高碳鋼連鑄方坯中心偏析

1、2000年2月煉鋼Feb.2000SteelmakingVol.16No.156第16卷第1期高碳鋼連鑄方坯中心偏析薛正良李正邦張家雯(冶金部鋼鐵研究總院)摘要,。關(guān)鍵詞連鑄坯CastHigh-CarbonSteelBilletXueLiZhengbangZhangJiawen(CenterIron&SteelResearchInstitute)AbstractTheformationmechanismandcontroltechnologyofcenterlinesegregationincontinuouscasthigh-carbonsteelbilletsarereviewed

2、inthispaper.Theeffectsofelectromagneticstirringandlowsurperheatcastingatnearliquidustemperatureoneliminatingorimprovingthecenterlinesegregationinhigh-carbonsteelbilletsarealsoanalyzed.Itisputforwardthatcastingatnearliquidustemperatureandinternsivesecondarycoolingaretheeffectivewaytosolvethecenterlin

3、esegregationincontinuouscasthigh-carbonsteelbillets,whichalsocanincreasecastingspeed.Keywordscontinuouscastbilletcenterlinesegregationhigh-carbonsteellowsuperheat中心偏析是連鑄坯中最常見的宏觀缺陷,由于它不能通過后續(xù)的軋制或退火處理來消除,因而對材料的機(jī)械性能和加工性能產(chǎn)生有害的影響。對含碳量大于0.45%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的高碳鋼種,當(dāng)過熱度大于15,并以較高的拉速澆鑄成截面小于160mm×160mm的小方坯時(shí),將產(chǎn)生十分嚴(yán)重

4、的碳、硫中心偏析1。新一代結(jié)構(gòu)材料的研制對鋼材成分的均勻度提出了更為嚴(yán)格的要求。因此,減輕或消除連鑄坯中心偏析成為具有重要現(xiàn)實(shí)意義的課題。收縮進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充,致使柱狀晶枝晶間富集溶質(zhì)3的殘液向中心流動(dòng)形成中心偏析2、,對方坯而言,在凝固區(qū)域末端的鑄坯鼓肚量小于鑄坯的凝固收縮量4。因此,方坯的中心偏析主要起因于鑄坯凝固末端固液兩相區(qū)(也稱糊狀區(qū))的凝固收縮。連鑄坯的中心偏析和中心疏松等宏觀缺陷可以通過增加鑄坯斷面上等軸晶比例來避免或改善,大量研究表明,當(dāng)鑄坯斷面上等軸晶率達(dá)到635%40%以上才能基本消除中心偏析5、。生產(chǎn)中獲得等軸晶常用的方法有電磁攪拌技術(shù)和低過熱度澆鑄技術(shù),并適當(dāng)降低澆鑄速度。

5、對特殊鋼方坯的連鑄,趨向于選擇中型斷面(400090000mm2)的鑄坯7。而對板坯則主要采取防止鼓肚、補(bǔ)償凝固收縮,以消除或減輕糊狀區(qū)鋼液的流動(dòng)的方法來消除中心偏析。如各種形式的輕壓下技術(shù)8、受控平面壓下法9、連續(xù)鍛壓法10等。1中心偏析的成因及其控制方法鋼液在凝固過程中,溶質(zhì)元素在固液相間發(fā)生再分配,柱狀晶的生長使枝晶間未凝固鋼水的溶質(zhì)元素得到了富集。而鋼坯的鼓肚和液相穴末端的凝固收縮使中心產(chǎn)生強(qiáng)大的抽吸力。根據(jù)小鋼錠理論,上部鋼水受晶橋阻隔不能對下部凝固聯(lián)系人:薛正良,北京(100081)冶金部鋼鐵研究總院冶金工藝研究所© 1994-2010 China Academic Jo

6、urnal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2000年第1期煉鋼572電磁攪技術(shù)電磁攪拌技術(shù)能提高鑄坯斷面上的等軸晶率,從而有效改善中心偏析。根據(jù)電磁攪拌器安裝位置的不同可分為結(jié)晶器內(nèi)攪拌(M-EMS)、二冷區(qū)攪拌(S-EMS)和液相穴末端攪拌(F-EMS)。結(jié)晶器內(nèi)攪拌的主要作用是均勻鋼液溫度,提高凝固殼厚度的均勻性,12固界面上氣泡的分離11、,根據(jù)日本“結(jié)晶游離13論”,彎月面處將產(chǎn)生等軸晶晶核的游離。但是,不管以哪種形式產(chǎn)生的等軸晶晶核,它們只有在液相線溫度下才能穩(wěn)定存在。若鋼水過熱度較高通過M-EMS仍然不能獲得較高

