高碳钢连铸坯偏析问题的分析与探讨

2007年炉外精炼年会论文集211
高碳钢连铸坯偏析问题的分析与探讨
曾四宝1,2)李洪波1,2)包燕平1)刘建华1)韩丽娜1)
1)北京科技大学冶金与生态工程学院; 2）济南钢铁集团石横特殊钢厂
摘要本文针对石横特殊钢厂R9m连铸机生产SWRH82B、GCr15等高碳钢连铸坯的偏析问
题，分析讨论了钢水过热度、拉速、二次冷却强度和组合式电磁搅拌对连铸坯碳偏析影响，并对
中心碳偏析问题提出了改善措施。

关键词偏析;钢水过热度;二次冷却强度;拉速;电磁搅拌
1 前言
对高碳钢来说，由于碳含量较高造成导热性差、凝固区间大，连铸坯本身容易产生偏析、疏松和缩孔等缺陷。

当前轴承钢连铸坯的控制水平普遍要求碳中心偏析指数≤1.15；钢帘线钢对碳偏析有更严格的要求，一般碳中心偏析指数≤1.05，否则在拉丝和扭转过程中容易引起断裂。

最近十几年来，随着钢水二次精炼、保护浇注、二次冷却、电磁搅拌和轻压下等技术的发展，高碳钢连铸技术也相应得到发展。

实际上，影响高碳钢连铸坯偏析的因素很多，如钢液过热度、二冷参数、拉速及电磁搅拌方式等。

关于钢液过热度对偏析的影响，国内外冶金工作者进行过大量的研究，得出了明确的结论，即随着过热度的降低，连铸坯的偏析逐渐减轻。

但是关于电磁搅拌和二冷水量等对偏析的影响目前还有争议。

通过统计分析石横特殊钢厂2006年3~9月份的生产情况和工艺变化情况，探讨了高碳钢(如SWRH82B、GCr15)连铸坯碳偏析的产生原因以及公司进一步改善碳偏析的途径，为工艺和装备优化、改进提供依据。

2 连铸机基本参数
流数：4流;
铸机半径：R9000/17500mm;
流间距：1250mm;
结晶器长度：850mm;
浇铸断面：150mm×150mm;
最大拉速：2.8m/min;
电磁搅拌方式：M + F—EMS;
二次冷却方式：足辊水冷0段+气雾冷却1、2、3段;
浇铸钢种：碳结钢20#、45#、40Cr、ML10~35，20CrMo、
高碳钢70#、80#、72A、82B、GCr15
焊条钢H08A、H08Mn2SiA等。

3 试生产数据和结果分析
从2006年3月份开始，针对高碳钢(如SWRH82B、GCr15)连铸坯碳偏析的问题，就钢液过热度、二冷参数、拉速及电磁搅拌方式等内容进行了调整，可以从以下几个方面进行对比分析：一是中间包钢液过热度、拉速、二冷强度对比；二是搅拌强度和搅拌方式对比。

3.1 中间包温度对偏析的影响
众所周知，中间包温度越高，钢液过热度越大，钢液的凝固时间越长，选分结晶时间越长，P、S、C元素的偏析倾向越严重。

一旦遇到高过热度钢液，即使降低拉速也难以使偏析合格。

从最近几个月SWRH82B的温度控制情况如下（见图1）：
• 212 •2007年炉外精炼年会论文集2007年7月
图1 2006年7-9月份SWRH82B中间包温度分布图
表1 2006年7-9月份SWRH82B中间包温度与偏析情况
月份7 8 9 备注
中间包温度
℃1485~1505
1495
1485~1505
1495
1485~1500
1493
分子为控制范围，分母为平均值
碳偏析合格率% 67.5
47.5 53.58
36.0
56.0
61.0
0.96~1.08比例，分子为二流，分母为四流
与图1对应月份的温度水平和碳偏析合格率见表1
从图1和表1可见：
（1）7、8、9月份的温度控制范围相当，平均水平基本一致，但是分布规律大相径庭，8月份的中间包温度没有体现“两头小，中间大”的分布特点，说明集中度偏低，温度控制被动因素多，造成前期温度偏高、后期温度偏低，这与8月份的生产、设备不顺行有密切关系，这些因素使偏析合格率下降。

