連鑄工藝參數(shù)調(diào)整對連鑄坯中心偏析的影響

趙紫玉

（唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000）

高碳硬線鋼在預(yù)應(yīng)力金屬制品制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如輪胎鋼絲、建筑鋼絲繩、鋼絲絞線以及應(yīng)力鋼絲等等，其中高碳硬線鋼的使用壽命和質(zhì)量與拉拔強(qiáng)度密切相關(guān)。高碳鋼的凝固溫度區(qū)間較為寬泛，鋼材料凝固過程中的糊狀區(qū)較大，導(dǎo)致連鑄坯形成中心縮孔或中心偏析等問題。文獻(xiàn)研究可知，高碳鋼線材在冷加工中出現(xiàn)拉拔斷裂的主要原因即為中心縮孔或中心偏析。所以，努力改善連鑄坯形成過程中的中心縮孔或中心偏析對高碳鋼線材的質(zhì)量具有重大意義。

1 鑄坯中心偏析的形成機(jī)理

在鋼液凝固過程中，固液相中的溶質(zhì)元素進(jìn)行再分配，未凝固的鋼水溶質(zhì)元素在快速生長的柱狀晶間富集，使得鑄坯中的溶質(zhì)元素不均勻分布，鑄坯中心部位的硫元素、磷元素和碳元素等含量較其他位置明顯增高。

1.1 凝固晶橋

按照該理論，凝固組織中的鋼坯柱狀晶發(fā)展速度較快，隨著高碳鋼腳注工藝的進(jìn)行，凝固過程中的鑄坯熱傳導(dǎo)不均勻，使得柱狀晶產(chǎn)生了不同的生長速度，鑄坯中心位置形成了搭橋，上部的鋼液無法及時的補(bǔ)充下部鋼液，使得下部鋼液收縮形成中心偏析、疏松或者縮孔。

1.2 空穴抽吸

凝固過程中的鋼液，固液相間的溶質(zhì)元素進(jìn)行再分配，凝固組織中的鋼坯柱狀晶發(fā)展速度較快，未凝固的鋼液溶質(zhì)富集。隨著液相穴末端和鑄坯的鼓肚的收縮凝固，導(dǎo)致了鑄坯中心具有很大的抽吸力。這股抽吸力使得未凝固的鋼液中富集的溶質(zhì)元素被吸入中心，導(dǎo)致中心元素偏析。

1.3 富集與溶質(zhì)元素析出

結(jié)晶過程中的鑄坯，溶質(zhì)元素在股液相邊界平衡移動并溶解，如磷元素、硫元素、錳元素和碳元素等，尚未凝固的鋼液中進(jìn)入了析出的從柱狀晶析出的溶質(zhì)。隨著鑄坯不斷地結(jié)晶，凝固去末端或鑄坯中心位置會富集易偏析的元素，產(chǎn)生了中心偏析。

2 實(shí)驗及工藝參數(shù)調(diào)整

2.1 實(shí)驗方法及結(jié)果

按照鑄坯實(shí)驗截取相應(yīng)試樣，按照某鋼鐵企業(yè)的鑄坯工藝截取鑄坯厚度在90mm左右，經(jīng)過粗加工后酸腐蝕。按照不同位置分配低倍檢驗試樣，如圖1所示截取位置。分別對冷酸腐蝕后的試樣進(jìn)行寬度上的截取。

圖1 小樣截取位置

鋼水過熱度較低的情況下，能有明顯降低鑄坯的偏析和提高等軸晶出現(xiàn)概率。在生產(chǎn)工藝中，如果鋼水過熱度的溫度接近液相線溫度周圍，可能會出現(xiàn)鋼水堵口的問題，所以，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝將鋼水過熱度控制在20°左右。對于全新包、新渣線包等，要嚴(yán)格執(zhí)行燒烤制度，避免黑包的產(chǎn)生。

