Q345E+Z35大圓坯成分偏析及內部質量控制的研究

李 頗 張 程 申祖峰

(東北特鋼集團北滿特殊鋼有限責任公司技術中心，黑龍江161041)

Q345E+Z35大圓坯成分偏析及內部質量控制的研究

李 頗 張 程 申祖峰

(東北特鋼集團北滿特殊鋼有限責任公司技術中心，黑龍江161041)

利用成分偏析和宏觀組織檢驗方法，研究了連鑄工藝的變化對?650 mm的Q345E+Z35圓坯內部元素偏析、圓坯低倍質量的影響，并驗證了工藝優(yōu)化后的Q345E+Z35連鑄圓坯鍛造加工成品后的質量水平。結果表明：?650 mm的Q345E+Z35連鑄坯可以有效減輕碳偏析，提高低倍質量，通過減輕Q345E+Z35圓連鑄坯料的內部碳成分偏析程度，可有效提升其成品鍛件力學性能的均勻性。

Q345E+Z35；連鑄坯；成分偏析；內部質量

Q345E+Z35是一種低碳低合金高強度鋼，其強度和沖擊要求嚴格，且化學成分受碳當量限制，廣泛應用于風電法蘭的制造，因風電行業(yè)的快速發(fā)展，其需求量大幅度增加。風電法蘭鍛造坯料一般采用連鑄大圓坯生產(chǎn)，然而，大圓坯內部成分存在不可避免的偏析等問題，成為制約鋼材性能和內部質量的關鍵因素[1]。目前，關于Q345E+Z35大圓坯低倍質量、偏析程度控制方面的報道相對較少，相關生產(chǎn)工藝還有待進一步研究。

本文通過對Q345E+Z35連鑄坯生產(chǎn)過程中的連鑄工藝參數(shù)進行有針對性的優(yōu)化試驗，研究了連鑄工藝的變化對?650mm的Q345E+Z35圓坯內部元素偏析的影響，分析了成分偏析與圓坯低倍質量的關系，并進行大規(guī)模生產(chǎn)驗證，探索合理的Q345E+Z35大圓連鑄坯生產(chǎn)工藝，提升連鑄坯的內部質量，從而改善Q345E+Z35風電法蘭加工成品后的內部質量。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為Q345E+Z35連鑄圓坯，內部質量要求極其嚴格，結合結晶器電磁攪拌工藝試驗，進行工藝優(yōu)化與設計，效果顯著提高。表1為試驗連鑄圓坯的化學成分范圍。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數(shù)，%)

1.2 連鑄工藝及生產(chǎn)流程

Q345E+Z35連鑄圓坯采用三機三流弧形圓坯鑄機生產(chǎn)，穩(wěn)定控制冶煉、連鑄過程，嚴格執(zhí)行工藝，注重過程脫氧、脫硫、軟吹與真空效果；有效控制過熱度，減少澆鑄過程鋼水液面波動，使鑄坯內部質量得到保證。冶煉生產(chǎn)工藝流程為：電爐/轉爐→LF精煉爐→RH真空爐→圓坯連鑄→緩冷。相關冶煉設備及技術參數(shù)見表2。

1.3 研究方法

在不同工藝下生產(chǎn)規(guī)格為?650 mm的3個爐號 Q345E+Z35圓坯，對弧形圓坯連鑄機進行工藝參數(shù)調整，具體試驗方案參數(shù)如表3所示，包括首末端電磁攪拌強度、二冷水強度等連鑄參數(shù)的變化。連鑄坯在線火切后快速下坑緩冷，到冷床后在30 min內裝入緩冷坑內，緩冷時間≥80 h，連鑄坯溫度低于150℃后出坑堆冷。

表2 連鑄坯冶煉設備及技術參數(shù)

表3 試驗工藝優(yōu)化方案參數(shù)

每爐任選一流鑄坯，切取3個低倍試片(厚度均≤50 mm)，平片后對每個試片按圖1進行切割：沿中心線切割成8等分；對切割試片進行低倍檢驗后，按下圖將在截面指定位置(邊緣、3/4R、1/2R、1/4R、圓心)共17個試樣切塊后，所取試樣大小均為20 mm×20 mm×20 mm，分別檢測各試樣元素成分，每個試樣至少檢測三點；然后對其他位置均勻鉆沫取樣，進行成分偏析檢驗，圓坯的低倍檢驗方法按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》，試驗方法采用酸浸法，低倍組織缺陷按YB/T 4149—2006《連鑄圓管坯》附錄A評級圖評定。

