控制高碳鋼中心碳偏析的工藝實踐

田振，張慶雷，許繼勇，于廣

（日照鋼鐵控股集團有限公司第一煉鋼廠，山東日照 276806）

生產(chǎn)技術

控制高碳鋼中心碳偏析的工藝實踐

田振，張慶雷，許繼勇，于廣

（日照鋼鐵控股集團有限公司第一煉鋼廠，山東日照 276806）

針對方坯連鑄過程中產(chǎn)生的連鑄坯中心偏析問題，日鋼第一煉鋼廠采取了一系列控制措施，如減少鋼液成分波動、降低中間包內鋼液過熱度、制定合適的拉速和溫度匹配制度并保持恒拉速、優(yōu)化結晶器電磁攪拌參數(shù)、控制合適的二冷強度、使用凝固末端電磁攪拌等，使高碳鋼鑄坯中心偏析明顯改善，w［C］≥0.60%的高碳鋼中心碳偏析（≤1.5級）合格率100%。

高碳鋼；方坯連鑄；中心碳偏析；電磁攪拌

1 前言

連鑄坯中心碳偏析是指位于鑄坯中心部位的C元素含量明顯高于其他部位的宏觀偏析現(xiàn)象。高碳鋼鑄坯中心碳偏析會導致盤條的內部質量惡化，控冷不好時有可能產(chǎn)生馬氏體組織，導致盤條心部的塑性及強度與基體差異較大，從而在生產(chǎn)鋼絞線以及鋼簾線的拉拔工藝中產(chǎn)生脆性斷裂，多呈45°杯錐狀斷口，降低產(chǎn)品的使用質量［1-3］。

日鋼第一煉鋼廠目前生產(chǎn)高碳鋼的工藝路線為：鐵水→混鐵爐→60 t頂?shù)讖痛缔D爐→LF爐→連鑄。轉爐采用高碳出鋼（w［C］≥0.20%）工藝路線，以降低終點鋼水自由氧含量，提高合金收得率和鋼水潔凈度；精煉采用電石脫氧快速成渣，出鋼后喂線鈣處理；六機六流弧形連鑄機生產(chǎn)160 mm×160 mm小方坯，采用全程保護澆注、結晶器和凝固末端電磁攪拌。對于w［C］≥0.60%的高碳鋼，中心碳偏析不合格率（≥2.5級）為8%，平均中心碳偏析為1.12，中心碳偏析成為高碳鋼質量提高的主要限制性環(huán)節(jié)。

2 中心碳偏析原因分析

碳偏析是由于凝固末端樹枝晶搭橋或鑄坯鼓肚，促使凝固末端富集溶質元素的鋼液流動的結果。鑄坯在凝固過程中，隨著表層凝固厚度增加，鑄坯內部向外傳熱能力降低，鑄坯開始呈現(xiàn)定向凝固，形成由外向內的長條狀樹枝晶。由于選分結晶的原因，溶質元素C、S、P等向液相區(qū)積聚，當鑄坯局部出現(xiàn)個別柱狀晶增長而產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象時，富集溶質元素的鋼液被封閉形成小鋼錠效應，在該處形成此類元素的正偏析，并產(chǎn)生疏松、縮孔等缺陷［2］。

因此，為控制鑄坯的中心碳偏析就要減少凝固末端樹枝晶搭橋，以減少凝固相富集溶質元素的鋼液流動。生產(chǎn)高碳鋼時，首先針對C、S、P等易偏析元素的影響要保證鋼液的純凈度，其次要嚴格控制連鑄工藝參數(shù)，如鋼水溫度、拉速、二次冷卻強度、電磁攪拌等，來控制高碳鋼中心碳偏析［4］。

3 鑄坯中心碳偏析控制措施

3.1 鋼液成分波動控制

鋼中C、S、P含量越高，鑄坯中心偏析也越大。通過轉爐高拉碳低溫去［P］及LF爐精煉脫［S］后，日鋼第一煉鋼廠高碳鋼的w［P］、w［S］含量均較低，對中心偏析影響較小，但是高碳鋼因含碳量較高，其碳偏析度也相應提高。當w［C］≥0.60%時，中心偏析急劇增大。因此，在實際生產(chǎn)過程中必須保證鋼包內成分均勻。實踐發(fā)現(xiàn)，精煉控制C偏差在± 0.01%，確保連澆爐次間的窄成分控制，由成分波動導致的中心碳偏析能夠最大程度得到抑制。