7、的等軸晶比。二冷區(qū)攪拌(S-EMS)的作用是使兩相區(qū)內(nèi)柱狀晶枝晶破碎,有利于減輕“晶橋”現(xiàn)象,促進(jìn)等軸晶凝固組織的形成11。液相穴末端攪拌(F-EMS)有利于減輕“晶橋”現(xiàn)象外,還能減輕大方坯中等軸晶滑移引起的V型偏11析4、。實(shí)踐證明,高碳鋼和高碳合金鋼必須采用M+S+F三段攪拌才能使鑄坯中心偏析和疏松得到顯著改善。連鑄坯等軸晶率隨電磁攪拌功率的增加而增加,與此同時(shí),攪拌區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的碳、硫負(fù)偏析,在硫印上呈“白亮帶”。隨攪拌強(qiáng)度的進(jìn)一步增加,15還會(huì)出現(xiàn)二次“白亮帶”。線附近澆鑄幾乎是不可能的,因?yàn)檫@會(huì)造成水口堵塞,鋼包和中間包嚴(yán)重結(jié)殼,也不利于中間包內(nèi)夾雜物的去除。90年代初,比利時(shí)冶金研

8、究中心(CRM)開發(fā)了一種稱為空心噴出式水口(HJetNozzle)的18新型水口17、。其基本思路是,見圖1。換水改變流向,并與銅質(zhì)水冷換熱器發(fā)生熱交換,達(dá)到降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水過熱度的目的。在盧森堡阿爾貝德銅質(zhì)水冷換熱器發(fā)生熱交換,達(dá)到降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水過熱度的目的。在盧森堡阿爾貝德(ARBED)廠6流方坯(200mm×200mm)連鑄機(jī)上進(jìn)行的工業(yè)試驗(yàn)表明,當(dāng)澆鋼速度為2025t/h時(shí),中間包鋼水過熱度為15時(shí),結(jié)晶器內(nèi)鋼水過熱度為0。將這種新型水口澆鑄板坯(2080mm×300mm)時(shí),澆鑄速度達(dá)到80160t/h,當(dāng)中間包鋼水過熱度為15時(shí),結(jié)晶器內(nèi)過熱度為7,見圖2。

9、采用HJN低過熱度澆鑄后,高碳鋼w(C)-0.8%鑄坯中心偏析基本消除,凝固組織得到細(xì)化。3接近液相線溫度的低過熱度澆鑄技術(shù)鋼液的澆鑄溫度對等軸晶的形核和長大起著至關(guān)重要的作用,根據(jù)“自由晶”理論,在接近液相線溫度的低過熱度區(qū)會(huì)形成大量等軸晶的晶核,等軸晶的長大可進(jìn)一步阻止柱狀晶的發(fā)展。按大野教授的“結(jié)晶游離論”觀點(diǎn)13,鋼液流經(jīng)低溫的表面時(shí)由非均質(zhì)形核產(chǎn)生的大量晶核因“頸縮”而游離進(jìn)入鋼液中,當(dāng)鋼水過熱度很低時(shí),游離的晶粒能保存下來,并增殖和長大。相反,當(dāng)鋼液過熱度高時(shí),游離出來的晶粒會(huì)重新熔化。因此,低過熱度澆鑄能大大提高鑄坯的等軸晶率。通常的連鑄工藝要將鋼水過熱度降低到液相圖1低過熱度澆

10、鑄的空心噴出式水口(HJN)17左:用于方坯連鑄;右:用于板坯連鑄英國鋼鐵公司用3年時(shí)間開發(fā)的低過熱度澆鑄技術(shù)20,所設(shè)計(jì)的換熱器與CRM開發(fā)的略有不同,其主要區(qū)別在于前者用從中間包空心塞棒中吹出的惰性氣體將鋼水吹向換熱器表面,形成高速流動(dòng)的液膜,以加強(qiáng)水口的換熱。擴(kuò)大后的水口直徑減小了因鋼殼結(jié)厚造成的堵塞風(fēng)險(xiǎn)。他們用建立的數(shù)學(xué)模型分析傳熱、傳質(zhì)、凝殼結(jié)厚和© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58薛正良等:高碳鋼連鑄方坯中心偏析2JN時(shí)的溫度降17整后

