提高SWRH82B鑄坯內(nèi)部均質(zhì)化程度研究

張 恭

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 引言

鑄坯偏析指數(shù)對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量影響顯著，而末端電磁攪拌（F-EMS）是否準確作用于鑄坯凝固后期液芯，對鑄坯偏析指數(shù)的控制起到了至關(guān)重要的作用。目前天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）用于生產(chǎn)150mm×150mm斷面SWRH82B方坯的1號連鑄機建于2004年，由康卡斯特公司設(shè)計制造，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)格為φ150～φ210mm斷面圓坯，135mm×135mm、150mm×150mm斷面方坯。由于場地條件限制，設(shè)計時F-EMS的位置可調(diào)整范圍有限，無法保證各斷面的鑄坯在F-EMS位置均有足夠的液芯寬度。針對150mm×150mm斷面SWRH82B方坯碳偏析指數(shù)較高的問題，分析發(fā)現(xiàn)，可能是由于目前生產(chǎn)條件下F-EMS位置處鑄坯液芯寬度不足，F(xiàn)-EMS無法發(fā)揮應(yīng)有作用所致。目前F-EMS距離彎月面約7.95m，由于二冷室內(nèi)部構(gòu)造限制，F(xiàn)-EMS無法向液芯寬度更寬的彎月面方向移動，因此為了確保F-EM裝置發(fā)揮作用，必須通過調(diào)整工藝參數(shù)等技術(shù)手段，拓寬現(xiàn)有F-EMS作用位置處的液芯。

本文依據(jù)射釘試驗、理論計算、取樣分析等結(jié)果，重新設(shè)計了包括拉速、F-EMS參數(shù)在內(nèi)的SWRH82B方坯生產(chǎn)工藝，以彌補F-EMS作用位置固定的缺陷，解決F-EMS作用位置鑄坯液芯寬度不足的問題。

1 凝固偏析及生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 凝固偏析原理

由于在鋼液凝固過程中，溶質(zhì)元素不斷從凝固前沿向液相中析出，析出的元素在固-液相間發(fā)生再分配，造成鑄坯中心溶質(zhì)元素富集、偏析。由于選分結(jié)晶現(xiàn)象的存在，溶質(zhì)元素越是靠近凝固末端，其液相中富集程度越嚴重。SWRH82B鑄坯凝固末端枝晶容易形成“搭橋”，從而阻礙凝固末端富含溶質(zhì)元素的鋼液與上游鋼液交換，產(chǎn)生中心偏析。另外由于SWRH82B鋼凝固兩相區(qū)間較寬，導(dǎo)致液相穴長度較長，為溶質(zhì)元素析出、富集提供了充足的時間。高碳小方坯生產(chǎn)實踐表明，鋼的凝固范圍越大，澆注溫度越高，澆注速度越快，冷卻速度越慢，鑄坯中心偏析越嚴重。

1.2 電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用

電磁攪拌技術(shù)應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)中，有助于改善連鑄坯凝固結(jié)構(gòu)，擴大內(nèi)部組織的等軸晶比例，改善鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量，提高鋼的純凈度。電磁攪拌裝置通電后所產(chǎn)生的磁場作用于鑄坯內(nèi)部未凝固的鋼水，使其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場與感應(yīng)電流間相互作用為鋼水的流動提供了電磁力。液相穴的鋼水由于電磁力的作用產(chǎn)生相對運動，這種運動對消除鋼水過熱度、改善晶體結(jié)構(gòu)和成分偏析具有較大影響[1]。

F-EMS設(shè)置在鑄坯凝固末端的糊狀區(qū)，通過鋼水的不斷運動使新形成的等軸晶粒破碎，并由于其與原有鋼水流動方向相反，彌補了鑄坯中心凝固末端的縮孔等缺陷。因此F-EMS攪拌位置和功率對均勻鑄坯殘余液相的成分與溫度有著重要影響。

1.3 SWRH82B鑄坯偏析現(xiàn)狀

天鋼生產(chǎn)的SWRH82B連鑄方坯存在不同程度的低倍缺陷，主要缺陷包括角部裂紋、縮孔、中心偏析等。從鑄坯低倍取樣結(jié)果來看，122塊低倍試樣中，角部裂紋缺陷數(shù)為21塊，縮孔缺陷數(shù)為16塊，級別均為0.5～1.0級。從122塊低倍試樣中選取30塊進行碳偏析分析，鑄坯碳偏析指數(shù)最高值為1.22，平均值為1.13，處于較高水平。據(jù)相關(guān)文獻介紹，鑄坯中心碳偏析級別達到1.16以上，軋制過程盤條就容易出現(xiàn)3級以上的網(wǎng)狀滲碳體，導(dǎo)致晶界脆化，從而產(chǎn)生脆性尖窩狀斷口。

