流动

图3 EMS结晶器内钢水流动

钢水凝固

为了了解大断面尺寸连铸方坯的凝固过程，采用ANSYS Fluent对拉速变化进行计算机模拟，模拟中采用潜热回收方法。 从图4的计算结果可以预测，在拉速、二冷和EMS条件下，可以安全组织生产。

图4 结晶器中使用的凝固模拟：(a) 0.05 m/min 提拉速度，(b) 0.10 m/min 提拉速度

二次冷却工艺

在PosMC连铸机的结晶器下方，下降的板坯由空气-水雾化喷嘴冷却。 目的是减少板坯的鼓胀和连铸生产时间，并增加板坯的表面热延展性（图5）。 为了防止窄面鼓起，每个风扇段均配有两个气水雾化喷嘴，对窄面进行冷却。

图5 在二次冷却过程中，温度和固体壳厚度随距弯液面距离的变化而变化。

导辊

PosMC有一个导向夹紧辊，其设计目的是限制二冷室内铸坯的鼓胀现象。 如图6所示，考虑静态钢水静压，计算出最大胀形量为0.8 mm，胀形应变为0.2%，满足钢坯设计标准。 为了强化PosMC连铸机的扇形截面，采用了轧辊冷却效率更高的螺旋轧辊代替图6中的实心轧辊。计算预测，夹紧辊与铸坯之间的接触温度可以达到340℃，冷却效果比实心实心卷好。 夹紧滚轮。

图 6：导向夹紧滚轮（束凸形和螺旋夹紧滚轮）

减少钢坯内部的缩孔

最终凝固控制方法（FSCM）用于防止板坯顶部预冻。 利用ANSYS Fluent对PosMC方坯顶部的缩孔情况进行预测，如图7所示。从图中可以看出，可以最大限度地减少铸坯顶部的内部缩孔。

图 7 (a) 不使用最终凝固控制方法 (FSCM)，(b) 使用 FSCM，最大限度地减少板坯内的缩孔

板坯质量 PosMC 板坯表面质量改善 低速连铸出现表面裂纹的原因：

在PosMC生产的包晶钢（0.14~0.17%C）板坯中，裂纹沿着奥氏体晶界出现，如图8所示。对于超厚板的最终产品来说，表面磨削是非常必要的。 产生裂纹的主要原因是中碳钢奥氏体晶粒粗化引起的晶界脆化。 研究表明，由于连铸过程中奥氏体晶粒尺寸粗大，晶界非常脆弱。 [1~4] 较大的晶粒在晶界上有更多的硫偏析和沉淀相，如图 9 所示。 [6] Y. Li 等。 [4]采用高温共焦实验研究奥氏体晶粒的生长。 由于抑制晶界迁移的钉扎效应减弱，奥氏体晶粒在高温下转变为铁素体相。 当奥氏体相结束时，它开始快速生长。 在中碳钢 (0.14-0.17mass% C) 中，晶粒生长最快的温度范围是 1473 – 1350°C。 在非常慢的连铸速度下，例如PosMC的连铸速度为0.06~0.10 m/min，由于在最快晶粒生长温度范围内的停留时间较长，奥氏体晶粒易于长大。 更大。

图8 PosMC板坯晶界面裂纹

图9 晶界硫偏析：(a)板坯表面，(b)红色硫偏析

图10为PosMC生产的压力容器厚板坯表面晶粒尺寸测量结果。 PosMC 和传统拉速下的平均晶粒尺寸分别为 5000 微米和 600 微米。 粗大的奥氏体晶粒增加了贝氏体和马氏体相变的倾向。 结果表明，当板坯与冷却辊接触时，板坯表面温度降至430℃。 这种温度下降足以引起贝氏体转变，并且是铸造过程中引起裂纹的主要应力。

图10 PosMC生产的压力容器厚板奥氏体晶粒尺寸对比

减少表面裂纹的新思路：

为了减少PosMC板坯表面裂纹，应避免剧烈温降，提高板坯表面温度，以减少板坯在结晶器下方接触二冷室夹辊时的温降。低拉速。

通过表面各深度的加工和渗透液测试对表面裂纹进行定量评价，如图11所示。通过提高坯料表面温度，坯料表面裂纹深度和分布得到显着改善，首次允许特厚钢板投放市场。

图11 改进前后穿透法检测表面裂纹

正在进一步研究改变结晶器设计、改变连铸速度并研究第二相颗粒析出的钉扎强化效应以防止晶粒尺寸粗化。

减少缩孔

在生产特大断面板坯的连铸机中，板坯顶部的缩孔对成品率影响很大。 因此，减少板坯顶部缩孔非常重要。 为了解决这个问题，FSCM 被开发用于 PosMC 铸造。

应用FSCM后，坯料内部缩孔长度从L0显着缩短至0.45L0，如图12所示。

图12 FSCM对板坯内部缩孔的影响

厚板力学性能

对于特厚钢板，由于轧机轧制压力不足，导致板坯中心疏松，难以压缩，导致中心ZRA质量和冲击韧性下降。 另外，由于板坯中奥氏体晶粒粗大或部分形成贝氏体、马氏体等低温组织，导致焊后热处理（PWHT）的强度和韧性较差。