11、,。,當(dāng)高碳鋼w(C)-0.85%澆鑄溫度降低到液相線或液相線溫度以下時(shí),能很好地控制中心偏析,但隨過熱度降低,V型偏析有增加的傾向,這與CRM的研究結(jié)果相同19。日本神戶鋼鐵公司開發(fā)的低過熱度澆鑄技術(shù)21,采用帶來電磁攪拌的空冷水口作為換熱器來降低鋼水過熱度,水口用耐火材料制作。水口外面是不銹鋼套,冷卻用的壓縮空氣流經(jīng)其間,風(fēng)壓5kg/cm2。電磁攪拌的作用是使水口內(nèi)鋼流強(qiáng)烈攪動(dòng),以增大水口傳熱系數(shù),同時(shí)可有效防止水口堵塞。使用這一裝置完成了500kg和3t級試驗(yàn),表明當(dāng)鋼水流量在18t/h時(shí),通過水口的溫度降可達(dá)到30。4連鑄坯二次強(qiáng)冷卻技術(shù)19提高冷卻強(qiáng)度除了能細(xì)化組織晶粒,還能縮短液相

12、穴深度,增加坯殼厚度,從而減小鼓肚量。液相穴長度的縮短也有利于鋼水補(bǔ)縮,減少產(chǎn)生V型偏析的傾向。根據(jù)這一思路,比利時(shí)冶金研究中心(CRM)開發(fā)了連鑄坯二次冷卻技術(shù),并將該技術(shù)與低過熱度澆鑄相結(jié)合應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。二次強(qiáng)冷技術(shù)的基本原理是將冷卻水通過加工在平板上的狹縫噴向鑄坯,平板與鑄坯間有一充滿高速流動(dòng)的水膜,該水膜的壓力足以反抗鋼水靜壓力,故能起到冷卻和支撐鋼坯作用。在阿爾貝得(ARBED)廠的二次強(qiáng)冷裝置及冷卻效果見圖4。工業(yè)試驗(yàn)表明,二次水膜冷卻技術(shù)不會(huì)引起高碳鋼w(C)0.8%表面裂紋和皮下裂紋。圖4二次水膜強(qiáng)冷裝置及冷卻效果195結(jié)論提高鑄坯斷面等軸晶率是消除或改善中心偏析的有效途徑,

13、對高碳鋼方坯連鑄,必須采用多段電磁攪拌才能獲得滿意的結(jié)果。為得到足夠的等軸晶率,必須提高攪拌強(qiáng)度,但增加了結(jié)晶器鋼水卷渣的的風(fēng)險(xiǎn)和在攪拌區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的碳、硫負(fù)偏析。若負(fù)偏析低于鋼種規(guī)格下限,將影響材料的機(jī)械力學(xué)性能。采用接近液相線溫度的低過熱度澆鑄結(jié)合二次強(qiáng)化冷卻技術(shù)能有效地解決高碳鋼© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2000年第1期煉鋼59連鑄坯中心偏析問題,并細(xì)化晶粒,同時(shí)可提高澆鑄速度。參考文獻(xiàn)1NitinA.ShahandJohnJ.Moore

14、,MacrosegregationinContinuouslyCastHighCarbonSteelBillets.1983SteelmakingProceedings,66:2472592川和高穗,土田裕等.連續(xù)鑄造󰁺󰂲󰁾中央偏析生成機(jī)構(gòu).鐵鋼.1974,60,(11):4083梨和甫,安元邦夫等.連鑄󰁺󰂲󰁻中心偏析及󰂭󰂫󰁣󰂲󰁥󰂡󰂳󰂈影響.鐵鋼.1974,60,(4):9

15、64HiroshiTomono,YasuoHitomietal.MechanismofaV-SegregationinaLargeSectionConcastBloom.SProceedings,69:3713765N.A.Shah,J.J.Moor.AofEStirring(EMS)inCteel&Steelmaker.1982,9,(3766熊井浩、凝固偏析現(xiàn)象溶鋼流動(dòng)關(guān)系.鐵鋼,1974,60,(7):8949147冶金部信息標(biāo)準(zhǔn)研究院等.特殊鋼生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,1996.18M.Suzuki,K.Kimuraetal.ImprovementinCentreSegregat