（2）其次，9月份的中间包温度分布集中度高，表明全流浇注率高，过程处于受控状态。

同时也证明，边流与中间流的拉速适当差异可以在一定程度上改善中间包温度场。

这使得二流、四流的偏析合格率差异缩小。

3.2不同温度下拉速匹配对偏析的影响
低过热度、慢注速已经成为冶金行业浇注高碳钢的共识，但是各企业的工艺装备和工艺流程不同使得各企业不得不考虑生产节奏的匹配、铸坯规格和质量的保证。

在生产过程中，往往需要注温和注速的结合，但是也不宜在一炉钢浇注过程中拉速频繁调整，实际上，只要中间包前中后期温度差异小，拉速才能实现稳定。

所以各钢厂都在加强大包、中间包的保温，上钢五厂、杭钢电炉厂、无锡华润的保温都堪称典范。

石横特殊钢厂在生产GCr15时从7月份以来也实行了双重保温，从制定工艺卡时明确了温度与拉速的匹配关系，取得了明显效果，见表2、3。

表2 连铸生产GCr15中间包温度与拉速匹配关系
区间ⅠⅡⅢ备注
中间包温度℃1489~14951481~14881475~1480区间Ⅰ主要针中间包对第1包拉速m/min 1.45~1.54 1.55~1.64 1.65~1.70
在采取加强钢包、中间包保温和VD工序稳定精确控制温度的措施下，降低钢液过热度，稳定拉速成为可能。

从表3可见2006年6~9月份生产GCr15的结果：与6月份对比大包温度降低了5.6℃，中间包温度降低了6.2℃，浇注过程温差越来越小，整炉钢水浇注过程拉速波动±0.10m/min。

July.20072007年炉外精炼年会论文集• 213 •表3 2006年7-9月份生产GCr15大包、中间包温度与拉速匹配对偏析影响
月份6月底7月底9月初备注
大包温度℃1510~1529
1523
1515~1528
1520
1510~1527
1517.4
第一包除外，分子为控制范围，
分母为平均值
中间包温度
℃1491.1
5~12
1490.6
3~10
1484.9
1~7
第一包除外，分子为平均值，
分母为前中后期温差
拉速m/min 1.40~1.75
1.56
1.45~1.65
1.53
1.5~1.7
1.56
第一包除外，分子为控制范围，
分母为平均值
碳偏析合格率% 31.58
31.58
39.13
33.33
58.33
29.17
分子为0.96~1.08比例，分母为
1.09~1.15比例
当然，如果中间包后期温度很低，单纯提高拉速，会来不及补缩，产生缩孔。

取样分析表明，生产GCr15时，中间包温度低于1475℃，拉速1.80 m/min情况下浇注，会使铸坯产生大量的缩孔超级。

图2、图3对比了2006年6~9月份生产GCr15偏析的变化情况
图2 2006 年6、7、9 月份GCr15碳偏析各级比例
图3 2006 年6、7、9 月份GCr15碳偏析统计指标
3.3 二次冷却强度对偏析的影响
二次冷却的主要任务：（1）控制坯壳出结晶器后继续降温、长厚，确保不漏钢、不产生裂纹、不鼓肚、不脱方，保持规范良好的外部质量；（2）控制连续致密的内部质量，要求偏析、疏松级别合格，不得有缩孔、裂纹。

高碳钢因其导
• 214 •2007年炉外精炼年会论文集2007年7月
热性差，过强的冷却容易产生裂纹，一般强调弱冷。

但并非冷却强度越小越好，对于没有轻压下设备的连铸机一般要求进入拉矫机前完成凝固，否则不利于补缩；为了获得更大面积的等轴晶区，通常讲究“热行”。

二炼钢的水质经历了3个月的治理过程，水质逐步好转，优化了喷嘴选型，加强维护水冷系统，考虑到铸坯的低倍综合质量，配水曲线逐步调整。

石横特殊钢厂在2006年3~9月份已经试验了不同的二次冷却强度，归纳为表4。

表4 连铸生产SWRH82B时不同二冷比水量的偏析情况
比水量L/kg 0.35 0.40 0.45 备注SWRH82B偏析合格率%55.26/12.5 / 76.32/75 最大/最小
2006年3月份以来实践表明，并不是二冷水量越小越好；在过热度控制较低的条件下，在保证低倍的缩孔、疏松级别合格的前提下，尽量缩短凝固时间，对减轻偏析是有利的。

