高碳鋼小方坯宏觀偏析規(guī)律研究

杜玉蘭 杜亞偉 杜海明 范志成

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

元素偏析是連鑄坯常見的內(nèi)部質(zhì)量缺陷，尤其在連鑄高碳鋼小方坯時(shí)，受較高碳含量、斷面尺寸、連鑄工藝及高碳鋼凝固特性的影響，中心宏觀偏析更為嚴(yán)重[1]。后續(xù)加熱爐加熱與高線軋制對其改善程度有限，退火或熱處理亦不能將其完全消除[2]，嚴(yán)重影響了線材的可使用性，如疲勞壽命降低、拉拔斷絲率高、焊接性能差、沖擊韌性差等。

圍繞連鑄坯的偏析形成機(jī)理形成了一系列中心偏析控制技術(shù)，如低過熱度澆注技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)、熱壓下技術(shù)、凝固末端輥式輕壓下技術(shù)等?；谀充搹S六機(jī)六流150 mm斷面現(xiàn)有工藝裝備條件，筆者著重介紹了其SWRH82B高碳鋼小方坯不同連鑄工藝下連鑄坯橫截面碳元素的偏析規(guī)律，以期歸納工藝改進(jìn)方向，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

1 研究方法與基本工況

對比的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究二冷全水冷工藝（比水量已固化、無F-EMS）、二冷氣霧冷卻工藝（比水量已固化、無F-EMS）、二冷氣霧冷卻+F-EMS工藝（比水量及攪拌參數(shù)已固化）3種系列工藝條件下連鑄坯的橫截面厚度方向上碳元素的偏析指數(shù)（KC）分布情況。

（1）基本工況。鋼種：SWRH82B；連鑄拉速：2.10～2.30 m/min；中間包鋼水過熱度：實(shí)際控制在20～30 ℃（較低過熱度澆注）；同時(shí)具備相同優(yōu)選參數(shù)的M-EMS條件。

（2）偏析樣獲取方式。從連鑄坯橫剖低倍樣的凝固中心（非幾何中心）向其內(nèi)弧側(cè)任一角部劃線，沿該直線從角部向凝固中心依次等距鉆取一定深度的鋼屑作為該樣點(diǎn)偏析試樣，并采用C/S儀進(jìn)行碳成分檢測。其中，角部試樣成分分析結(jié)果作為相應(yīng)工藝條件下偏析指數(shù)計(jì)算的基體成分，并按同時(shí)取樣同時(shí)檢測的原則進(jìn)行；偏析試樣的鉆取采用Φ5 mm合金鋼鉆頭，試樣鉆取時(shí)去除低倍表層1～2 mm厚。

（3）各成分點(diǎn)偏析指數(shù)厚度方向上的分布情況采用高次擬合進(jìn)行趨勢判斷與觀察。

2 系列工藝對比試驗(yàn)

2.1 二冷全水冷工藝

作為該鑄機(jī)自身縱向?qū)Ρ龋瑥臅r(shí)間上首先呈現(xiàn)了其二冷全水冷條件下的鑄坯橫截面厚度方向上碳偏析的分布情況，具體如圖1所示。除基本工況，當(dāng)時(shí)二冷全水冷工藝的比水量在0.65～0.75 L/kg。

圖1 鑄坯橫截面厚度方向上碳偏析指數(shù)分布

從圖1可以看出，從激冷層到出結(jié)晶器的這段凝固區(qū)域，甚至可以繼續(xù)延伸到水環(huán)區(qū)域，該范圍大致對應(yīng)于鑄坯鑄態(tài)組織的激冷層向柱狀晶的過渡區(qū)域，出現(xiàn)了明顯的碳的負(fù)偏析現(xiàn)象，但不嚴(yán)重，偏析指數(shù)在0.95左右，該區(qū)域?qū)挾容^窄；凝固終了前的固液兩相區(qū)同樣出現(xiàn)了碳的負(fù)偏析現(xiàn)象，也不嚴(yán)重，偏析指數(shù)在0.95左右，該區(qū)域?qū)挾葟钠鰳鱼@點(diǎn)間距估算約3～5 mm不等；凝固中心碳的正偏析達(dá)到極值，平均達(dá)到1.15左右的水平。