16、ionofHighCarbonSteelContinuousCastingBlooms.1989SteelmakingConferenceProceedings:1151239M.Hattori,S.Nagataetal.DevelopmentofTechnologyforEliminationofSegregationinContinuouslyCastSlabs.1989SteelmakingConferenceProceedings:919610ShinjiK.,TakuoI.etal.ImprovementofConterlineSegrgationinContinuouslyCast

17、StrandbyContinuousForgingProcees.4thInternationalConferenceContinuousCasting,Preprints1:24725811吉井賢太、高木彌等.電磁攪拌連鑄材品質(zhì).R&D神戶制鋼持報(bào).1981,34,(4):141912YukioKatagiri,HiroshiTakagi,andToshiyasuOhnishi.PerformanceofHighQualitySteelProductsProducedbyNewBloomContinuousCastingProcess.1982SteelmakingProceedin

18、gs:24625013大野篤美著,刑建東譯.金屬的凝固理論、實(shí)踐及實(shí)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990年14N.A.Shah,J.J.Moor.AReviewEofElectromagneticStirring(EMS)inPart.Iron&teelmaker.,9,15F.,T.etal.lectromagneticStirringonSlabofthe2ndProcessTechnologyCAIME,Chicago,1981,30831616.北京:冶金工業(yè)出版社,1994,5:111P.Naveau,S.Wilmotte,C.Albreeq.CastingatNearLiqu

19、idusTemperature.METECCongress94,2ndEuropeanConitinuousCastingConference,6thInternationalRollingConferenceDusseldorf,June2022,1994:22823318P.Naveau.Developmentofaheatexchangerforcastingwithlowsuperheat,LarevuedeMetallurgieCIT,Mars1993:39540119S.Wilmotte,P.Naveau,KnaffF.ANewApproachforPreventingContra

20、lSegregationinHighCarbonBloomsandBillets.4thInternationalConferenceContinuousCasting,Preprints1:23524620Henderson,S.Scholes.A,Clarke.BD.ContinuousCastingofHighCarbonSteelinBilletandBloomSectionsatSub-LiquidusTemperatures.CommissionoftheEuropeanCommunities(EUR13623),1991:10821Kenzoa.,HideoM.,Kazuyuki

21、T.andHiromuM.,LowSuperheatTeemingwithElectromagneticStirring.ISIJInt.1995,(35),6:680685(收稿日期:19990921)潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)專家研討會(huì)在北京召開中國金屬學(xué)會(huì)于1999年11月910日在北京召開了“潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)研討會(huì)”。會(huì)上有十幾位專家發(fā)表了論文,介紹了潔凈鋼生產(chǎn)的新經(jīng)驗(yàn)、新技術(shù)以及汽車、鐵道、建筑、軸承生產(chǎn)對各類鋼材純度、使用性能的詳細(xì)要求,提出了了不少建設(shè)性建議,與會(huì)代表受到了很大的啟發(fā)。通過研討,與代表一致認(rèn)為:(1)在當(dāng)前全球鋼鐵生產(chǎn)能力過剩,鋼材市場競爭激烈,我國處于面向調(diào)整和優(yōu)化鋼鐵工業(yè)結(jié)

22、構(gòu)的關(guān)鍵時(shí)期。潔凈鋼生產(chǎn)是全面提高我國鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量檔次,并和高效連鑄、近終形連鑄連軋等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合,成為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝、裝備、經(jīng)營管理結(jié)構(gòu)全面優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)向鋼鐵強(qiáng)國邁進(jìn)的必由之路和重要標(biāo)志之一。(2)潔凈鋼生產(chǎn)是各類鋼鐵企業(yè)、各個(gè)鋼種優(yōu)化完善的普遍要求,是現(xiàn)代鋼鐵工藝流程穩(wěn)定、流暢、降低消耗、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的基本條件。但潔凈生產(chǎn)必須立足產(chǎn)品的市場定位和不同的用戶要求,分層次地確定目標(biāo),合理選擇相適應(yīng)的典型工藝流程。(3)必須充分認(rèn)識(shí)潔凈鋼生產(chǎn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,應(yīng)從原料精料抓起,全面重視冶煉工序的提純、冶煉終點(diǎn)的精確控制、鋼水精煉的優(yōu)化以及防止精煉至凝固全過程為止各種形式的二次污染,