例如在2006年3、4、6月份分别生产的43炉、49炉、46炉SWRH82B，统计的结果来看，应用5#配水曲线，虽然温度、拉速较高（如表5），但偏析的合格率却也高，见图2、图3。

表5 连铸生产SWRH82B时不同月份的温度拉速匹配
不同月份中间包温度℃拉速m/min 备注
3月份Ⅰ、1501~1510
Ⅱ、1494~1500
Ⅲ、1488~1493
Ⅰ、1.60~1.70
Ⅱ、1.71~1.80
Ⅲ、1.81~1.90
Ⅰ类通常为中间包第
一包，以Ⅱ类为主(下
同)
4月份Ⅰ、1501~1515
Ⅱ、1494~1500
Ⅲ、1483~1493
Ⅰ、1.55~1.65
Ⅱ、1.66~1.75
Ⅲ、1.76~1.85
同上
6月份Ⅰ、1501~1510
Ⅱ、1494~1500
Ⅲ、1488~1493
Ⅰ、1.50~1.60
Ⅱ、1.61~1.70
Ⅲ、1.71~1.80
同上
图4 2006 年3、4、6 月份SWRH82B碳偏析各级比例
从图4、图5可见，3月份由于温度偏高、拉速较快，出现了21.05%的负偏析超标（偏析指数≤0.95），因而使整批平均偏析指数水平为0.99。

4月份同样温度水平、拉速较3月份降低了0.05m/min，使负偏析超标比例降低到6.12%，但正偏析超标比例增加，出现了18.36%的正偏析超标（偏析指数≥1.09），因而使整批平均偏析指数水平为1.05。

6月份基本稳定了各级偏析比例。

July.20072007年炉外精炼年会论文集• 215 •
图5 2006 年3、4、6 月份SWRH82B碳偏析统计指标
图5从统计衡量指标比较了偏析的极值、平均值和标准偏差，3～6月份总体上是改进趋势。

从2006年7月份开始，采用了3#曲线，拉速也降低到 1.50～1.70m/min，铸坯碳偏析合格率降低, 从图6、图7可见：
图6 2006 年7、8 月份SWRH82B碳偏析各级比例
图7 2006 年7、8月份SWRH82B碳偏析统计指标
尤其是8月份生产不顺,前期温度合适的时候拉速还能保持,后期低温提拉速,冷却强度偏低使偏析加重。

因此，只要能保证内部质量的缩孔、疏松级别合格、没有裂纹，应当尽可能缩短凝固时间，来实现减轻碳偏析。

3.4组合式电磁搅拌对偏析的作用
电磁搅拌对偏析的重要影响是不言而喻的，现在绝大多数炼钢厂已经把电磁搅拌作为连铸
• 216 •2007年炉外精炼年会论文集2007年7月
机的基本配置。

二炼钢2004年安装（M + F）
—EMS组合式电磁搅拌以来，对结晶器地磁搅拌
应用比较正常，但对末端电磁搅拌应用一直效果
欠佳，主要原因在于：（1）凝固末端定位缺乏
足够的依据；（2）由于供货厂家原因，功能开
发应用不全面。

3.4.1凝固末端定位
F-EMS的应用效果取决于（1）凝固末端的
准确定位；（2）搅拌参数的优化。

凝固末端定
位首先要完成：钢材品种、规格、档次定位，断
面和拉速定位，冷却方式和强度定位。

理论上通
常依据式（1）、（2）计算：
e=
(1)
K=
(2)
式中：e为凝固壳厚度；K为凝固系数；t 为时间；T L为液相线温度；T S为铸坯表面温度；λm为钢的导热系数；L f为结晶潜热；ρm为钢的密度。