3.2 過熱度的控制

中間包鋼水過熱度高低是影響高碳鋼等軸晶區(qū)大小的重要參數(shù)之一。生產(chǎn)過程中為了擴大鑄坯內部等軸晶網(wǎng)格比例，抑制柱狀晶的形成，則可以采取中間包低過熱度澆鑄。中包過熱度較高時，鑄坯內部柱狀晶區(qū)域便會擴大，在中心產(chǎn)生柱狀晶搭橋的概率相應增大，容易形成中心疏松和縮孔，同時鑄坯內部會產(chǎn)生嚴重的中心偏析。因此，在修訂高碳鋼的連鑄中包過熱度工藝制度時要綜合考慮，使之既能滿足鑄坯所需的等軸晶區(qū)，又要提高中心等軸晶的比例。

LF爐精煉嚴格執(zhí)行鋼包上臺溫度制度，上臺溫度波動控制在10℃以內，同時在生產(chǎn)過程中保證連鑄的過熱度合格率，中包鋼液過熱度20～30℃的合格率由85%提高到94.5%以上。目前C72DA鋼目標過熱度控制在24℃。統(tǒng)計表明，改進后（統(tǒng)計45爐），平均過熱度由改進前（統(tǒng)計30爐）的32.4℃下降到25.5℃，平均碳偏析級別由1.10降低到1.05。

經(jīng)過技術攻關，嚴格控制連鑄澆注溫度波動，統(tǒng)計表明，其他條件相同的情況下，澆注溫度波動由改進前（統(tǒng)計22爐）的10.5℃降低到改進后（統(tǒng)計17爐）的8.2℃時，C72DA鋼平均中心碳偏析指數(shù)由1.09降低到1.05?？梢姖沧囟仍椒€(wěn)定，鑄坯平均中心碳偏析值越低。因而，保證整個鋼包區(qū)域溫度的相對穩(wěn)定，提高鋼包和中包保溫效果，減少中間包散溫，降低澆注過程溫度波動，保障生產(chǎn)穩(wěn)定順行，從而降低鑄坯中心碳偏析。

3.3 恒拉速

對于生產(chǎn)高碳鋼來說，適當降低拉速有利于提高鑄坯內部質量。低拉速使鑄坯在離開結晶器時坯殼厚度增加，足以承受鋼液的靜壓力，降低鼓肚發(fā)生頻率；反之，液相穴會隨著拉速的提高而延長，液相穴越長則中心偏析越重。

在生產(chǎn)過程中，一般希望得到較短的液相穴，鋼液流動性良好，易于補縮，因此要求根據(jù)鋼液過熱度對拉速進行修正。中間包溫度一定的條件下，過分降低拉速會造成中間包內熱損失增加，導致澆注后期大包溫度低、中包水口結瘤，造成拉速波動，影響鑄機生產(chǎn)節(jié)奏和鑄坯內部質量。

綜合以上因素，結合日鋼現(xiàn)有鑄機設備狀況以及鑄坯斷面尺寸，在穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏且減小拉速波動的前提下，對原有拉速和溫度制度進行修改，制定如表1所示的拉速和鋼水過熱度匹配制度。

表1 日鋼兩種鋼不同過熱度對應的拉速m/min

統(tǒng)計表明（見表2），C72DA鋼過熱度25℃、拉速1.9 m/min時碳偏析最低。拉速低時碳偏析降低，在日鋼第一煉鋼廠現(xiàn)有條件下，過熱度20～28℃，拉速為1.9 m/min時效果最佳，其對應的鑄坯中心碳偏析級別較低，同時能獲得較好的鑄坯表面質量。

表2 C72DA鋼不同拉速的平均碳偏析

3.4 結晶器電磁攪拌參數(shù)的調整

通過結晶器電磁攪拌可以強制鑄坯內部鋼水產(chǎn)生流動，從而抑制柱狀晶在凝固前沿的定向生長，擴大鑄坯中心部位的等軸晶區(qū)，減輕中心碳偏析的程度。日鋼第一煉鋼廠通過降低運行電流和提高運行頻率，調整結晶器電磁攪拌方式，結果表明，C72DA鋼在二冷比水量為1.2 L/kg時，采用結晶器電磁攪拌（M-EMS）可使等軸晶比例提高到39.5%以上，碳偏析指數(shù)也由平均1.07降到1.04，中心碳偏析合格率由95.5%達到100%。

3.5 二冷強度的控制

適宜的二次冷卻強度對提高高碳鋼的內部質量非常有利。二次冷卻強度太弱，凝固殼坯太薄，坯殼受到鋼水的靜壓力易形成鼓肚甚至漏鋼，造成嚴重的中心碳偏析；二次冷卻強度過大，鑄坯坯殼快速冷卻，坯殼內部液態(tài)區(qū)域向外傳熱效率有限，導致斷面溫度梯度增大，鑄坯柱狀晶區(qū)域擴大。

