輕壓下對(duì)板坯Q345鋼內(nèi)部質(zhì)量影響的試驗(yàn)

陳躍軍

（新疆八鋼佳域工貿(mào)總公司）

Q345鋼種連鑄坯生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的中心疏松/偏析等嚴(yán)重影響到鑄坯內(nèi)質(zhì)，主要原因是連鑄坯在凝固的過程中傾向于柱狀晶組織生成，導(dǎo)致柱狀晶的“搭橋”現(xiàn)象產(chǎn)生，從而出現(xiàn)中心疏松和中心偏析[1]。改善鑄坯中心偏析常用的方法有電磁攪拌、低過熱度澆鑄、輕壓下等技術(shù)[2]。但實(shí)踐表明，電磁攪拌易在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生白亮帶而且需要結(jié)晶器/二冷段/凝固末端等多個(gè)攪拌位置的合理組合；低過熱度澆鑄易發(fā)生中間包底結(jié)冷鋼及水口堵塞，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。諸多研究表明[3-4]，輕壓下技術(shù)對(duì)改善鑄坯的中心偏析有顯著的作用,但各使用單位對(duì)輕壓下工藝參數(shù)及效果的確認(rèn)上頗有爭(zhēng)議。本研究的目的就是通過試驗(yàn)對(duì)比得到合理的壓下位置和壓下量參數(shù)及相應(yīng)的拉鋼條件，指導(dǎo)工作。

1 輕壓下壓下位置的設(shè)定

輕壓下控制參數(shù)包括壓下區(qū)間、壓下量和壓下速率等。壓下區(qū)間是輕壓下技術(shù)的一個(gè)重要參數(shù)，它要求在鑄坯凝固末端合適的固相率范圍內(nèi)實(shí)施輕壓下。但因?yàn)闈茶T鋼種的差異以及各企業(yè)鑄機(jī)狀況的差異對(duì)最佳壓下位置不統(tǒng)一,圖1為連鑄坯凝固末端兩相區(qū)示意圖。有關(guān)有文獻(xiàn)認(rèn)為[5]，對(duì)鑄坯實(shí)施輕壓下的適宜部位是相當(dāng)于從鑄坯中心固相率為fs=0.1～0.3到鑄坯中心固相率達(dá)到流動(dòng)極限固相率fsc=0.6(指鋼液達(dá)到流動(dòng)極限時(shí)的固相率)之間的一段鑄坯。認(rèn)為當(dāng)fs＞fsc時(shí)，鋼液黏性很大，基本不會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，若在此階段實(shí)施壓下，很可能對(duì)內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生有害影響。Clyne和Davis等人認(rèn)為這一臨界固相率約為0.85[6]。另有許多文獻(xiàn)認(rèn)為：恰當(dāng)?shù)妮p壓下位置應(yīng)是在鑄坯凝固末端附近某一臨界固相率以上，比如fs＞0.8[1]；VAI[7]則強(qiáng)調(diào)輕壓下區(qū)域應(yīng)位于凝固終點(diǎn)之前某一合適的固相率范圍內(nèi)，在較小或較大的中心固相率范圍采取壓下時(shí)，均達(dá)不到應(yīng)有的效果。

圖1 凝固末端兩相區(qū)示意圖

基于以上文獻(xiàn)分析，認(rèn)為恰當(dāng)?shù)妮p壓下位置應(yīng)是固相率的某一點(diǎn)，而不是某一個(gè)范圍。由于壓下機(jī)架一般約為2m，涵蓋一個(gè)固相率范圍，因此，只要壓下機(jī)架涵蓋這個(gè)起作用的固相率點(diǎn)，再輔以合適的壓下量，輕壓下就可以明顯改善鑄坯中心偏析和中心疏松。

2 靜態(tài)輕壓下單機(jī)架壓下試驗(yàn)

2.1 輕壓下試驗(yàn)工藝

為得到澆鑄Q345板坯的最佳動(dòng)態(tài)輕壓下位置，進(jìn)行幾組對(duì)比試驗(yàn)。以某鋼廠板坯連鑄機(jī)輕壓下系統(tǒng)為例，其具備從8號(hào)至13號(hào)扇形段動(dòng)態(tài)壓下的功能，在16～32m的鑄機(jī)冶金長度范圍內(nèi)均可以實(shí)施壓下,具備進(jìn)行靜態(tài)單機(jī)架壓下試驗(yàn)的條件，以此統(tǒng)計(jì)最佳壓下固相率,既能夠縮短動(dòng)態(tài)輕壓下固相率壓下區(qū)間，又可以減少設(shè)備損傷。