23、確保最終鋼材質(zhì)量性能要求。要充分建立適應(yīng)潔凈鋼生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、經(jīng)營管理新體制、加強(qiáng)耐材、冶金分析、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)、材料、裝備的配套發(fā)展,大力培養(yǎng)人才。(4)要認(rèn)真抓好潔凈鋼生產(chǎn)的基礎(chǔ)理論研究,大力開發(fā)潔凈生產(chǎn)技術(shù),全面提高自主開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新力,盡快形成我國獨(dú)有的潔凈鋼生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)。(5)要加強(qiáng)宣傳,明確推進(jìn)生產(chǎn)是各級領(lǐng)導(dǎo)、科技人員和企業(yè)的共同責(zé)任,充分發(fā)揮中國金屬學(xué)會(huì)的信息導(dǎo)向,組織技術(shù)交流與服務(wù),開展技術(shù)培訓(xùn),聯(lián)系國內(nèi)外同行的紐帶作用,在各類報(bào)刊雜志上介紹潔凈鋼生產(chǎn)的最新成就和經(jīng)驗(yàn),共同推進(jìn)我國潔凈鋼生產(chǎn)的健康發(fā)展。(國家冶金工業(yè)局蘇天森)© 1994-2010 China A

24、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 62宰文新等:武鋼第一煉鋼廠方坯高效連鑄機(jī)裝備及投產(chǎn)簡況結(jié)瘤的現(xiàn)象,造成低碳鋼連澆爐數(shù)不到4爐,鋁鎮(zhèn)靜鋼不到2爐。后來對低碳鋼改為鋯質(zhì)水口后,塞棒能很好的控流,連澆爐數(shù)大于6爐。對鋁鎮(zhèn)靜鋼改為石英水口后,水口結(jié)瘤的現(xiàn)象得以改善,連澆爐數(shù)達(dá)4爐。為在燕尾槽中放一塊連接件,這樣可有效的避免引錠桿拉脫或者溢鋼。同時(shí)也便于操作。通過這一改變,開澆成功率大大提高。同時(shí)脫引錠也方便,起苗時(shí)間在1015s內(nèi)。5.2提高開澆時(shí)浸入式水口插入深度開澆時(shí)浸入式水口插入深度由150mm

25、改變?yōu)?00mm,使浸入式水口周圍結(jié)冷鋼的現(xiàn)象得以改善,從而保證了開澆的正常。5.813個(gè)孔,這,同時(shí)中包流,中間溫度左右,現(xiàn)對擋渣墻開孔進(jìn)行了改,但還需作水模實(shí)驗(yàn)后更進(jìn)一步改進(jìn)。通過上述的改進(jìn),連鑄機(jī)的生產(chǎn)逐步走向正軌,鑄坯質(zhì)量也達(dá)到優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的狀態(tài)。5.3在1、2流和4、5流之間各增加150mm高壩由于中包較長,后,向兩側(cè)流動(dòng),5,較低,。增加了,對1、5流開澆成功有明顯的效果。5.4提高中包走行和烘烤裝置的提升速度中包烘烤2h后,溫度>1100。原來中包走行和烘烤裝置的提升速度較慢,從中包?；鹬链蟀_澆時(shí)間6min,這時(shí)中包溫度從1100以上降至800左右,這樣就給開澆帶來困難,提速后從中包?；鹬链蟀_澆時(shí)間3min,保證了開澆的順行。6結(jié)論兩臺(tái)連鑄機(jī)投產(chǎn)短短4個(gè)月的時(shí)間,共生產(chǎn)的品種有:普碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、輪胎鋼絲用鋼、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲用鋼、合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、焊絲鋼、冷敦鋼、60kg重軌用鋼等38個(gè)鋼種共計(jì)21.3萬t。連澆爐數(shù)高碳鋼達(dá)8爐,中低碳鋼6爐,鋁鎮(zhèn)靜鋼4爐。通過快速中包操作已連續(xù)澆鑄35h。目