2.2 二冷氣霧冷卻工藝

該鑄機(jī)出于冷卻均勻性考慮，在適應(yīng)性改造后二冷采用了氣霧冷卻工藝。其中，冷卻水壓力約0.9 MPa，壓縮空氣壓力約0.5 MPa，每流最大冷卻水用量約25 m3/h，每流最大壓空耗量約18 Nm3/min。

該階段呈現(xiàn)了其二冷氣霧冷卻條件下的鑄坯橫截面厚度方向上碳偏析的分布情況，具體如圖2所示。除基本工況外，該階段二冷氣霧冷卻工藝的比水量在0.70～0.80 L/kg的范圍。

圖2 鑄坯橫截面厚度方向上碳偏析指數(shù)分布

從圖2可以看出，由激冷層向柱狀晶過渡的這段凝固區(qū)域，出現(xiàn)了明顯的碳的負(fù)偏析現(xiàn)象，但不嚴(yán)重，偏析指數(shù)在0.97左右，該區(qū)域?qū)挾容^窄；凝固終了前的固液兩相區(qū)同樣出現(xiàn)了碳的負(fù)偏析現(xiàn)象，相對較嚴(yán)重，偏析指數(shù)在0.92左右，該區(qū)域?qū)挾葟钠鰳鱼@點(diǎn)間距估算約3～5 mm不等；凝固中心碳的正偏析達(dá)到極值，平均達(dá)到1.10左右的水平。

2.3 二冷氣霧冷卻+F-EMS工藝

該部分將氣霧冷卻與F-EMS工藝相結(jié)合，氣霧冷卻比水量同本文2.2部分，基本工況如前所述。其中，F(xiàn)-EMS工藝參數(shù)采用（420~440）A×（7~9）Hz，攪拌方式采用連續(xù)或交替。

該部分呈現(xiàn)了二冷氣霧冷卻與F-EMS工藝結(jié)合條件下的鑄坯橫截面厚度方向上碳偏析的分布情況，具體如圖3所示。

圖3 鑄坯橫截面厚度方向上碳偏析指數(shù)分布

從圖3可以看出，激冷層向柱狀晶過渡區(qū)域碳的負(fù)偏析現(xiàn)象依然存在，但不嚴(yán)重，偏析指數(shù)在0.97左右，該區(qū)域?qū)挾容^窄；在最后凝固終了前的固液兩相區(qū)依然存在碳的負(fù)偏析現(xiàn)象，該現(xiàn)象已不再明顯，偏析指數(shù)在0.98左右，該區(qū)域?qū)挾葟钠鰳鱼@點(diǎn)間距估算約2～4 mm不等；凝固中心碳的正偏析達(dá)到極值，平均達(dá)到1.05～1.08的水平，相對較低。

3 分析討論

從以上分析不難看出，SWRH82B高碳鋼小方坯橫截面厚度方向（由外及內(nèi)）上碳元素的宏觀偏析主要存在3個(gè)明顯的偏析區(qū)域。

3.1 第一負(fù)偏析區(qū)域

該區(qū)域存在于激冷層向柱狀晶過渡區(qū)域，寬度較窄，負(fù)偏析指數(shù)不高，極小值在0.95左右。該區(qū)域在上述三種連鑄工況條件下均存在。對其出現(xiàn)的位置進(jìn)行測量，并結(jié)合結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度、鑄坯拉速、過熱度等關(guān)鍵連鑄參數(shù)利用連鑄坯凝固的二次方定律計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域?qū)?yīng)于鑄坯歷經(jīng)M-EMS過程中產(chǎn)生并隨后結(jié)束。

因此，該區(qū)域的負(fù)偏析現(xiàn)象在目前的工況條件下不能夠完全消除，需要結(jié)合結(jié)晶器安裝位置、M-EMS攪拌強(qiáng)度等設(shè)備工藝條件的匹配調(diào)整予以改善。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是， 上述三種工藝條件下，所討論的SWRH82B高碳鋼小方坯的M-EMS參數(shù)已經(jīng)優(yōu)選固化，鑄坯橫截面低倍上未見明顯的白亮帶，實(shí)際對應(yīng)的負(fù)偏析指數(shù)亦不是很小，說明優(yōu)選固化的M-EMS攪拌強(qiáng)度條件較為合適。相反，如果鑄坯橫截面低倍鑄態(tài)組織出現(xiàn)明顯的白亮帶，則會造成中心碳的正偏析加重。