由(1)式可求出钢液从结晶器弯月面进入末端搅拌区时凝固的坯壳厚度。

一般炼钢厂都要通过科学试验和生产实践确定每台连铸机的分钢种综合凝固系数，来最终确定分钢种的浇注温度、拉速、冷却强度和末端电磁搅拌器的位置。

末端电磁搅拌器通常设计安装在液芯长度的3/4～3/5处，并且有一定范围的可调整性。

连铸坯的碳偏析通常按下式（3）计算：
碳偏析指数＝C0/[（C1+C2+C3+C4）/4] （3）
式中：C0为中心碳含量%，（C1+C2+C3+C4）/4为铸坯四个顶点到中心1/2处的碳含量%。

从式（3）可见，要想减轻中心偏析必须要做到：（1）降低进入结晶器钢水的过热度，重视发挥结晶器的电磁搅拌功能；（2）就末端电磁搅拌器而言，搅拌大量的应该是低过热度粘稠钢液，而不是搅拌高过热度钢液，也不是搅拌极少量的钢液，而是有一个数量、能量概念，要求搅得动、补得上、凝固快。

如果是搅拌高过热度钢液，虽然也有利于改善质量，但因经过搅拌区后，液芯太长，有充分的选分结晶的温度和时间，改善偏析的效果不明显；如果是搅拌极少量的钢液，例如对于150mm×150mm方坯来讲，液芯直径小于φ30mm，这点横截面仅占总面积的3.14%，已经饱含96.86%的钢水析出杂质和碳，就算能搅拌均匀，也不过是极小范围的均匀，减轻碳偏析的效果已经微弱了。

因此，凝固末端不仅仅是空间距离上的液相存在的末端，同时更是较多液相快速同时凝固到液相的时间概念，从结晶学的角度看也是晶体生长的能量末端。

所以，一些炼钢厂考虑末端电磁搅拌上移，沙钢集团有限公司现用concast制造的R7m方坯连铸机生产140mm×140mm方坯生产高碳钢时通过上移F—EMS，使末端电磁搅拌区域钢液面积达到了铸坯横截面积的17%左右。

[1]。

2006年6月11日进行了GCr15凝固末端定位的射钉试验，情况如图8：
（a）（ b）（c）
图8 GCr15不同中间包温度、拉速下的低倍照片
图8 中GCr15对应的中间包温度、拉速为：
（a）1494℃，1.50m/min；（b）1486℃，1.63m/min；
（c）1482℃，1.75m/min。

从图中可见，在规定
的工艺范围内，拉速低于1.50 m/min末端已经凝
固，拉速达到1.75 m/min未完成补缩，末端电磁
搅拌对于GCr15作用不大。

因此末端电磁搅拌应
该上移，2006年10月1日已将一、三流上移
650mm（因受支撑导向辊及其支架影响），以观
使用效果，第二次检修时间又移二、四流。

10
月份试生产了22炉生产的GCr15情况如下：
July.20072007年炉外精炼年会论文集• 217 •
膘6 连铸生产的GCr15情况（二、四流）
项目中间包温度℃拉速m/min 偏析偏析各级比例%
最大值1493 1.75 1.30 ≤0.95 7.14
最小值1474 1.50 0.89 0.96~1.08 23.81
平均值1485 1.58 1.11 1.09~1.15 38.10
标准偏差 5.5 0.077 0.089 ≥1.16 30.95
11月份试生产了一批SWRH82B-1，采用的4#冷却曲线，拉速1.50～1.7m/min。

低倍偏析0.96～1.08占52.63%，大于1.08的占36.84%，缩孔0.5～1.0级，中心疏松0.5～2.0级。

由此可见，加强水冷和末端电磁搅拌上移对于改善偏析有一定积极作用，但是工艺参数需要进一步摸索、改善。

3.4.2 电磁搅拌参数的优化
目前结晶器电磁搅拌参数应用正常，对于打断结晶前沿的柱状晶，抑制柱状晶定向生长粗大，降低了温度梯度，增加了等轴晶核心，对改善偏析、疏松起到了重要作用，没有因此出现卷渣和吃浸入式水口的现象。