2 射釘實驗

2.1 實驗方法及步驟

F-EMS安裝位置與鋼種、中包過熱度、拉速、二冷強度和鑄坯斷面等因素有關(guān)。F-EMS應(yīng)安裝在固-液兩相區(qū)，根據(jù)鑄坯液芯長度確定最佳的安裝位置，一般認為在液芯厚度大約為鑄坯厚度的1/3處安裝。F-EMS裝置安裝位置過高或過低，電磁攪拌冶金效果都不會理想。因此決定采用射釘法測量鑄坯在二冷區(qū)內(nèi)不同位置的坯殼厚度。

根據(jù)平方根定律，鑄坯斷面尺寸與鑄坯液芯長度、拉速和綜合凝固系數(shù)存在以下關(guān)系：

式中：D為小方坯斷面尺寸，mm；L為鑄坯液芯長度，m；V為拉速，m/min；K為鑄機的綜合凝固系數(shù)，mm/min1/2。

凝固末端，鑄坯的坯殼厚度d=D/2，當凝固坯殼的厚度d＜D/2時，L1表示從彎月面到坯殼厚度為d位置的長度，于是得到下面公式：

由于在連鑄關(guān)鍵工藝基本不變的前提下，連鑄機的綜合凝固系數(shù)K也基本不變，所以可以根據(jù)上述公式在二冷區(qū)某一位置進行射釘試驗，根據(jù)釘子形狀的變化仔細劃分三個區(qū)，得到該位置的坯殼厚度d，并根據(jù)該位置到彎月面距離L1和試驗時的拉速V，計算出連鑄機綜合凝固系數(shù)K[2]。

2.2 實驗過程及凝固系數(shù)計算

受1號連鑄機現(xiàn)場條件限制，不具備安裝多點射釘?shù)臈l件，經(jīng)現(xiàn)場研究，確定在離彎月面7.6m的位置（即二冷區(qū)3A和3B之間）安裝射釘槍支架，對150mm×150mm斷面SWRH82B方坯進行射釘試驗。

為了保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性，中間包鋼水過熱度在控制23℃左右，調(diào)整連鑄拉速，并分別進行射釘，得到10塊含有釘子的試樣。

表1為SWRH82B方坯射釘試驗工藝參數(shù)。由表1可以看出，鑄坯拉速變動范圍為2.6～3.2m/min，過熱度變化范圍為20～26℃。

表1 SWRH82B方坯射釘試驗工藝參數(shù)

通過射釘試驗測得鑄坯坯殼厚度為47.8～54.4mm，即液芯寬度為41.3～54.5mm。將測得坯殼厚度d代入公式（2），計算出拉速在從2.6m/min逐漸增加到3.2m/min時，SWRH82B鋼種在天鋼1號連鑄機的綜合凝固系數(shù)為31～32.4mm/min1/2之間，具體測量結(jié)果及凝固系數(shù)計算見表2。

表2 測量結(jié)果及凝固系數(shù)計算

根據(jù)坯殼厚度和射釘位置距彎月面距離計算鑄機的綜合凝固系數(shù)，原則上要進行多點射釘。在接近凝固末端的位置（距離彎月面11.8m），共計射釘5只，測量結(jié)果及凝固系數(shù)計算（11.8m處）結(jié)果見表3。由表3可以看出，11.8m處射釘實驗計算出的SWRH82B凝固系數(shù)為30.8～31.8mm/min1/2。

表3 測量結(jié)果及凝固系數(shù)計算（11.8m）

2.3 實驗?zāi)滔禂?shù)計算結(jié)果分析

第一次射釘試驗的射釘位置是在距離彎月面7.6m處，距離F-EMS安裝位置較近；第二次射釘試驗的位置更接近鑄坯的凝固末端，在距離彎月面11.8m處。兩次試驗鑄坯綜合凝固系數(shù)的計算結(jié)果相差不大，因此判斷得到的鑄坯綜合凝固系數(shù)接近真實值。所以，對于150mm×150mm SWRH82B方坯，目前生產(chǎn)條件下，天鋼1號連鑄機鑄坯綜合凝固系數(shù)確定為31.4mm/min1/2。

3 工藝調(diào)整情況

3.1 拉速調(diào)整

對140～160mm方斷面小方坯拉高碳鋼種（鋼中C元素含量為0.72～0.82%），F(xiàn)-EMS應(yīng)安裝在鑄坯中液芯厚度40～55mm的位置[3]。

對150mm×150mm斷面方坯，在原有拉速2.6m/min工藝情況下，F(xiàn)-EMS中心處到彎月面距離在6.6m時，液芯寬度為45.9mm，可以滿足F-EMS作用要求?？紤]目前天鋼1號連鑄機的實際情況，F(xiàn)EMS中心處到彎月面距離約為7.95m，且由于二冷室內(nèi)部構(gòu)造原因，F(xiàn)-EMS位置無法繼續(xù)上移?；诖藯l件，計劃調(diào)整鑄坯拉速，以增加F-EMS作用位置處的液芯寬度。根據(jù)綜合凝固系數(shù)31.4mm/min1/2，F(xiàn)-EMS作用位置距彎月面7.95m，由公式（2）算得不同拉速下F-EMS作用位置的液芯寬度,不同拉速下液芯寬度情況見表4。

