减轻C偏析的方法

减轻碳偏析的方法
高碳钢用于制作高强度的预应力钢丝和钢绞线，广泛应用于公路、铁路桥梁、海港码头、电站、大坝、工业民用建筑等领域，是一种高附加值产品，近年来，其需求量逐年攀升，所以高碳钢具有广泛的市场前景，而高碳钢在后续连续拉拔成单丝的过程中，压缩比可高达84%，这就要求原始的盘条成分化学均匀，钢的纯净度高，金属夹杂物含量低且无大型夹杂，连铸坯中心偏析和中心缩孔小，线材的表面质量好，不能有折叠、耳子等缺陷，组织性能均匀稳定等。

应该控制连钢、精炼、连铸、轧制、拉拔等各个生产环节，综合优化工艺，减轻偏析。

1.0炼钢
生产工艺为：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→喂丝→软吹→保护浇铸，炼钢过程主要控制连铸坯中心偏析、中心缩孔及夹杂物，从以下下面几个环节控制。

精炼部分：
（1）成分控制，在铸坯结晶过程中，钢液中的溶质元素在固液相界上的溶解并未平衡移动，C、S、P等易偏析元素以柱状晶粒析出，排到尚未凝固的钢液中，随着结晶过程的进行，这些易偏析元素被富集到铸坯中心或者凝固末端区域，从而产生铸坯中心偏析。

由于出钢过程增碳量大，为达到LF精炼成分的目的，对钢中硅、
锰成分分别用硅铁和锰铁调整，用含碳合金球或碳芯线微调碳成分。

硅是促进石墨化作用最强的合金元素，硅促进石墨化的能力，是镍的3倍，是铜的5倍。

无论在液态或者固态的钢中，硅与铁结合的作用都比碳强。

钢水中含有硅，就会使碳的溶解度降低。

因此含硅量越高，碳含量相应的越低，就会有更多的碳被排挤出来。

碳含量降低，铸坯碳偏析就会得到明显的改善。

（2）温度控制，由于高碳钢液相线温度低，因而其过程温度低，但是温度过低会造成化渣困难，所以要求LF炉第一次升温温度不能过低。

（3）夹杂物控制，为改变夹杂物的形态和分布，在钢水离开LF站之前，利用含钙包芯线对钢水进行钙处理，钙处理后，为保证夹杂物充分上浮，必须对钢包液进行较长时间的软吹氩，软吹氩时间要求不少于8min。

连铸部分：
（1）浇注温度，浇注温度高，铸坯易产生柱状晶或者穿晶组织，造成中心疏松、缩孔和偏析加剧。

浇铸温度高还会使得液芯变长，导致
铸坯坯壳发生鼓肚现象，在铸坯中心产生具有负压抽吸作用的空穴，使凝固末端富集溶质元素的钢液被吸入铸坯中心。

也是导致铸坯产生中心偏析的一个重要的原因。

而浇铸温度过低易造成中包水口冻结，迫使浇铸中断，不利于钢中夹杂物的上浮。

并可能恶化铸坯表面质量，因此，要严格控制浇注温度。

钢包、中间包永久层里加装保温材料，减少钢包、中间包钢水降温，稳定浇铸过程钢水温度。

中间包钢水面采用双覆盖渣，底层为碱性保护渣，起保护和净化钢水的作用，上层加炭化稻壳，起保温作用。

控制钢水过热度20~30℃为宜。

（2）拉速制度，拉速过高，铸坯在结晶器内停留时间变短，延长了钢水的凝固时间，使铸坯液芯变长，推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，促使柱状晶搭桥，增加了小钢锭结构形成的机会，还会发生铸坯鼓肚，加重了中心偏析和缩孔，而拉速过低可能使钢水回炉量过高而影响生产效率和产量，因此要从生产效率和拉速平衡的角度考虑，既不影响产量，又能保证连铸坯的质量。