單機(jī)架壓下試驗(yàn)在連鑄作業(yè)區(qū)進(jìn)行，連鑄機(jī)型是直弧形板坯連鑄機(jī)，采用非正弦振動(dòng)、塞棒控制和液面自動(dòng)控制等技術(shù)，二次冷卻采用氣霧冷卻，扇形段采用6點(diǎn)連續(xù)矯直及輕壓下軟件系統(tǒng)。由于該鑄機(jī)生產(chǎn)過程中執(zhí)行輕壓下動(dòng)作的的扇形段大多數(shù)是9段到11段，且鑄坯的中心偏析評(píng)級(jí)較好，所以靜態(tài)輕壓下試驗(yàn)選定的是9、10、11三段。該壓下試驗(yàn)，壓 下 量 分 別 為 0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm 和2.3mm。選擇作靜態(tài)輕壓下鑄坯質(zhì)量分析爐次的連鑄生產(chǎn)主要工藝數(shù)據(jù)見表1。

本試驗(yàn)采用熱酸侵蝕的方法評(píng)價(jià)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。取樣部位為沿垂直于拉坯方向切割橫向鑄坯，取樣鑄坯厚度約為200mm。

表1 中間包鋼水成分及連鑄相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用輕壓下生產(chǎn)的Q345（220mm×1500mm）鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，隨著壓下量和壓下區(qū)間的不同，中心偏析等級(jí)從A1.0到C0.5均有分布液芯長度跟鋼水過熱度、結(jié)晶器冷卻水量、二冷比給水量有直接的關(guān)系，在鋼水過熱度10～28℃。

靜態(tài)輕壓下試驗(yàn)各段壓下量與中心偏析評(píng)級(jí)關(guān)系如表2所示。從表2可以看出，9段壓下量在1.5mm以上，10段壓下量在1.5mm以上，11段壓下量在0.5mm以上，中心偏析評(píng)級(jí)都達(dá)到了C級(jí)。從二冷比給水量、中間包鋼水過熱度、起始?jí)合鹿滔嗦屎徒Y(jié)束壓下固相率。可以看出，比水量高于0.8L/kg，過熱度低于18℃，壓下初始固相率在0.44～0.55，壓下結(jié)束固相率在0.75～0.85時(shí)，中心偏析評(píng)級(jí)都達(dá)到了C級(jí)。

表2 靜態(tài)輕壓下生產(chǎn)鑄坯輕壓下參數(shù)及質(zhì)量情況

3 分析與討論

通常中心偏析受拉速的影響很大，此次試驗(yàn)拉速過程恒拉速控制，波動(dòng)范圍在0.9～1.2m/min,采用固定壓下率，只改變壓下量和壓下區(qū)間。通過低倍可以看出，當(dāng)壓下量大于1.5mm時(shí)，壓下區(qū)間為9段、10段和11段的幾種輕壓下位置均可使連鑄坯中心偏析控制在B1.5以下，當(dāng)壓下量達(dá)到2mm時(shí)，幾種輕壓下位置均可使連鑄坯中心偏析控制在C1.0以下，中心疏松等級(jí)均達(dá)到0.5。說明在上述幾個(gè)輕壓下區(qū)間的壓下均能保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量良好。但是當(dāng)壓下段在10段和11段時(shí)，較小的壓下量就可以使連鑄坯中心偏析等級(jí)達(dá)到C1.0以下。根據(jù)試驗(yàn)涵蓋的固相率，10段固相率是0.44～0.65，11段固相率是0.57～0.83，二者都涵蓋的固相率在0.57～0.65。因此，可以選定起始?jí)合露魏w的固相率在0.6，后面鑄機(jī)段采用跟隨壓下操作。