3.2 第二負(fù)偏析區(qū)域

該區(qū)域在上述三種連鑄工況條件下均顯著存在，說明該區(qū)域負(fù)偏析是SWRH82B高碳鋼小方坯自然形成并存在的一種正常的凝固現(xiàn)象，而且該區(qū)域伴隨并圍繞凝固中心正偏析共生共存。

該區(qū)域?qū)挾葟钠鰳鱼@點(diǎn)間距估算約2～5 mm不等，且其負(fù)偏析指數(shù)隨工藝不同波動(dòng)相對較大，極小值達(dá)到約0.90的水平。生產(chǎn)實(shí)踐表明，二冷合適冷卻強(qiáng)度基礎(chǔ)上較合理的F-EMS參數(shù)設(shè)置對該區(qū)域的負(fù)偏析程度有一定的改善，而且合理的交替式攪拌對該負(fù)偏析的改善效果更為明顯，但目前條件下該負(fù)偏析不能被完全消除。

3.3 凝固中心正偏析區(qū)域

隨著凝固前沿的逐漸推進(jìn)，第二負(fù)偏析區(qū)域隨后便出現(xiàn)了凝固中心正偏析區(qū)域，其形成機(jī)理多傾向于凝固末端或樹枝晶間溶質(zhì)液體的流動(dòng)。該區(qū)域集中表現(xiàn)出多種高碳鋼小方坯的鑄坯內(nèi)部缺陷類型，碳的正偏析指數(shù)達(dá)到極大值；該區(qū)域疏松面積比例隨中間包過熱度、拉速、二冷冷卻強(qiáng)度與均勻性及末端電磁攪拌強(qiáng)度與攪拌方式等連鑄條件的變化而有所不同。

上述SWRH82B高碳鋼小方坯基本澆注工況下，合適的二冷冷卻條件匹配合適的攪拌強(qiáng)度與攪拌方式的末端電磁攪拌，能夠?qū)⒏咛间撔》脚髟搮^(qū)域碳的正偏析指數(shù)控制在1.10以內(nèi)，平均達(dá)到1.05～1.08的水平，但該區(qū)域碳的正偏析現(xiàn)象不能被完全消除。

綜上所述，系列對比試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果表明，SWRH82B高碳鋼小方坯橫截面厚度方向上的上述三個(gè)碳元素偏析區(qū)域是事實(shí)存在的，然而根據(jù)質(zhì)量守恒定律，如果中心區(qū)域的負(fù)偏析得到控制，該區(qū)域的正偏析現(xiàn)象也將相應(yīng)得以改善。不可否認(rèn)，理論與實(shí)踐表明[3]，電磁攪拌易在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生白亮帶，而且需要多個(gè)攪拌位置的合理組合；低過熱度澆注易發(fā)生冷鋼以及水口堵塞，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

近年來，由于輕壓下技術(shù)直接作用于中心偏析發(fā)生的位置[4]，隨著該技術(shù)在改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量方面的顯著效果被越來越多的應(yīng)用實(shí)踐所證明，該技術(shù)已被世界各國的鋼鐵生產(chǎn)廠家廣泛采用。其中，小方坯輕壓下形式包括輥式靜態(tài)輕壓下、輥式動(dòng)態(tài)輕壓下等，筆者前期基于連鑄機(jī)的拉矯輥所進(jìn)行的高碳鋼小方坯靜態(tài)輕壓下生產(chǎn)實(shí)踐[5]也證明了輕壓下技術(shù)在改善鑄坯偏析方面的比較優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

從SWRH82B高碳鋼小方坯跟隨系列對比連鑄試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）鑄坯橫截面厚度方向存在三個(gè)碳元素的偏析區(qū)域，即由M-EMS引起的所謂第一負(fù)偏析區(qū)域、伴隨并圍繞凝固中心正偏析區(qū)域存在的所謂第二負(fù)偏析區(qū)域以及凝固中心正偏析區(qū)域，三者之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。

（2）中間包適當(dāng)?shù)瓦^熱度澆注、二冷合適的均勻的冷卻條件及合適攪拌位置、攪拌強(qiáng)度與攪拌方式的合理工況匹配能夠有效控制三個(gè)偏析區(qū)域的偏析程度，但不能完全消除。小方坯輥式動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)為連鑄高碳鋼鑄坯斷面碳元素偏析控制提供了新的思路與方向。