影响高碳钢连铸小方坯中心偏析的因素

影响高碳钢连铸小方坯中心偏析的因素
卢盛意
(北京科技大学,北京100083)
摘　要　介绍了英国4家钢厂为了减少高碳钢连铸小方坯中心偏析所采取的措施的试验结果。

Factors affecti n g cen tra l segrega ti on of h i gh carbon steel b illets
LU Shengyi
(University of Science and Technol ogy Beijing,Beijing100083)
ABSTRACT　Experi m ental results in f our B ritish steel companies are intr oduced t o decrease the central segregati on of high carbon steel billets.Fact ors affecting the central segregati on of high carbon steel billets are analyzed.
1　前言
10年前,高碳钢很少用于连铸小方坯生产。

1997年以前轮胎钢丝等容易偏析的高碳钢几乎都用连铸大方坯来生产。

因为大方坯的浇注温度低,有利于形成等轴晶结构,又因为大方坯在轧制时的压缩量大,这二者都有利于减少偏析。

但用连铸小方坯来生产高碳钢时,生产成本低。

1997年英国4家钢厂(Scunthor pe,Sidenor,Is pat-HS W,I Jmuiden)共同研究了影响连铸小方坯高碳钢中心偏析的因素。

这些因素包括:钢水过热温度、二次冷却强度、电磁搅拌(E MS)、热轻压缩(TSR)、机械轻压缩(MSR)、浇注方法、小方坯尺寸、拉速等[1]。

2　钢水过热温度
过热度低,使等轴晶结构百分比高,对减少偏析有利。

过热度高,在铸坯内产生“一个个小钢锭”(m ini-ingotis m)的结构,使机械性能不一致,在拔丝时容易断头。

如果小方坯柱状晶结构的宽度大于55%时,将明显形成“一个个小钢锭”的结构。

[2] Is pat-HS W的120mm2、125mm2、130mm2三类小方坯的试验数据表明碳和硫的偏析与过热度有显著的关系。

过热度愈低,偏析也愈低。

特别是当过热度低于25℃时,偏析指数几乎随过热度降低直线下降。

所以,如有可能,应当将过热度降低到25℃以下。

I Jmuiden厂的120mm2小方坯的碳偏析与过热度无关,然而140mm2小方坯在过热度低时,碳的偏析减少,该厂的数据表明,过热度应当低于30℃。

Scunthor pe厂的120mm2小方坯与I Jmuiden厂一样,碳和硫的偏析与过热度无关。

但140mm2和180mm2小方坯的碳和硫的偏析与过热度有关。

因此,该厂建议过热度应当低于25℃。

在中间罐内喂入芯线(例如<9mm的芯线)可以降低中间罐内钢水的过热度。

在喂入芯线时,中间罐内钢水高度应保持在400mm以上。

3　二次冷却
高碳钢通常用“弱冷”(s oft cooling),因为弱冷可以减少表面裂纹和内部裂纹。

但“强冷”(hard cooling)可以使中心缩孔变小,因而可以改善偏析。

这是因为与低碳钢相比,高碳钢小方坯的柱状晶长[3],因而中心宏观偏析严重。

例如,在拔丝时容易断头。

为了减少高碳钢连铸小方坯的中心偏析,有两种截然相反的方案(弱冷却和强冷却[4、5]),见表1。

表1　减少中心偏析的两种方案
冷却方式浇注
温度
二冷
比水量
二冷区
长度
小方坯的
铸态组织
宏观
偏析
浇注时
水口堵塞
铸坯面上的
氧化铁皮
弱冷却低低长(5个区)球形小难以避免
加速生成(由于铸坯表面的温度高)
强冷却高高(2.5倍)短(4个区)穿晶小可以避免
减慢生成(由于铸坯表面的温度低)
注:(1)钢的含碳量为0.55%～0.85%,小方坯尺寸为105mm×105mm;
(2)强冷却只适用于断面小的高碳钢小方坯。