由于板坯偏析低，PosMC生产的板坯中不存在Mn的中心偏析和A向偏析。 通过充分轧制和焊接，使板坯中心松动，提高了板坯的稳定性。 利用上述特点，开发了大陆工厂重型压力容器用超厚A516-70钢，并对其显微组织和力学性能进行了分析。

基材力学性能：

图13显示了200mmt板用5%硝酸蚀刻液蚀刻后四分之一和中心的显微组织。 珠光体体积分数约为15%，铁素体平均晶粒尺寸分别为26μm和32μm。 由于在整个厚度上形成均匀的铁素体晶粒，因此获得均匀的机械性能。

图13 钢板焊后热处理(PWHT)后1/4厚度及中心处的显微组织

从图14可以看出，可以得到不同厚度方向的屈服强度和抗拉强度。 平均屈服强度为345 MPa，抗拉强度为518 MPa，符合ASTM A516-70规范。 为了避免层状撕裂，ZRA值达到35%以上是非常重要和必要的。 ZRA是拉伸试样在厚度方向上的面积收缩率。 PosMC制造的200mm厚的板材厚度方向的最小面积收缩率为41%。

图14 根据不同厚度钢板的力学性能及ZRA（钢板厚度方向拉伸试验断面收缩率）

图15为200mm钢板夏比V型缺口试验的全低温冲击试验结果。 低冲击温度为0℃~-60℃。 -50°C时，平均吸收能量为105 J，最小吸收能量为78 J。

图15 200mmt板中心位置夏比V型缺口试验全温度曲线

热影响区力学性能：

钢板详细焊接条件见表3。200mmt钢板采用埋弧焊焊接； 沟槽角度为30°，根部开口为5mm。 预热温度为120℃，层间温度设计为120-250℃。

表3 A516-70钢板焊接条件

从表4可以看出，PWHT后的样品均在母材处断裂，屈服强度、抗拉强度和延伸率与母材几乎处于同一水平。 图 16 显示了根据热输入和 PWHT 条件在 -30°C 下评估的热影响区冲击韧性测试结果。 由以上结果可以确定，在-29℃的低温下，至少可以保证100J的韧性。

表4 热影响区拉伸试验结果

图16 -29℃低温冲击韧性测试结果

概述

浦项巨型连铸机（PosMC）是浦项制铁为超大型材板坯开发的立式半连铸机。 其板坯成品率比铸锭高出13%，且其截面尺寸远大于传统连铸机。 它是在浦项制铁第一炼钢厂建造的。 PosMC的运行结果如下：

1、到目前为止，已有300炉钢水通过连铸机，没有出现任何设备和操作问题。 中碳结构钢、不锈钢、高合金钢等大部分钢种均已铸造成功，其表面和内部质量均优于钢锭。 质量好，后续工序容易接受。

2、利用ANSYS Fluent软件，结合实际操作经验和冶金专业知识，明确解决结晶器内钢水液面冻结、中间包钢水冻结、拉速超低、浇口缩孔大等问题板坯尾部、连铸等工程问题。

3、为了解决尾坯顶部缩孔问题，开发了PosMC铸造的FSCM工艺。 使用FSCM后，尾坯内部缩孔长度由L显着缩短至0.45L。

4、通过提高热连铸坯表面温度并对连铸坯进行热切割，使连铸坯表面裂纹的出现频率和深度大大降低。

5.在铸造和锻造过程中，通过最佳的钢水流动获得钢坯内部完整性，无中心偏析和疏松。

6. 由PosMC板制成的超厚钢板等最终产品在焊接前后具有优异的机械性能。

参考

1.KS Oh、JDLee、SJ Kim 和 JY Choi，冶金研究与技术，卷。 112，2015 年，第 112 页。 203.

2.Y。 Maehara、K. Yasumoto 和 Y. Sugitani，ISIJ Transactions，卷。 25，1985 年，第 1045–1092 页。

3.ESSzekeres，第六届国际清洁钢铁会议，匈牙利，2002 年。

4.K。 Yasumoto、T. Nagamichi、Y. Maehara 和 K. Gunji，Tetsu-to-Hagané，卷。 1987 年 14 月，第 14 页。 1738.

5.Y。 李国文，罗丽，刘建，唐鹏，炼铁与炼钢，卷。 42，2015 年，第 41 页。

6.CH Yim、GS Jung、HJ Kim 和 SH Kwon，GIFT 研究报告，2019 年。

作者

KS Oh：韩国庆尚北道浦项市 POSCO 技术开发 TF 团队负责人

JD Lee：PosMC技术开发TF团队，POSCO，浦项，庆尚北道，韩国

TI Chung：PosMC技术开发TF团队，POSCO，浦项，庆尚北道，韩国

DW Kim：PosMC技术开发TF团队，POSCO，浦项，庆尚北道，大韩民国

CK Jeong：PosMC技术开发TF团队，POSCO，浦项，庆尚北道，大韩民国

UK Cho：PosMC技术开发TF团队，POSCO，浦项，庆尚北道，大韩民国

HS Oh：韩国庆尚北道浦项市浦项制铁浦项工厂厂长

唐杰民2021年7月7日安徽黄山屯溪译，摘自美国《钢铁技术》2021年第7期滚动。水平有限。 如果有任何不准确的地方，请纠正我。

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