连铸工艺对铸坯碳偏析的影响

连铸

No.3May　2010

ContinuousCasting

连铸工艺对铸坯碳偏析的影响

张广军,　张旭东,　张劲峰,　刘兴洪

(江阴兴澄特种钢铁有限公司一分厂,江苏江阴214429)

摘　要:研究认为铸坯凝固过程碳的不均匀分布是导致铸坯低倍偏析的主要原因,碳分布不均匀程度基本与钢种碳含量成正比,由此将不同钢种的碳分布标准偏差和极差修正成20CrMoH钢碳分布偏析后统一研究。在正常生产条件下将浇注过热度控制在15～25℃范围、二冷比水量在0135L/kg、结晶器和末端电磁搅拌扭矩分别为18

cN・cm和15cN・cm对铸坯碳偏析改善有利。采用组合参数进行生产实践检验,连铸坯修正碳偏析标准偏差和修

正碳偏析极差降到了01015%和01025%以下。关键词:连铸工艺;铸坯;碳偏析

中图分类号:TF777.2　　文献标志码:A　　文章编号:100524006(2010)0320043204

EffectofCCProcessonMacroCarbonSegregationinSteelBloom

ZHANGGuang2jun,　ZHANGXu2dong,　ZHANGJin2feng,　LIUXing2hong

(TheNo.1Plant,XingchengSpecialSteelCo.,Ltd.,Jiangyin214429,Jiangsu,China)

Abstract:Investigationshowsthatthemainreasonofmacrocarbonsegregationinsteelbloomisnonhomogeneousdistribu2tionofcarbonduringsolidificationofbloom,andseverityofnonhomogeneousdistributionofcarbonisproportiontothecar2boncontentofsteel.Standarddeviationandrangeofcarbondistributioninvarioussteelgradeswerenormalizedtodistribu2tionofcarbonsegregationin20CrMoH,thenthedatawereanalyzedinthesamescale.Innormalcontinuouscasting,thefollowingcastingparameterscanimprovecarbonsegregationofcastingbloom,suchascastingoverheatat15-25℃,thea2mountofsecondarycoolingwateris0.35L/kg,stirringtorqueofmoldandfinalelectromagneticstirringarerespectively18and15cN・cm.Thenormalizedstandarddeviationandrangeofcarbonsegregationdecreasedtobelow0.015%and01025%afterthebestcombinationofparameterswereusedinproductionpractice.Keywords:CCprocess;castingbloom;carbonsegregation

　　轧材通常在横截面上存在着不同程度的低倍偏析缺陷、也就是化学成分的不均匀分布,这种缺陷会对机加工、热处理、尺寸稳定性以及使用安全性和各种应用性能带来许多不利的影响[122]。轧材偏析缺陷级别大小主要是由连铸坯或钢锭上结晶成分不均匀严重程度决定的,后续加工和热处理等过程只能减轻偏析缺陷、不能有效解决问题,而铸坯低倍偏析的影响因素主要表现在钢液成分、浇注温度、浇注速度、结晶器和二冷冷却速度、电磁搅拌强度等方面[324],本文主要研究连铸工艺对铸坯碳偏析的影响。

为了对比各种偏析影响因素的作用,在不明显

恶化产品质量的条件下,可以在连铸机某一流进行各种参数调整试验,对该流铸坯单独管理,切取最具代表性位置的低倍试样,对试样先进行酸洗检验铸坯偏析级别、后在铸坯横截面上不同位置进行光谱分析或钻取金属屑分析化学成分偏析情况(图1),

1　研究条件和方法

兴澄一分厂生产工艺路线为:100t超高功率电炉(UHP)-100t二次精炼炉(LF)-100t真空脱气炉(VD)-氩气软吹-R12五机五流大方坯连铸机-铸坯热送或冷装轧制,其中连铸机具备下渣检测、钢液全程保护浇注、结晶器液面自动控制、保护渣自动添加、结晶器和末端电磁搅拌、二冷汽化冷却等技术。