日鋼第一煉鋼廠生產(chǎn)方坯斷面較?。?60 mm× 160 mm），適當強冷可促進鑄坯表層細小等軸晶的生長，增加激冷層厚度，加快柱狀晶生成，減少凝固后期富集溶質元素鋼液的流動，從而降低中心碳偏析。統(tǒng)計表明，在其他條件不變的情況下，二冷采用弱冷，C72DA鋼種比水量由改進前的1.5 L/kg降至1.2 L/kg后，鑄坯中心平均碳偏析指數(shù)由1.08（試樣量42個）顯著降低到1.03（試樣量50個）。

3.6 應用凝固末端電磁攪拌

應用凝固末端電磁攪拌（F-EMS）的目的是改善鑄坯的中心偏析。F-EMS攪拌固液兩相區(qū)，通過電磁力打碎的樹枝晶碎片可作為等軸晶的核心，增加兩相區(qū)局部傳熱，消除搭橋，減輕樹枝晶間富集溶質液體的流動，使心部偏析金屬趨于均勻，同時產(chǎn)生較多的結晶核。這樣能擴大等軸晶區(qū)、細化晶粒，形成較寬的細小等軸晶帶，獲得良好的鑄坯內部質量。

日鋼第一煉鋼廠從2011年開始對60#以上高碳鋼種使用未端電磁攪拌，鑄坯取得了較好的內部質量，鑄坯中心碳偏析有所降低，且無心部裂紋。經(jīng)過多次試驗對凝固末端電磁攪拌系統(tǒng)的頻率和電流進行優(yōu)化，末端電磁攪拌電流調整為230～300 A，頻率調整為3～10 Hz。C72DA高碳鋼鑄坯中心碳偏析得到有效控制，中心碳偏析合格率達到100%，平均碳偏析指數(shù)由1.12降至1.02以下，且碳偏析指數(shù)≤1.02的樣本比例達到95%以上，特別是SWRH82B鋼中心碳偏析指數(shù)≤1.03的比例達到100%。

4 結語

日鋼第一煉鋼廠采取降低中間包溫度、恒拉速、降低二次冷卻溫度、優(yōu)化電磁攪拌參數(shù)等控制中心碳偏析的措施后，w［C］≥0.60%的高碳鋼中心碳偏析（≤1.5級）合格率達到100%，平均中心碳偏析指數(shù)≤1.02的樣本比例達到90%以上，特別是SWRH82B鋼的索氏體比例＞90%。高碳鋼性能穩(wěn)定，完全能夠滿足用戶需求。

［1］蔡開科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994：332-333.

［2］Chen Y,Feng F,Lin K,et a1.Improvement of Center Segregation for High Carbon Steel Bloom［C］//USA.IRON&STEEL SOCIETY.Steelmaking Conference Proceedings.1996.

［3］朱志紅.連鑄板坯中心偏析的成因及預防措施調研［J］.重鋼技術，2007，50（4）：7-10.

［4］桂美文，覃之光.82B高碳鋼連鑄坯中心偏析及線材質量的改善［J］.煉鋼，2005，21（3）：1-4.

ProcessPracticeof Controlling Central Carbon Segregation of High Carbon Steel

TIAN Zhen,ZHANG Qinglei,XU Jiyong,YU Guang
（The No.1 Steelmaking Plant of Rizhao Steel Holding Group Co.,Ltd.,Rizhao 276806,China）

A series of measures were taken to solve the problem of central carbon segregation in billet in No.1 Steelmaking Plant of Rizhao Iron and Steel Co.,Ltd.,including reducing the liquid steel composition fluctuation,decreasing the superheat of hot metal in the tundish,developing an appropriate matching system of casting speed and temperature,keeping a constant casting speed, optimizing mould electromagnetic stirring parameters,controlling suitable secondary cooling strength,using the solidification end electromagnetic stirring and so on.The central segregation in high carbon steel billet was obviously improved.The pass rate of central carbon segregation(≤1.5 level)of high-carbon steel with≥0.60%carbon content is 100%.

high carbon steel;billet continuous casting;central carbon segregation;electromagnetic stirring

TF777.2

：B

：1004-4620（2014）01-0012-02

2013-05-06

田振，男，1987年生，2011年畢業(yè)于東北大學鋼鐵冶金專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為日照鋼鐵第一煉鋼廠連鑄工程師，從事連鑄工藝技術工作。