圖1 圓坯成分取樣位置圖

2 試驗結果及分析

2.1 試驗檢測結果

圖2為三個試驗爐號Q345E+Z35各元素偏析曲線，圖中縱坐標偏析指數(shù)Z由公式：Z=(Xi-Xn)×100/Xn計算得出，Xn為各位置化學元素含量平均值。

由圖2可以看出，(1)首末段電磁攪拌為200 A/2 Hz 和280 A/3 Hz時，C、Si、Mn、Cr、Mo、V等元素均存在不同程度的偏析，C偏析度較大，從邊部到心部呈現(xiàn)不規(guī)則分布。(2)隨著電磁攪拌強度的增大(250 A/2 Hz 、380 A/3 Hz)，各元素偏析度降低，C元素偏析度高于其他元素。(3)電磁攪拌強度為300 A/2 Hz 和4500 A/3 Hz時，C元素的偏析度有所降低，其他元素偏析較小，呈現(xiàn)出表面半徑1/2處最高、心部和邊緣較低的折線形分布。(4)Q345E+Z35鋼種元素總體偏析程度順序為C>Si>Mn>Cr>P>S。

圖3為Q345E+Z35圓坯碳成分偏析曲線，從圖2中可看出，爐號65701和65702圓坯C成分均呈正偏析，爐號65702圓坯在1/2R處C成分最高，邊緣低于圓心處，圓心偏心指數(shù)為33.3；爐號65703圓坯除圓心處C成分呈微量負偏析外，其余各點均為正偏析；爐號65703持續(xù)增加首末段的電磁攪拌強度后，C偏析程度明顯減小。

(a)爐號65701(b)爐號65702(c)爐號65703

圖2 Q345E+Z35各元素偏析曲線

圖3 Q345E+Z35圓坯C成分偏析曲線

圖4 低倍形貌圖

Figure 4 Appearance of macrostructures

圖4為圓坯Q345E+Z35宏觀低倍形貌圖。從圖4可以看出，爐號為65701和65702的鑄坯低倍質量不好，存在明顯的疏松、縮孔等質量缺陷，爐號為65703的鑄坯低倍質量相對較好，質量缺陷相對較低。

2.2 對比分析

表4為低倍檢驗結果對比。爐號為65701和65702的連鑄圓坯首末端電磁攪拌強度相對較低，在二冷水流量相同的情況下，不能較好地破碎柱狀晶，等軸晶形成率偏低，溶質元素易于富集，凝固過程中，易形成疏松縮孔等缺陷。65703爐次在加強了首末段電磁攪拌強度后，晶粒得到了細化，碳化物等溶質元素圓心富集現(xiàn)象得到改善。

C成分對偏析、疏松等質量缺陷影響較大，因而選取不同工藝下的連鑄圓坯均勻鉆沫取樣，對得到的化學成分檢驗結果進行統(tǒng)計，將截面各點的C成分作出C元素偏析指數(shù)等值圖，見圖5。

表4 低倍組織檢驗結果對比

(a)爐號65701

(b)爐號65702

(c)爐號65703

從圖5中可以看出，爐號65701和65702圓坯C成分在1/2R處含量最高，在圓心處碳偏析程度重，碳偏析指數(shù)大于1.15，而爐號65703的中心部碳偏析最輕，碳偏析在1.00左右，且從整個鑄坯面的碳偏析分布上看，爐號65703的碳成分分布較65701、65702相對更均勻，碳偏析程度有所改善。

首末端電磁攪拌強度的增大，有利于鑄坯凝固過程中降低柱狀晶比例，細化鑄坯中形成的等軸晶晶粒。在鑄坯持續(xù)冷卻過程中，等軸晶持續(xù)增加，并與液相共存，減輕了凝固過程中低熔點溶質碳化物在心部的富集，有利于減少中心疏松、中心縮孔與中心偏析，進而提升鑄坯的內部質量[2-5]。

3 改進措施

通過上述試驗可以得出，首末端電磁攪拌強度增加后，連鑄圓坯的成分偏析、疏松、縮孔等質量缺陷得到了一定程度的改善，然而，圓心處依然存在一定程度的碳偏析。通過對上述工藝變化后的3爐圓心碳偏析程度進行對比分析，得出改進方案：適度加強結晶器電磁攪拌強度，讓鋼水在拉坯過程中加快凝固速度，減輕鑄坯碳偏析、疏松及縮孔等問題的同時，適當降低二冷比水量，采用弱二冷工藝，因為過大的二冷比水量使鋼水凝固過快，凝固時間變短，不利于結晶器電磁攪拌對柱狀晶的破碎，使溶質化學元素出現(xiàn)成分偏析。

因此，采用如下連鑄工藝參數(shù)：首端電磁攪拌為300 A/2 Hz，末端電磁攪拌為420 A/2 Hz，二冷比水量為0.12 L/kg，鋼液過熱度控制在20～35℃，拉速為0.24～0.30 m/min。