Scunthor pe厂在0.63%C钢120mm2小方坯上进行试验。

水量控制在2.12～3.15L/kg为标准水量。

用此水量时,小方坯的中心结构由弱V型偏析物组成。

当水量从2.12L/kg增加时,小方坯的结构由较强V型偏析物组成。

当水量增加到3.15L/kg 时,偏析核心出现孔隙和回热型裂纹。

该厂将最后冷却区的水冷强度减少后,不但减少了中心偏析,消除了孔隙,消除了回热型裂纹,也没有遇到表面质量问题。

此时水量(稍低于3.15L/kg)为最佳水量。

Sedenor厂主要在C50,C70和Cr6钢185mm2小方坯上进行试验。

将二冷水量逐炉增加直到出现内裂。

此时的水量选定为改进的水量。

然后随着水量的增加,小方坯的表面质量恶化。

例如,C50钢在强二冷时,轧成的条钢废品增加。

所以中心偏析的改进要平衡于表面质量不被恶化。

I Jmuidon厂小方坯二冷区的设计不能避免在第三二冷区的回热。

I Jmuidon厂的试验主要是在二冷强度增加时如何减少回热。

Scunthor pe厂,Sidenor厂和I Jmuiden厂的试验表明,强二冷可以改进偏析,但二冷水量要优化,以减少内裂和不恶化表面质量。

Is pat-HS W厂水量增加后的大问题是小方坯角部喷淋水重叠。

为了减少重叠,将相邻面的喷嘴各远移角部半个喷嘴内径的距离,这不但可以使冷却强度增加,而且还可以使小方坯不脱方。

改进的强二冷和标准强二冷的小方坯表面温度与碳和硫的偏析比见图1。

从图1可见,标准强二冷时小方坯表面温度为1040～1080℃,改进的强二冷表面温度比标准强二冷降低了30K,碳和硫的偏析也随之降低。

4　电磁搅拌(E MS)
M(结晶器)-E MS,S(二冷区)-E MS,F(末端)-E MS在小方坯连铸机上可以单独使用,也可以联合使用。

M-E MS可以改善结晶器传热,影响到结晶器以下几米处。

M-E MS对偏析的影响类似于用低过热度浇注。

S-E MS必须装在紧挨着结晶器下口,S-E MS单独使用的效果不如M-E MS。

F -E MS的位置必须细心选择。

F-E MS应选在铸坯液芯的固相率f
s
=20%～50%的范围内。

F-E MS 与M-E MS一起使用时可以加大使偏析减少的效果。

采用M-E MS对去除中心偏析有益,而产生的等轴晶结构却容易产生V型偏析。

但F-E MS
却
图1　Is pat-HS W改进的强二冷小方坯碳和硫的
偏析与标准强二冷的对比
能够拆散V型偏析。

Ha mburger钢厂发现在轴承钢的V型偏析处出现碳化物。

他们宁愿容忍一定程度的中心偏析(中心偏析可以在后步工序去除)而不希望出现V型偏析[6]。

I Jmuiden厂在120mm2和140mm2小方坯上的试验数据表明,M-E MS的搅拌强度愈大,碳的偏析愈低。

当过热度低于一定值时,搅拌强度高的好处更多。

Scunthor pe厂将F-E MS安装在距弯月面9m 处。

F-E MS的效果主要在120mm2小方坏上进行研究(包括浸入式水口和定径水口),也在140mm2和180mm2小方坯上进行研究。

F-E MS可以改进140mm2和180mm2小方坯的中心偏析,但不能改进120mm2小方坯的中心偏析。

在180mm2小方坯截面上有大量白带,但在120mm2和140mm2小方坯上没有。

总的看来F-E MS对减少中心偏析有好处,但仅限于大尺寸的小方坯。

F-E MS要优化搅拌条件以提高使偏析减少的效果,但要减少白带生成。

5　铸坯压缩(strand reducti on)
在接近最后凝固处将铸坯压缩是为了抵消铸坯中心的凝固收缩。

与F-E MS一样,在压缩时液芯的f
s
起着决定性作用。

如果由于浇注条件变化,压缩太早,则产生柱状晶间裂纹,压缩太晚可能产生大的负偏析。

压缩有两种:一种是热轻压缩(TSR),另
一种是机械轻压缩(MSR)。

(1)热轻压缩
热轻压缩是在最后凝固的位置用强喷淋水冷却使坯壳收缩。

有些研究者认为TSR与M-E MS一起使用有好处。

然而在应用TSR时,如果铸坯过分回热,可能产生内部回热型裂纹。

Scunthor pe厂在115mm2小方坯上进行了试验。

该厂热轻压缩的设计可以在拉速变化时热轻压缩喷淋区长度保持在所需的液芯f
s
范围。

该厂对水量、
喷淋区长度和液芯f
s
之间的关系进行了研究。

在应用热轻压缩后小方坯的中心偏析并无改进。

但轧成的5mm棒材的偏析指数却平均降低27%,最高降低38%。

在所有喷淋条件下,表面质量都没有问题。

Sidenor厂为了得到理想的f s,热轻压缩只能安装在155mm2和185mm2小方坯距弯月面8.53m和9.67m之间。

在铸坯中心线的f s等于零时而不是f s 在0.2～0.17之间时,热轻压缩的效果最好。

在生
产100Cr钢用低拉速以保证最佳f