由表4可以看出,拉速2.8m/min以上時，液芯寬度大于44mm，F(xiàn)-EMS作用效果較為明顯，因此制定連鑄拉速范圍為2.8～3.4m/min。

表4 不同拉速下液芯寬度情況

3.2 結(jié)晶器水流量調(diào)整

鑄坯拉速提升后出現(xiàn)0.5級的角部裂紋，角部裂紋情況見圖1。通過低倍觀察裂紋形貌發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)在側(cè)弧，靠近角部的位置，距表面7～8mm，裂紋處低倍表面有塌陷,見圖1（a）、（b）；通過電鏡分析發(fā)現(xiàn)該裂紋為高溫區(qū)產(chǎn)生的裂紋,見圖1（c）。

圖1 角部裂紋情況

鑒于1號連鑄機目前結(jié)晶器水縫精度不高，結(jié)晶器冷卻不均，引起鑄坯坯殼厚度不均、產(chǎn)生裂紋。因此在保證出結(jié)晶器坯殼厚度足夠的條件下，將結(jié)晶器冷卻水流量降低至2100L/min，以弱化結(jié)晶器冷卻不均帶來的影響。

3.3 二冷比水量調(diào)整

二次冷卻技術(shù)對鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量有重要影響，中心偏析和中心疏松等缺陷的形成均與二次冷卻工藝有密切的關(guān)系。生產(chǎn)實踐表明，在高碳小方坯連鑄生產(chǎn)過程中，二冷區(qū)采用強冷工藝、大比水量，在一定程度上可以阻止溶質(zhì)元素的析出，防止鑄坯形成嚴重的中心偏析。二冷強度的選擇應(yīng)同連鑄機拉速、中包鋼水過熱度及鑄坯質(zhì)量等因素綜合考慮。降低結(jié)晶器水流量后，調(diào)整二冷比水量由1.4L/kg增加到1.55L/kg，增加鑄坯在二冷區(qū)內(nèi)的冷卻強度。

圖2為不同比水量下碳偏析情況對比。由圖2可以看出：在2.6m/min以上的拉速條件下，1.55L/kg比水量的碳偏析指數(shù)控制水平優(yōu)于1.4L/kg；相同比水量條件下，SWRH82B方坯碳偏析指數(shù)隨著拉速升高逐漸降低。

圖2 不同比水量下碳偏析情況對比

3.4 F-EMS參數(shù)調(diào)整

由于連鑄機F-EMS只能安裝在一個最佳位置，其作用位置液芯寬度基本是隨拉速變化，因此在其他工藝參數(shù)確定后，需要對F-EMS參數(shù)進行調(diào)整以匹配新的連鑄工藝。拉速提升以后，F(xiàn)-EMS位置液芯寬度有所增加，為了進一步增加攪拌效果，F(xiàn)-EMS參數(shù)修改為400A/8Hz。

表5為不同F(xiàn)-EMS參數(shù)對碳偏析指數(shù)的影響。由表5可以看出，不同拉速下新參數(shù)的碳偏析指數(shù)均好于之前，說明400A電流可以提供足夠的電磁攪拌力，且由于8Hz頻率攪拌的穿透性較之前有所增加，鑄坯碳偏析指數(shù)進一步得到控制。

表5 不同F(xiàn)-EMS參數(shù)對碳偏析指數(shù)的影響mm·min-1/2

綜上所述，最終確定天鋼1號連鑄機生產(chǎn)150mm×150mm斷面SWRH82B方坯時，使用的工藝為中間包鋼水過熱度控制在20℃±3℃，目標拉速控制在為2.8～3.4m/min，結(jié)晶器目標水流量為2100L/min，二冷比水量為1.55L/kg，F(xiàn)-EMS參數(shù)為電流400A、頻率8Hz。

4 結(jié)語

通過射釘實驗，對比分析了不同條件下150mm×150mm斷面SWRH82B鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量及碳偏析情況，證明了末端電磁攪拌位置的液芯寬度對于SWRH82B鑄坯內(nèi)部偏析指數(shù)影響顯著。本文依據(jù)射釘實驗結(jié)果，研究了天鋼1號連鑄機在原生產(chǎn)工藝條件下，生產(chǎn)150mm×150mm斷面SWRH82B方坯時坯殼厚度分布規(guī)律，根據(jù)計算出的凝固系數(shù)預(yù)測了不同拉速條件下末端電磁攪拌位置的液芯寬度，并依據(jù)預(yù)測結(jié)果對生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化調(diào)整，最終形成了適合天鋼SWRH82B方坯連鑄全流程內(nèi)部質(zhì)量控制方案。

鑒于天鋼1號連鑄機F-EMS位置無法調(diào)整的情況，本文提出了通過優(yōu)化SWRH82B鑄坯拉速、結(jié)晶器水流量、二次冷卻強度、F-EMS等工藝參數(shù)，實現(xiàn)增加F-EMS位置液芯寬度、降低鑄坯內(nèi)部偏析的質(zhì)量改進。實踐表明，按新工藝生產(chǎn)的150mm×150mm斷面SWRH82B方坯，實現(xiàn)了產(chǎn)量與內(nèi)部質(zhì)量的雙提升。