二次冷卻強(qiáng)度對(duì)180 mm×180 mm斷面SWRH82B鋼中心碳偏析的影響

唐以寧，楊仁強(qiáng)，徐 雷

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖241000）

隨著冶金行業(yè)不斷發(fā)展，線材的成分、純凈度及組織均勻性控制技術(shù)均已得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中連鑄機(jī)二次冷卻強(qiáng)度能影響高碳鋼碳偏析理論基本達(dá)成共識(shí)[1]。但因各企業(yè)的生產(chǎn)工藝路線及連鑄機(jī)的工裝設(shè)備不盡相同，冷卻強(qiáng)度工藝對(duì)不同斷面連鑄機(jī)的適應(yīng)性較差。國(guó)內(nèi)某鋼廠采用180 mm×180 mm斷面連鑄機(jī)生產(chǎn)SWRH82B等高碳鋼，按照傳統(tǒng)連鑄機(jī)斷面分類方法，該臺(tái)連鑄機(jī)斷面尺寸既不屬于小斷面又不屬于大斷面。目前該廠SWRH82B鋼連鑄冷卻強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要考慮了鑄坯的表面質(zhì)量，但未考慮鑄坯中心碳偏析的控制，隨著產(chǎn)品市場(chǎng)的不斷拓寬，線材中心網(wǎng)碳問(wèn)題越發(fā)突出，鑄坯中心碳偏析嚴(yán)重，中心碳偏析指數(shù)最高達(dá)1.25?；诖?，本文結(jié)合該廠SWRH82B鋼生產(chǎn)工藝，重點(diǎn)研究不同二次冷卻強(qiáng)度對(duì)180 mm×180 mm鑄坯中心碳偏析的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取180 mm×180 mm的SWRH82B鋼鑄坯在其他工藝條件相同的條件下進(jìn)行冷卻強(qiáng)度工藝試驗(yàn)，其中SWRH82B鋼的工藝流程為：120 t轉(zhuǎn)爐—120 t精煉爐—180 mm×180 mm小方坯連鑄機(jī)。試驗(yàn)所取SWRH82B鋼鑄坯的化學(xué)成分：w（C）為0.80%，w（Si）為0.22%，w（Mn）為0.83%，w（Cr）為0.22%，w（P）為0.013%，w（S）為0.005%。

1.2 分析方法

本文采用縱截面V型偏析通道上鉆樣取點(diǎn)的方式分析不同冷卻強(qiáng)度對(duì)中心碳偏析的影響。

對(duì)連鑄坯SWRH82B鋼的澆鑄過(guò)程進(jìn)行跟蹤，鋼液澆注完成后，在長(zhǎng)鑄坯上沿拉坯方向截取350 mm的鑄坯樣，沿中心面進(jìn)行縱切。試樣切去完畢后采用Φ5 mm的合金鉆頭進(jìn)行鉆孔取樣，每塊試樣共取15點(diǎn)，其中1—10表示通道處10點(diǎn)，01—05為非通道處5點(diǎn)，如圖1所示。并依據(jù)公式計(jì)算出各點(diǎn)碳偏析指數(shù)，其中Ri表示點(diǎn)的碳偏析指數(shù)，Ci表示點(diǎn)的碳含量，C0表示連鑄熔煉碳成分。

圖1 碳元素含量的取樣位置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)冷工藝對(duì)中心碳偏析影響

2.1.1 強(qiáng)冷工藝方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)強(qiáng)冷工藝思路是采取拉速不變，增大二冷比水量方式增加冷卻強(qiáng)度，拉速不調(diào)整的目的主要是考慮到拉速對(duì)鑄坯的液芯位置改變較大，如果調(diào)整拉速勢(shì)必會(huì)影響末端電磁攪拌的作用。在實(shí)際工藝設(shè)計(jì)過(guò)程還需兼顧管道等工裝件的最大水流量。下頁(yè)表1為常規(guī)拉速下不同比水量下各冷卻區(qū)域噴嘴水流量。

從表1可知，二冷比水量增加到1.9 L/kg實(shí)際總水量增量趨勢(shì)明顯降低，且各區(qū)域的流量基本達(dá)到峰值，故二冷比水量最大取值為1.8 L/kg。

表2 不同比水量下各冷卻區(qū)域水流量

2.1.2 結(jié)果與分析

在相同的工藝參數(shù)下，分別試驗(yàn)了不同比水量（1.0 L/kg、1.2 L/kg、1.5 L/kg、1.8 L/kg）對(duì)中心碳偏析的影響。比水量不斷的增大，通道處中心碳偏析指數(shù)并未發(fā)生明顯的變化。文獻(xiàn)研究[2]指出，V型偏析主要發(fā)生在鑄坯中心等軸晶區(qū)，隨著等軸晶率的不斷降低，V型偏析區(qū)不斷減小，因此對(duì)比比水量1.0 L/kg、1.8 L/kg條件下縱剖面V型偏析寬度。兩種工藝條件下V型偏析的寬度均為50 cm，說(shuō)明兩種工藝條件下等軸晶的比例相同。