實(shí)際上，當(dāng)中心固相率較小時(shí)，由于鑄機(jī)內(nèi)鑄坯上方的液相因鋼液靜壓力的作用能夠通過流動(dòng)對(duì)凝固收縮產(chǎn)生的空腔進(jìn)行補(bǔ)縮，因此不會(huì)出現(xiàn)枝晶間濃化鋼水流向中心的現(xiàn)象，因此中心固相率較小的區(qū)域不是產(chǎn)生中心偏析的關(guān)鍵因素。在此階段實(shí)施扇形段的壓下對(duì)中心偏析缺陷的改善效果不明顯。當(dāng)中心固相率達(dá)到某一范圍值時(shí)，枝晶的生長導(dǎo)致晶間出現(xiàn)相互搭橋現(xiàn)象,連接在一起的枝晶隔斷了上游液相向下游因鑄坯鼓肚或凝固收縮在中心處產(chǎn)生空腔的填充補(bǔ)縮條件（小鋼錠理論），將導(dǎo)致鑄坯凝殼枝晶間富集溶質(zhì)的殘余液相被抽吸到鑄坯中心，從而產(chǎn)生中心宏觀偏析，因此這個(gè)區(qū)域是鑄坯產(chǎn)生中心偏析的關(guān)鍵位置，此時(shí)的固相率這里稱為臨界補(bǔ)縮固相率，如果在此區(qū)域給定一個(gè)適當(dāng)?shù)膲合铝繉?huì)消除鑄坯中心因鼓肚或凝固收縮而產(chǎn)生的空腔，有效遏制枝晶間殘余液相的流動(dòng)，減輕中心偏析程度。當(dāng)中心固相率較大時(shí)，鑄坯厚度中心兩側(cè)附近的固液兩相區(qū)(糊狀區(qū))由于二次枝晶間的相互搭橋堵塞了補(bǔ)縮通道.枝晶間殘余鋼水不能夠流動(dòng)，而造成即使鑄坯中心有較大空腔也不會(huì)因枝晶間富集溶質(zhì)的殘余液相流出形成中心宏觀偏析，因此這樣的位置也不是中心宏觀偏析產(chǎn)生的關(guān)鍵位置，此時(shí)的固相率稱為臨界流動(dòng)固相率，如果在這樣的區(qū)域位置即使施加一定的壓下量，也因殘余液相已經(jīng)不能流動(dòng)，而無法將產(chǎn)生的裂紋通過液相補(bǔ)充而焊合[3～9]。

因此最佳的輕壓下開始位置應(yīng)為臨界補(bǔ)縮固相率處，而最佳的壓下結(jié)束位置則應(yīng)為臨界流動(dòng)固相率處。通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，扇形段壓下段位為9段的起始?jí)合挛恢眠^于靠前（fs=0.3)，小于臨界補(bǔ)縮固相率，此時(shí)實(shí)施的壓下量不僅不會(huì)使中心偏析缺陷得到改善，反而可能因?yàn)閴合铝窟^大造成中心液相向上游回流導(dǎo)致中心固相率迅速提升，一旦超過臨界補(bǔ)縮固相率，則會(huì)出現(xiàn)小鋼錠結(jié)構(gòu)形成的情況，中心空腔將會(huì)被枝晶間濃化鋼水填充造成嚴(yán)重的宏觀偏析；而扇形段壓下段位為11段的起始?jí)合挛恢锰岣咧羏s=0.57，其中心偏析有較大改善。因此最佳的起始?jí)合挛恢脩?yīng)該在fs=0.6。而對(duì)于終止壓下位置即臨界流動(dòng)固相率位置很多學(xué)者認(rèn)為是在0.7～0.8,試驗(yàn)過程中將終止壓下位置調(diào)整到0.83時(shí)，偏析結(jié)果依然很理想，并沒有引起裂紋增多的趨勢(shì)。由于每個(gè)機(jī)架涵蓋的固相率一般約在0.2，因此，即使該段壓下的起始?jí)合侣试?.6，結(jié)束壓下率也不會(huì)超過0.83，完全滿足單機(jī)架壓下的需求。綜上所述，對(duì)于連鑄生產(chǎn)Q345系列鋼種來說,最佳的動(dòng)態(tài)輕壓下位置應(yīng)為fs=0.6。

4 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)分析表明：該鑄機(jī)在澆鑄Q345系列鋼種時(shí)動(dòng)態(tài)輕壓下壓下機(jī)架涵蓋fs=0.6時(shí)，效果較好。

（2）低倍檢驗(yàn)結(jié)果表明，壓下段在9段、10段，壓下量大于1.5mm時(shí)，Q345鋼種試驗(yàn)鑄坯中心偏析等級(jí)均在C1.0以下，中心疏松等級(jí)也都達(dá)到0.5。鑄坯內(nèi)部質(zhì)量均為良好,達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。說明該鑄機(jī)的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)對(duì)保證鑄坯的質(zhì)量起到了重要的作用。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼種生產(chǎn)中比水量高于0.8L/kg，過熱度低于18℃，中心偏析評(píng)級(jí)結(jié)果較好。