1-边缘激冷正偏析区;2-边缘白量负偏析区;3-中间柱状

正偏析区;4-中间框型负偏析区;5-中心等轴

负偏析区;6-试验研究分析样点。

图1　铸坯横截面偏析示意图

Fig.1　Schematicdrawingofcross2sectionsegregationinbloom

),男;　　E2mail:zhangguangjun_66@163.com;　　作者简介:张广军(1969—收稿日期:2009211210

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连　铸　

图中1～6点分别距铸坯边缘7、20、50、70、110、

150mm,根据分析数据计算标准偏差和极差来评价偏析程度。

　　本文研究涉及到的钢种主要有Cr、CrMo和

CrMnTi系列,碳的质量分数分布在0115%～0145%,

代表钢种要求的目标熔炼成分见表1,实际生产过程中

熔炼成分碳偏差一般在±0101%、锰和铬熔炼偏差一般在±0102%,其它微量元素偏差在±01005%。

表1　齿轮钢种熔炼目标成分(质量分数)

Table1　Smeltingtargetchemicalcompositionofthestudiedgearsteel

钢种

20CrMoH40Cr

C0.200.40

Mn0.780.70

Cr1.151.00

P

S

Al0.0300.030

Ti0.0100.015

%

≤0.020≤0.020≤0.008

≤0.008

2　研究结果与讨论

2.1　化学成分对偏析的影响

为了分析不同钢种不同化学成分在连铸凝固过

程的成分偏析情况,以及为了利用数学方法将不同

钢种的偏析程度用统一转化指标进行对比的方便,将各钢种在相近的浇注过热度和拉速、相近的冷却强度和电磁搅拌条件下进行成分偏析程度对比,代表数据见表2,表中数据是选择有代表性的连铸坯低倍片试样打光谱成分后经过计算得到的。

表2　相近条件下齿轮钢成分偏析情况

Table2　Segregationofchemicalcomponentsingearsteelsundersimilarconditions钢种

20CrMoH40Cr

C

Mn

CrS

Al

σ/%

0.0170.029

δ/%

0.0440.085σ/%

0.0090.008δ/%

0.0230.024

σ/%0.0110.010

δ/%0.0310.024

σ/%δ/%σ/%δ/%

0.00130.0035

0.00150.00330.00080.00130.00040.0008　　表2中σ和δ分别指铸坯横截面上如图1中所示的6个取样点处光谱化学成分的标准偏差和极差数值,标准偏差反映成分分布的均匀程度、极差反映成分分布不均的严重状况。由表中数据可以看出碳比锰铬成分的相对偏差要大很多,碳凝固成分分布不均匀对铸坯偏析影响最大,硫和铝属于微量元素、成分偏差对低倍影响不大。试验数据表明,碳成分正偏析处、其它成分也基本呈现正偏析性,反之亦然;在相同条件下,碳成分分布偏差大小基本与该钢种的熔炼碳含量大小成正比、与钢种其它特性关系不大。因此,本文以碳成分为代表进行铸坯偏析影响因素的分析,并对碳偏析标准偏差和极差根据碳含量大小进行修正,修正后所有钢种的偏析都转化为相当20CrMoH钢的偏析进行研究,修正公式为:

修正碳偏析标准偏差=碳偏析标准偏差检测数据/(钢种熔炼碳成分/0.20%)

修正碳偏析极差=碳偏析极差检测数据/(钢种熔炼碳成分/0120%)

2.2　过热度和拉速对铸坯碳偏析的影响

对钢结晶过程的成分偏析有很大影响。钢液浇注过

热度提高,铸坯凝固散热量增大且坯壳厚度减薄,铸坯断面温度梯度大,易偏析元素如碳、硫等有条件按照选分结晶的方式扩散凝固,从而形成明显的偏析缺陷;在相同的浇注过热度下,拉速提高也会使凝固散热量增大、坯壳减薄,效果等同于过热度提高,导致偏析程度加大[1,5]。生产过程中过热度高时、一般拉速会相应降低,所以在相同拉速和过热度匹配工艺下,不考虑拉速对偏析的影响。

在相近的冷却强度和电磁搅拌条件下进行过热度对铸坯碳偏析影响的分析,见图2。

从图2可以看出,中间包浇注钢水过热度在13～32℃内,修正碳偏析标准偏差波动范围01013%～01024%、修正碳偏析极差波动范围01026%～01051%,对碳偏析影响不太明显。考虑

到正常生产要求和过热度控制水平,将过热度控制在15～25℃的范围内对控制碳偏析可行。2.3　连铸冷却强度对铸坯碳偏析的影响连铸冷却强度主要包括结晶器冷却水量和二冷比水量两个因素,一般情况下,结晶器冷却水量提高