為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在相同工藝參數(shù)下再次各試驗(yàn)1爐二冷比水量為0.7 L/kg、1.8 L/kg條件下強(qiáng)冷工藝，每種工藝取5塊試樣并按照文1.2所示的通道處取點(diǎn)方式進(jìn)行取點(diǎn)分析。二冷冷卻強(qiáng)冷對(duì)180 mm×180 mm斷面的中心碳偏析影響不明顯。對(duì)不同工藝條件下鑄坯的二次枝晶臂間距進(jìn)行測(cè)量。隨著比水量增加，距離鑄坯表面40 mm后，凝固枝晶間距基本相同，由此說(shuō)明增大二冷比水量對(duì)鑄坯中心位置凝固進(jìn)程基本無(wú)影響。同時(shí)通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)隨著比水量的增加，二次冷卻區(qū)域結(jié)束處的液芯區(qū)域比例相近，如圖9所示。這說(shuō)明不同二冷比水量會(huì)導(dǎo)致180 mm×180 mm斷面鑄坯皮下一定位置的冷卻速率存在差異，但鑄坯中心區(qū)域冷卻速率趨于一致，加大比水量對(duì)大斷面鑄坯中心區(qū)域的冷卻速率的提高貢獻(xiàn)不大。富集溶質(zhì)隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行向中心流動(dòng)，但由于中心較大區(qū)域的冷卻速率趨于一致，二次枝晶臂間距相近，滲透率相近，中心碳偏析受二冷強(qiáng)度增加的影響不大。

2.2 弱冷工藝對(duì)中心碳偏析影響

2.2.1 弱冷工藝方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)強(qiáng)冷工藝思路是采取拉速不變，減少二冷比水量方式降低冷卻強(qiáng)度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際摸索發(fā)現(xiàn)，比水量低于0.4 L/kg時(shí)二冷各區(qū)噴嘴鋪展性明顯變差，因此本文設(shè)計(jì)的弱冷工藝比水量最低為0.4 L/kg。

2.2.2 結(jié)果與分析

在相同的工藝參數(shù)下，分別試驗(yàn)了不同比水量（0.4 L/kg、0.5 L/kg）對(duì)中心碳偏析的影響。采用二次冷卻弱冷的方式，中心碳偏析指數(shù)基本控制在1.2以下，較強(qiáng)冷工藝，二次冷卻弱冷工藝可以一定程度上降低中心碳偏析指數(shù)。

為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在相同工藝參數(shù)下再次各試驗(yàn)1爐二冷比水量為0.4 L/kg、0.5 L/kg條件下弱冷工藝，每種工藝取5塊試樣并按照文1.2所示的通道處取點(diǎn)方式進(jìn)行取點(diǎn)分析。結(jié)果表明，弱冷工藝在一定程度上降低中心碳偏析，但仍不能完全滿足中心碳偏析控制要求。其主要原因是在電磁攪拌的作用下，弱冷工藝雖導(dǎo)致二次枝晶臂間距更大，但等軸晶比例卻明顯增加。等軸晶生長(zhǎng)隨機(jī)性較大，難以形成像柱狀晶那樣的熔體流動(dòng)通道，能夠有效地減輕中心偏析。但是弱冷工藝又會(huì)加重凝固過(guò)程中的選分結(jié)晶，導(dǎo)致高溶質(zhì)成分在中心區(qū)域聚集，又會(huì)進(jìn)一步加重中心碳偏析[3]?；谏鲜龅膶?shí)驗(yàn)分析，單純采用調(diào)整二次冷卻強(qiáng)度來(lái)控制180 mm×180 mm斷面鑄坯中心碳偏析的可能性較小，需借助其他輔助方式共同解決180 mm×180 mm斷面鑄坯中心碳偏析，如鑄坯在線壓下、連鑄其他生產(chǎn)工藝優(yōu)化等方式。

3 結(jié)論

1）從鑄坯縱截面來(lái)看，180 mm×180 mm方坯中心碳偏析呈現(xiàn)V型偏析通道區(qū)上的碳元素偏析程度明顯高于非通道區(qū)。

2）增大二次冷卻強(qiáng)度對(duì)180 mm×180 mm斷面中心碳偏析控制影響不明顯，主要是由于冷卻強(qiáng)度不能改變中心區(qū)域冷卻速率，鑄坯中心區(qū)域仍是自由選分結(jié)晶的狀態(tài)。

3）降低二次冷卻強(qiáng)度對(duì)180 mm×180 mm斷面中心碳偏析控制有一定的效果，但仍不能完全滿足中心碳偏析控制要求，主要是由于等軸晶生長(zhǎng)隨機(jī)性較大，難以形成像柱狀晶那樣的熔體流動(dòng)通道，能夠有效地減輕中心偏析。但是弱冷工藝又會(huì)加重凝固過(guò)程中的選分結(jié)晶，導(dǎo)致高溶質(zhì)成分在中心區(qū)域聚集，又會(huì)進(jìn)一步加重中心碳偏析。

4）180 mm×180 mm斷面坯型適合采用弱冷以增加等軸晶的比例，同時(shí)應(yīng)采用壓下或者其他工藝的技術(shù)進(jìn)一步降低中心碳偏析。