s
时,引起了中心回热型裂纹。

当热轻压缩的水量增加时,回热裂纹变大。

水量大于100L/m in时,热轻压缩还恶化表面质量。

Scunthor pe厂和Sidenor厂的经验都表明热轻压缩能改进中心偏析。

但中心偏析的改进要与不产生内部回热型裂纹保持平衡。

根据sidenor厂的研究结果:中心偏析的改进还要与不产生表面裂纹保持平衡。

(2)机械轻压缩
Scunthor pe厂提出用矫直辊的压力对小方坯的上面和下面进行压缩。

机械轻压缩可以改进偏析,但却要以小方坯脱方为代价。

据报道,有些厂家的150mm2小方坯用3个夹辊来实现机械轻压缩[6]。

6　浇注方法
用浸入式水口还是用定径水口浇注的效果不同。

I Jmuiden厂在140mm2小方坯上的试验表明,偏析与浇注方法有关。

用浸入式水口浇注可以使碳的偏析降低,特别是在过热度高时。

Scunthor pe厂的120mm2小方坯也有类似的趋势。

纵向硫印表明用浸入式水口浇注时,小方坯的中心孔隙也大为减少。

用浸入式水口浇注时轧成棒材的偏析指数为1.38,用定径水口时为1.62。

7　小方坯尺寸
小方坯断面尺寸增加时,偏析区增大,但偏析区所占的断面百分比减少。

Sidenor厂的155mm2和185mm2小方坯用C50、C70和100Cr6钢进行的对比试验表明:在冶金中心185mm2小方坯碳和硫的偏析大于155mm2小方坯。

距冶金中心9mm处的负偏析,185mm2小方坯显著高于155mm2小方坯。

在半径1/2处的偏析155mm2小方坯稍高于185mm2小方坯。

距冶金中心9mm处的负偏析随碳百分比的增加而增加,而在冶金中心的正偏析,并无这一明显趋势。

Scunthor pe厂的数据表明,不仅碳的偏析随小方坯尺寸的增加而增加,而且偏析核心的面积也随之增加。

120mm2、140mm2、180mm2小方坯偏析核心的直径分别为4mm、4～8mm、8～16mm。

若偏析形态为强V型时,点状偏析物的面积和偏析程度均随小方坯尺寸的增加而增加,如硫印所示。

8　拉速
通常断面积愈大,拉速就愈低。

Is pat-HS W 厂,I Jmuiden厂和Scunthor pe厂的数据表明拉速对偏析没有明显的影响。

然而sidenor厂从热轻压缩的试验数据表明在拉速降低20%时,中心偏析减少,但半径1/2处的偏析增加。

9　结论
(1)根据钢水含碳量、过热度、拉速和二冷强度来确定液相穴的位置,从而来选定F-E MS机械轻压缩位置。

F-E MS,热轻压缩和机械轻压缩三者对减少小方坯中心偏析都有效。

但三者都要求与液芯的f
s
相配合。

在采用F-E MS的情况下还要求液芯直径最小。

碳含量愈高,最佳的拉速应当愈低,在F-E MS 装置处的最佳液芯直径应当愈小[7]。

由于小方坯浇注条件的变化,这些要求很难达到。

特别是用定径水口浇注时,这些要求更难达到。

(2)最成功的技术是强二冷。

强二冷能改进中心偏析。

应用强二冷时(用热轻压缩也一样)有两个问题:产生内部回热裂纹和表面裂纹。

所以必须求得改进偏析与不产生内部裂纹和表面裂纹之间的平衡。

过热度和浇注方法对小方坯中心偏析有很大影响。

过热度低(≤30K)时,中心偏析低。

总之,英国4家钢厂的经验是:为了降低高碳钢连铸小方坯的中心偏析,推荐用低过热度、强二冷和浸入式水口。

D.Ameling等采用的强冷却(高过热度、强二冷)[4]、[5]来减少高碳钢连铸小方坯中心偏析的试验仍然要顾及对小方坯内部回热裂纹和表面裂纹的影响。

(下转第31页)
大大提高了不锈钢的收得率和成材率。

此外,稳定的连铸设备和工艺也是得到不锈钢良好表面质量的保证。

作者通过现场试验发现如果连铸过程铸机不稳定如拉矫机抖动,振动参数不合理如振幅过大、振频太小等,即使性能再好的保护渣也无法解决铸坯凹陷等表面问题。

4　结语
(1)304和2Cr13不锈钢由于镍、铬及碳元素的作用,坯壳具有生长不均匀性,表面易出现凹陷、裂纹以及深振痕;含钛不锈钢由于在浇注过程弯月面容易富集含钛的高熔点物质,铸坯表面易产生表面或皮下夹渣等。

(2)物化性能适宜的保护渣可以有效地改善不锈钢的表面缺陷。

如对于2Cr13小方坯,保护渣Ca O/Si O2控制在0.73～0.9、黏度在0.4～0.6Pa・s、熔化温度在1130～1170℃时可以有效降低因凹陷产生的返修率;对于钛不锈钢,保护渣Ca O/Si O
2
可以控制在0.5～0.7、黏度在0.14～0.31Pa・s、熔化温度在1000～1100℃时可以改善表面夹渣的缺陷。

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(上接第24页)
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