凝固末端強冷對連鑄坯中心偏析與等軸晶率的影響

郭 鵬，丁寅，赫忠華

（新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鋼廠）

0 前言

根據鋼材用途的不同，對連鑄坯內部質量的要求也不同，性能要求越高的鋼種對鑄坯內部質量要求也越高。連鑄坯中心偏析嚴重時會導致軋材性能出現(xiàn)異常，如沖擊性能降低，尤其在軋后易產生硫化物和低溫轉變產物，容易產生氫脆裂紋。同時也影響鑄坯中心結構的致密程度。中心等軸晶率越大的鑄坯結構越致密，鋼材的力學性能也好。目前除了一些特殊用途的鋼材，如汽輪葉片、電工鋼等，為了改善一些特殊性能要求有發(fā)達的柱狀晶，大多數(shù)鋼種要求獲得更多的中心等軸晶[1]。

改變中間包過熱度和輕壓下壓下量可以獲得不同的鑄坯凝固組織和中心偏析度[2]。隨著鑄坯過冷度的增加，晶粒長大和形核的速度都增加，當鑄坯過冷強度增加一定值時，粒形核的速度大于長大的速度，可以獲得細小的晶粒[3]。文章介紹了通過優(yōu)化鑄坯冷卻方式的生產試驗，探索凝固末端強冷對鑄坯中心偏析和中心等軸晶率的影響。

1 試驗內容

本次試驗選擇的是Q355D鋼種，連鑄機澆注速度0.7m/min，鑄坯規(guī)格250mm×1800mm，共涉及連續(xù)澆注4個中包，前2個中包用正常二冷水表水量生產，后2個中包采用凝固末端強冷水表?？紤]到凝固末端強冷后會將鑄坯凝固末端前移，新設計水表在原水表的基礎上將3區(qū)～5區(qū)水量減少了10%，將鑄坯凝固末端6區(qū)和7區(qū)增加了50%，其他各區(qū)水量不變，控制比水量變化小于0.1L/kg，降低矯直區(qū)鑄坯角部溫度低產生裂紋的概率，優(yōu)化前后的水表水量情況見表1。

表1 優(yōu)化前后水表水量對比（拉速0.7m/min對應的水量）

對每個中間包過熱度在20～30℃的不同爐次取4個低倍樣，頭爐、尾爐和換水口爐次不取，將取的低倍樣進行熱酸洗，通過曼標評級和等軸晶率計算的方法分析鑄坯凝固末端強冷對連鑄坯中心偏析和凝固組織的影響。

試樣制備：低倍試樣先用割刀從鑄坯上切割，它的寬度等于鑄坯的厚度，長度等于鑄坯寬度的一半加50mm，厚度為80～110mm，試樣表面保證平整，割傷深度≤5 m m，再用銑床進行加工，直至表面粗糙度小于1.6μm。

低倍檢驗：將制備好的低倍試樣放入70～80℃的鹽酸溶液中酸蝕2 5 m i n，再將低倍樣取出用3%～5%碳酸鈉水溶液和清水清洗表面，最后用風機將表面吹干進行曼標評級，可以看到低倍樣宏觀偏析和柱狀晶與中心等軸晶的分布情況。

等軸晶率計算：鑄坯通常情況下由3種晶帶組成，從表面往中心依次是細小等軸晶、寬大的柱狀晶和中心等軸晶，由于鑄坯冷卻不均勻，每兩個晶帶的界面不是直線，為了方便計算鑄坯的中心等軸晶率，通過近似的方法用直線區(qū)分柱狀晶和中心等軸晶，這樣可視為中心等軸晶區(qū)域是長方形，通過計算其面積與整塊低倍樣的面積之比就可以求得該塊低倍樣的中心等軸晶率[4]。