此外拉速的稳定有利于连铸坯的内部质量和表面质量。

浇铸过程中拉速的变化会导致连
铸坯凝固结构的不均匀，增加保护渣卷入的几率。

（3）连铸冷却工艺，二次冷却条件直接影响铸坯质量的好坏，固液界面上的冷却条件严重影响固液两相区微观组织的生长，若二次冷却太弱，铸坯表面温度就会过高，铸坯液芯加长，抑制柱状晶生长，增加等轴晶区，坯壳抵抗因钢水静压力引起的鼓肚变形能力减弱，从而促进中心偏析的形成和扩展。

而二次冷却太强，使钢液中的元素没有足够的时间进行选分结晶，因此有利于偏析的改善，但是会加重中心缩孔。

比水量与铸坯组织枝晶间距的关系如下图，由图可看出，随着比水量的增加，冷却速率增大，一次枝晶间距和二次枝晶间距减少。

这主要是由于当二次冷却强度增大时，钢液凝固速度增加，溶质原速度析出和扩散减小，树枝晶组织细小致密化。

阻碍了枝晶间溶质向中心富集，减小中心偏析。

在相同比水量的情况下，随着铸坯厚度的增加，冷却速率逐步减小，但是到铸坯中心位置，不同比水量的冷却速率基本相同。

根据公式计算出结晶器坯壳厚度：
H=K*（L/V）1/2
式中：K—凝固系数，取值27；
L—结晶器有效长度，900mm；
V—拉速，1.9m/min；
计算结晶器坯壳厚度为18.6mm，实际状态下，有涉及冷却效率的问题，铸坯尚有75%的厚度为液相或固相混合相。

采用强冷缩小二
次枝晶间距的效果有限，所以将强冷区域延长，最大程度的利用了强冷的冷却效率，有效缩短了二次枝晶间距，对抑制高碳钢的中心偏析起到了明显的改善作用。

（4）电磁搅拌工艺，连铸使用电磁搅拌技术，能减少铸坯皮下气泡，非金属夹杂物缺陷的产生，改善铸坯铸坯表面质量，增加微细等轴晶，减轻中心偏析，缩孔和疏松，防止结晶器内的不均匀凝固。

根据搅拌位置不同，电磁搅拌分为结晶器电磁搅拌（MEMS）、二冷电磁搅拌（SEMS）以及凝固末端电磁搅拌（FEMS）。

实践表明，高碳钢必须采用M+S+F三段搅拌才能使铸坯中心偏析和疏松得到显著改善。

（5）保护浇铸，全程保护浇铸，钢包到中间包采用长水口加密封环，中间包加覆盖剂，中间包到结晶器之间采用浸入式水口，结晶器采用高碳钢专用保护渣。

（6）轻压下技术，炼轧厂铸机无轻压下设备，不具备轻压下功能，可以借助拉矫辊实施，用拉矫辊实施轻压下，有两个问题必须首先研究解决。

①拉矫机夹棍和液压系统的能力是否满足轻压下的要求；②不同拉速下铸坯凝固末端的位置及轻压下的最佳位置。

2.0轧制
高碳钢轧制流程：加热炉→粗、中、预精轧、精轧机→水冷→吐丝机→斯太摩尔风冷线→集卷→打捆→成品入库，轧制过程主要控制线材表面质量，索氏体化率及渗碳组织，从以下方面控制：
（1）加热炉，控制加热炉内气氛，采用低加热，尽可能减少坯料在炉内高温段停留时间，以防止表面脱碳，为了保证铸坯中心碳的充分扩散，在不增加盘条表面脱碳、氧化铁皮的前提下，适当延长铸坯在炉内的时间，一般选择铸坯加热时间不小于150min，铸坯出炉（均热段）温度为960℃~1050℃。

（2）粗、中、预精轧和精轧机，采用低温开轧，获得小的奥氏体晶粒，高碳钢变形抗力大，粗、中、预轧机应均匀分配压下量，避免单机架压下过大，保证合理的活套量及连轧常数。