文獻(xiàn)指出，鋼材料的凝固組織和碳元素含量的關(guān)系非常密切，碳元素含量對等軸晶的生長比率和柱狀晶的成長速率有很大影響，因此，必定會對鑄坯的中心偏析起到?jīng)Q定性作用。研究可知，在相同的其他連鑄工藝下，澆注碳元素含量為0.3%、0.1%和0.5%的鋼，鑄坯的中心疏松程度、中心偏析指數(shù)和柱狀晶長度依次增大。所以，在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中，提高碳元素的命中率是控制鋼中碳含量的關(guān)鍵。

在鋼液中，磷元素和硫元素都屬于較為容易偏析的元素，這些元素在鋼液中的分布情況、含量對鑄坯的中心疏松和偏析都會產(chǎn)生一定的影響。通常情況下，基本采用潔凈鋼冶煉技術(shù)來降低鋼液中硫元素和磷元素的含量，以提高鋼液的純凈度，依次來防止偏析的出現(xiàn)。

筆者針對實(shí)驗，調(diào)查了實(shí)驗中鑄坯試樣的質(zhì)量，可見鋼水的潔凈度較低，酸腐蝕試樣的偏析級別高于1.0（圖2），低倍檢驗的熱酸腐蝕試樣均出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂紋。

圖2 低倍檢驗小樣

此外，本次試驗對低倍檢驗試樣進(jìn)行了夾雜物分析，如表2所示。由此看出，粒度高于20μm的夾雜物較多，基本為50%左右。經(jīng)過分析可知，這批鋼液潔凈度不高的原因主要是鋼液中間出現(xiàn)了倒包問題且長時間冶煉所致。鋼液凝固過程中，枝晶邊界的夾雜物產(chǎn)生的富集，弱化了晶界強(qiáng)度，使得鑄坯抵抗力下降，隨著連鑄工藝的進(jìn)行，中間區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋。

2.2 參數(shù)調(diào)整

結(jié)晶器中的鋼液停留時間隨著拉速的增大而減小，鋼水過熱度的去除可延展柱狀晶區(qū)域，并延長液相穴，最終形成中心疏松和凝固橋。鑄坯表面溫度隨著二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度的增加而降低，增加了斷面的溫度梯度，容易形成寬度較大的柱狀晶。降低二冷去冷卻強(qiáng)度會導(dǎo)致等軸晶去的擴(kuò)大和柱狀晶去的縮小。對試樣鑄坯的二冷比水量和拉速進(jìn)行匹配和優(yōu)化，可有效減少中心偏析的產(chǎn)生。

圖3 三角區(qū)裂紋形貌

在試樣鑄坯連鑄過程中，將二冷比水量提高0.04kg/t，將轉(zhuǎn)爐的拉速降低至0.06m/min。目的在于，增加鋼液的冷卻強(qiáng)度，以免出現(xiàn)不該有的回溫現(xiàn)象，保障鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。優(yōu)化結(jié)果表明，試樣的低倍檢驗其中心偏析評級降低至0.5，中心基本消除了裂紋的產(chǎn)生，疏松結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，只有部分三角區(qū)存在細(xì)微裂紋，如圖3所示。

3 結(jié)論

按照凝固晶橋、空穴抽吸、富集和溶質(zhì)析出理論，鑄坯中心偏析是由多種因素導(dǎo)致的。鋼鐵企業(yè)要經(jīng)過長期的連鑄生產(chǎn)實(shí)踐，才能配出合理的連鑄工藝參數(shù)，對中心偏析加以改善，提高鋼材料的壽命和質(zhì)量；降低鋼水過熱度能有效降低中心偏析的產(chǎn)生、提高鑄坯的等軸晶出現(xiàn)概率。

在實(shí)際工藝中，適合將鋼水過熱度控制在20°左右，對改善中心偏析的產(chǎn)生起到一定的促進(jìn)作用；改善鑄坯中心偏析的另一個關(guān)鍵點(diǎn)為鋼液的純凈度。在實(shí)際連鑄過程中，要盡量縮短冶煉周期，避免磷元素和硫元素的析出對柱狀晶強(qiáng)度的弱化；根據(jù)本次試驗，將二冷比水量提高0.04kg/t，將轉(zhuǎn)爐的拉速降低至0.06m/min，為最佳工藝，能夠有效避免中心偏析的發(fā)生。