4 工藝優(yōu)化生產(chǎn)結果及分析

規(guī)格為?650 mm的Q345E+Z35連鑄坯經(jīng)工藝優(yōu)化后 ，進行大規(guī)模生產(chǎn)，并進行鍛造試驗，加熱至1200～1240℃，保溫3 h后，由水壓機進行鍛造，正火溫度800～910℃后空冷，加工成外徑為?1980 mm，內徑為?1600 mm，厚度為200 mm的風電法蘭圈，取樣檢驗。

4.1 化學成分

Q345E+Z35鋼的標準化學成分和規(guī)模生產(chǎn)鑄坯的實測成分見表5。由表5可見，優(yōu)化工藝后批量生產(chǎn)的Q345E+Z35連鑄圓坯成分均可精確控制在標準要求范圍，連鑄坯的碳偏析指數(shù)可控制在有效范圍內，成分均勻度大幅度提高。

4.2 內部質量及成品鍛件力學性能

圖6為工藝優(yōu)化后的低倍形貌及鍛造示意圖，工藝優(yōu)化后的Q345E+Z35連鑄圓坯，其中心疏松≤1.0級，中心縮孔≤0.5級，中心裂紋和皮下裂紋均為0級，內部質量穩(wěn)定，無明顯缺陷。

表6為工藝優(yōu)化后的Q345E+Z35鍛造風電法蘭檢驗結果。成品風電法蘭鍛件按照JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》標準進行超聲檢測，滿足合格級別Ⅰ級。經(jīng)檢驗后各項力學性能全部合格，-50℃沖擊性能均大于100 J，且效果均勻，說明連鑄圓坯偏析等內部質量的提高，有助于改善鍛造后性能。

5 結論

(1)大圓坯 Q345E+Z35中的C 、Si、Mn、Cr、P、S等元素均存在不同程度偏析，元素偏析順序由高到低為：C、Si、Mn、Cr、P、S，C偏析較其他元素重。

表5 Q345E+Z35鋼的標準化學成分和鑄坯實測化學成分對比

(a)鑄坯低倍組織(b)鍛造示意圖(c)鍛造示意圖

圖6 工藝優(yōu)化后的低倍形貌及鍛造示意圖

(2)Q345E+Z35大圓坯邊緣到心部的偏析程度逐漸增加，心部碳化物偏析較大，電磁攪拌強度的增加，有助于減少大圓坯圓心碳偏析程度，提高圓坯內部質量。

(3)Q345E+Z35連鑄大圓坯在采用首末端電磁攪拌強度為300 A/2 Hz、420 A/2 Hz，二冷卻強度為0.12 L/kg，鋼液過熱度控制在25～35℃，拉速為0.240～0.30 m/min時，內部宏觀低倍質量獲得提升，鍛造性能滿足要求。

[1] 齊建軍，李紹杰，趙春風. 微合金元素對Q345E棒材低溫韌性的影響[J]. 熱加工工藝，2009，38(10)：80-81.

[2] 吳耀光，陳遠清，王學兵，等. 大圓坯結晶器電磁攪拌器磁場的數(shù)值模擬[J]. 鋼鐵研究學報，2009，21(7)：13-15.

[3] Tongmin Wang. Simulation study on horizontal continuous casting of round copper billet with electromagnetic stirring[J]. Materials Science Forum,Vols.675-677 (2011) .

[4] 鄭淑國，朱苗勇，于海歧. 圓坯連鑄結晶器電磁攪拌工藝參數(shù)優(yōu)化試驗研究[J]. 東北大學學報，2008(11)：1589-1592.

[5] 田陸，包燕平，黃郁君. 凝固組織對連鑄板坯中心偏析的影響[J]. 北京科技大學學報， 2009(SI)：164-167.

編輯 陳秀娟

Research on Composition Segregation and Internal Quality Control of Q345E+Z35 Round Billet

Li Po, Zhang Cheng, Shen Zufeng

By applying composition segregation and macro structure detection method, effects of the varying continuous casting process on internal element segregation and macro quality of ?650 mm Q345E+Z35 round billet have been researched, meanwhile quality grades of forging products made by Q345E+Z35 round billet from optimized process have been verified. The results showed that ?650 mm Q345E+Z35 continuous casting billet could efficiently reduce carbon segregation and increase macro quality, further by decreasing internal carbon segregation degree of Q345E+Z35 round billet, uniformity of mechanical property of the forging products could be improved obviously.

Q345E+Z35; continuous casting billet; composition segregation; internal quality

2016—12—29

李頗(1975—)，男，碩士研究生，高級工程師，從事鋼鐵冶金研究。

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