式中：E為中心等軸晶率，%；Sd為等軸晶區(qū)域的面積，mm2；S為低倍樣總表面積，mm2。

2 試驗結果與討論

2.1 凝固末端強冷對鑄坯中心偏析的影響

Q355D鋼種，連鑄機澆注速度0.7m/min，鑄坯規(guī)格250mm×1800mm不同冷卻方式對應的低倍曼標評級中心偏析結果如圖1和表2所示，凝固末端強冷低倍曼標評級中心偏析最小值為1.5，較正常冷卻的中心偏析值降低了0.5；最大值為2.5，較正常冷卻的中心偏析值降低了0.2。分析認為，這是因為連鑄坯凝固末端強冷抑制了柱狀晶的生長，減輕了鑄坯凝固中心“搭橋”的現(xiàn)象，上部鋼液對下部因鋼液凝固收縮產生的空隙進行了補充。同時，凝固末端強冷加快了鑄坯中心鋼液凝固的速度，減少了選分結晶，改善了鑄坯中心偏析。

表2 兩種冷卻方式低倍曼標評級中心偏析對比

圖1 不同冷卻方式對應低倍曼標評級對比結果

2.2 凝固末端強冷對等軸晶率的影響

Q355D鋼種，連鑄機澆注速度0.7m/min，鑄坯規(guī)格250mm×1800mm不同冷卻方式對應的鑄坯中心等軸晶率情況見圖2和表3，分別對兩種冷卻條件下低倍中心等軸晶率的最小值、最大值和平均值進行分類分析。由圖2可知，鑄坯凝固末端強冷較正常冷卻增加了中心等軸晶率，其中最小值增加了3%，最大值增加了4%，平均值增加了6%。這是因為鑄坯凝固末端強冷不同程度加速了晶粒長大和形核的速度，但隨著冷卻速率的增加，晶粒形核的速度大于晶粒長大的速度，寬大的柱狀晶開始轉變?yōu)橹行募毿〉牡容S晶，從而增加了鑄坯中心等軸晶率。

圖2 不同冷卻方式對應的鑄坯中心等軸晶率對比結果

由表3還可以看出，不管是正常水表還是末端強冷水表，鑄坯外弧的等軸晶率大于內弧的等軸晶率。鑄坯內弧的柱狀晶是從上往下生長，外弧的柱狀晶是從下往上生長，在鋼水靜壓力和重力的作用下，外弧向上生產的柱狀晶容易在頂部細小的地方折斷，折斷的這部分晶粒作為新的形核質點，這樣晶粒形核的速率大于長大的速率，柱狀晶開始轉變?yōu)榧毿〉牡容S晶。

2.3 兩種冷卻方式對鑄坯半宏觀偏析的影響

正常冷卻方式對應鑄坯的內外弧發(fā)達柱狀晶在鑄坯中心生長到一起，阻止了上部鋼液對下部因鋼液凝固收縮產生的孔隙進行補償，形成了點狀的半宏觀偏析，在鑄坯中心部位呈斷續(xù)線狀分布。

凝固末端強冷方式將鑄坯表面向中心面向推進的凝固方式轉換為中心體積凝固的方式，上部鋼液來不及補充體積收縮產生的孔隙，形成細小的點狀半宏觀偏析散布在中心等軸晶區(qū)域，這些半宏觀偏析可嘗試通過適量加大輕壓下壓下量進一步改善，兩種冷卻方式對應的半宏觀偏析情況見圖3。

圖3 不同冷卻方式對應的鑄坯半宏觀偏析

3 結束語

對比試驗表明：（1）凝固末端強冷方式對應的低倍曼標評級中心偏析最小值為1.5，較正常冷卻方式的降低了0.5；最大值為2.5，較正常冷卻方式的降低了0.2；平均值較正常冷卻方式的降低了0.1。

（2）鑄坯凝固末端強冷方式較正常冷卻方式增加了鑄坯中心等軸晶率，其中最小值增加了3%，最大值增加了4%，平均增加了6%。

（3）由于重力和鋼水靜壓力的作用，鑄坯外弧的等軸晶率大于內弧的等軸晶率。

（4）正常冷卻方式對應的鑄坯半宏觀偏析在中心部位呈斷續(xù)線狀分布，凝固末端強冷方式對應的鑄坯半宏觀偏析散狀分布在中心等軸晶區(qū)域，這些半宏觀偏析可嘗試通過適量加大輕壓下壓下量進一步改善。