末端电磁搅拌从2006年9月初恢复了正反转，末端电磁搅拌上移后生产高碳钢需要进行调整参数。

4 进一步改进碳偏析的措施
1）进一步加强中间包、钢包的保温，从隔热层、永久层到工作层，都要借鉴其他钢厂的成功做法，减少包衬散热降温；从覆盖保温上，加强包盖的密封和覆盖剂双层保温；为减少浇注前后期温差，实现稳定的、较低过热度浇注创造条件。

2）热度下合适的拉速和冷却方式仍然是减少偏析超标的方向，2006年3～9月份GCr15和SWRH82B的生产数据分析已经表明这个方向。

3）采用MEMS+FEMS+TSR配置：完成末端电磁搅拌器的定位后，在F—EMS后把二冷Ⅲ段补上，使钢液搅拌均匀后尽快实现高强高密冷却凝固，这种方法也称热轻压下技术[2]（TSR）。

原理是通过对凝固末端进行高强度、高密度冷却，产生较大的收缩量，从而达到与机械轻压下相似的效果，增加等轴晶，使芯部压实，改善中心偏析和疏松。

虽然，一般认为，对于140mm ×140mm以下的小方坯，TSR的效果比较显著[3]。

但是，也有观点认为加上TSR，对高碳钢有利，对生产其他钢种也可以控制铸坯回温。

4）轧钢工序适度采用高温扩散工艺，优化轧后冷却制度，提高解决碳偏析的能力。

GCr15 较SWRH82B有更大的偏析倾向，高温扩散时间更长和保温温度更高，但是经过高温扩散处理，材的偏析都可以合格。

因此，SWRH82B的偏析也应该解决。

5）可以扩大铸坯断面、优化坯型，采用较大断面的矩型坯控制凝固产生的中心偏析，这是其他炼钢企业的普遍做法。

5 结语
1）较低的过热度是减少中心偏析，减少疏松、缩孔的首要条件，与此匹配的拉速和冷却制度是保证连铸坯质量合格的核心。

总结2006年3～9月份的生产，可见：生产GCr15温度控制在1475～1495℃时，拉速在1.50～1.70m/min，采用2#配水曲线；而生产SWRH82B温度控制在1485～1500℃时，拉速在1.60～1.80m/min，采用5#配水曲线，通过不断的稳定生产和各项工艺参数，可以获得较好的质量水平。

2）M-EMS和F-EMS是解决中心偏析的重要手段，关键在于凝固末端的准确定位和生产过程中凝固末端的稳定控制，这是解决偏析和稳定铸坯质量的有效手段。

末端上移后，通过逐步调整工艺参数和稳定生产，为浇注组织更加均匀、致密的连铸坯创造了条件。

3）下技术和采用大断面的矩型坯是解决小方坯连铸机铸坯偏析、疏松问题的冶金手段，在条件允许的情况下尽量采用、一次到位，有助于减轻碳偏析。

参考文献
1 徐向东、胡显军. 炼钢. 组合式电磁搅拌在高碳钢小
方坯连铸中的应用. 2004年第5期
2 武建民. 南方金属. 方坯连铸机浇注高碳钢. 2003年4
月. 总第131期
3 陈超，阎朝红，康复. 宝钢技术. 减少方坯中心偏析
的冶金手段. 2001年第4
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Analysis and Discussion about The Problem on continuously cast slab Segrega-tion of High-carbon Steel
Zeng Sibao1,2),Li Hongbo1,2), Bao Yanping1),Liu Jianhua1),Han Lina1)
1）School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing; 2）Shiheng Special Steel Works, Jinan Iron & Steel combine )
ABSTRACT This paper aimed at the problem on continuously cast slab segregation of SWRH82B、GCr15 high-carbon steel that produced by R9m continuous caster in Shiheng Special Steel Works. Analysis and discussion about the effect of degree of superheat in liquid steel、pulling rate、strength of secondary cooling and composite electromagnetic mixing to continuously cast slab segregation of C. The improvement of se-gregation of C in the center was brought forward at the same time.
KEYWORDS segregation; degree of superheat in liquid steel; strength of secondary cooling; pulling rate; electromagnetic mixing。