终轧温度是影响产品性能的主要因素之一，提高终轧温度，钢的抗拉强度呈上升趋势，这是由于终轧温度提高，有利于高碳钢中碳化物的溶解，增加了奥氏体的稳定性。

但是终轧温度越高，奥氏体晶粒长大趋势越严重，引起钢的断面收缩率下降，塑性降低，奥氏体晶粒大小直接影响到相变后的组织和晶粒尺寸，因此保证适宜的终轧温度，可使产品获得满足使用要求的组织和强度均一性，实验表明，终轧温度为950℃，钢的强度、塑性匹配较好，另外，为了避免轧件表面出现划伤和折叠，全线应该采用无扭转轧制。

（3）吐丝机，轧后冷却过程中，吐丝机温度的控制对线材性能的影响非常重要，在对高碳钢的控制冷却过程中，希望抑制铁素体的析出，
得到单一的片层间距适宜的珠光体组织，为此，通过加大相变前的冷却来抑制先共析铁素体的析出，一般设定吐丝温度为850℃~870℃。

（5）轧后控冷技术，轧后冷却制度直接影响到产品的最终性能。

线材作为深加工的原料，要求减少盘条二次氧化铁皮的生成量，在生产中，线材轧后控冷技术包括2部分：精轧机到吐丝机间的喷水冷却，吐丝机与集卷站间的散卷吹风冷却，根据过冷奥氏体等温转变动力学原理，共析钢过冷奥氏体600℃左右时分解的产物为索氏体，具有强度和塑性的最佳配合，此时形成的索氏体组织，其综合性能最好，高速线材轧后轧后控制冷却的主要目的是控制过冷度和冷却速度，以获得较高的索氏体化率，冷却过程中还应注意尽量减少线材边部至中心索氏体化率的差异，杜绝出现渗碳体和马氏体组织。

以高碳钢82B为例，82B钢的连续冷却转变曲线（CCT），如上图所示，由图可以看出82B在冷却过程中，过冷奥氏体转变为珠光体的温度区间为A~550℃，在该区间内转变温度越低，过冷度越大，珠光体片层间距越薄，索氏体具有较高的强度和较好的塑性，因此生产
82B时要求散卷冷却运输线采用大风量，快速冷却的方式，这样可以控制铁素体的析出量，增大过冷度，提高索氏体转变率。

另外线材在相变区滞留的时间越长，索氏体转变越充分，索氏体化率越高，研究表明，线材从吐丝机到相变前的冷却速度控制在小于15℃/s，相变过程中的冷却速度控制在2~5℃/s，可以获得良好的综合性能。

时效处理和拉拔
目前生产高碳钢钢绞线采用的工艺为：盘条→酸洗→磷化→冷拉拔→控制→稳定化处理→成品，拉拔过程主要控制内应力、断丝率等，从下面两个环节控制。

（1）时效处理：高速线材轧机生产时，82B盘条经风冷和水冷后的温度在几秒钟内从1000℃迅速降到600℃，使得盘条表面和心部产生很大的内应力，如果内应力没有释放完便进行拉拔，就会使其脆断几率明显增大，目前采用自然时效方式来释放内应力，时效时间一般不小于20天。

（2）拉拔过程：为了降低盘条拉拔断丝率，提高成材率，用户在拉拔过程中应注意：合理设计变形道次和每道次减径率，避免某道次超拉而引起拉拔断裂；在拉拔前仔细检查模子的损坏程度，选择优良的拉丝模并调整拉丝模与拉拔中心线的位置，避免模具损坏而导致的钢丝表面划伤和盘条在捻制过程中的断痕；防止过酸洗，钢丝制造过程中的多次酸洗或酸洗后清洗不净是高碳钢氢脆的主要原因，钢丝的早期断裂是由第二类氢脆引起的；加强润滑，避免刮伤钢丝表面的磷化膜，在拉拔过程中不时的挪动拉丝粉，防止拉丝粉结成块状，影响润
滑，增加断丝率。