一般认为连铸中间包浇注钢液温度和拉坯速度

第3期张广军等:连铸工艺对铸坯碳偏析的影响

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图2　浇注过热度与铸坯碳偏析的关系

Fig.2　Relationshipbetweencastingoverheatandcarbonsegregationinbloom

并不一定提高铸坯坯壳的冷却效果,因为初始坯壳受到强冷收缩产生气隙加大,坯壳回温膨胀再靠近结晶器铜壁、再次收缩,如此循环。因此安全条件下的结晶器冷却水量对偏析的影响应当不是很大,表3中的数据也说明了这一点。

表3　相近条件下结晶器冷却水量对碳偏析的影响

Table3　Effectofmoldcoolingwateramountoncarbonsegregationundersimilarcondition项目

结晶器冷却水量/

(m3・h-1)

2.4　电磁搅拌强度对铸坯碳偏析的影响

电磁搅拌分为结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌,结晶器电磁搅拌将凝固前沿的树枝晶打断而悬浮于钢液中,大部分被打碎的枝晶碎片的温度都低于钢液温度,因而不能再次溶解于钢中,在铸坯结晶前沿沉降堆积而形成细小等轴晶。不过结晶器电磁搅拌作用距离内坯壳生长厚度有限,只在铸坯表面形成一层较薄的激冷细小等轴晶,铸坯离开搅拌作用区后,由于二冷作用以及液芯显热很高,铸坯生长

数据

1600.0160.0341800.0180.039

2000.0170.037

2200.0200.043

仍然要生成明显的比较粗大的柱状晶和偏析区域,因此还要联合末端电磁搅拌器控制铸坯中间部位的结晶组织和偏析缺陷。如果二者搅拌强度搭配不当,铸坯横断面会出现图1所示碳的正负偏析区域。为了研究二者对铸坯碳偏析的影响,采用主效应分析方法进行,结晶器和末端电磁搅拌扭矩都分为五个水平,分别是10、12、18、23、32和8、15、36、60、100cN・cm,每个因子每个水平搭配一次共进行25

修正碳偏析标准偏差修正碳偏析极差

　　二冷汽化冷却的作用是均匀冷却铸坯、使铸坯温度稳定降低,如果铸坯表面温度回升明显,将使组织变得粗大、成分偏析加剧。图3表明了二冷比水量大小对铸坯碳偏析的影响程度,可以看出比水量在0.35L/kg效果最好,低于0135L/kg碳偏析程度明显增大,高于0135L/kg碳偏析变化不明显,还要对表面质量产生不良影响。

次试验,分析后主效应数据见图4、5。

图4　相近条件下结晶器电磁搅拌强度

图3　二冷比水量与铸坯碳偏析的关系

Fig.3　Relationshipbetweensecondarycoolingwater

amountandcarbonsegregationinbloom

对碳偏析的影响

Fig.4　Effectofmoldelectromagneticstirringstrength

oncarbonsegregationundersimilarcondition

・46・

连　铸　

3　结论

1)铸坯中碳分布相对偏差要比锰、铬、硫和铝

大,碳成分偏差对低倍偏析影响最大;碳成分分布偏

差大小基本与该钢种的熔炼碳含量大小成正比。

2)在相近的冷却强度和电磁搅拌条件下,中间

)内碳偏包浇注钢水过热度在正常范围(13～32℃析变化程度不太明显,将过热度控制在15～25℃的

范围内对控制碳偏析可行。

3)结晶器冷却水量对偏析影响不大,二冷水量

图5　相近条件下末端电磁搅拌强度对碳偏析的影响

Fig.5　Effectoffinalelectromagneticstirringstrength

oncarbonsegregationundersimilarcondition

　　从图4和图5可以看出,电磁搅拌对碳偏析影响明显,结晶器和末端电磁搅拌扭矩分别为18和15cN・cm对偏析改善有利,其中结晶器电磁搅拌的作用明显强于末端电磁搅拌,从10cN・cm升到32cN・cm,修正碳偏析极差波动范围0.018%～01052%。2.5　优选连铸参数实践结果

选取过热度15～25℃、二冷比水量0135L/kg、结晶器和末端电磁搅拌扭矩分别是18和15cN・cm的组合参数进行生产实践检验,连铸坯的偏析缺陷得到了明显改善,连铸坯修正碳偏析标准偏差和修正碳偏析极差降到了01015%和01025%以下,铸坯低倍的正负偏析色度对比明显下降。

在0135L/kg对减轻碳偏析有利;电磁搅拌对碳偏析影响明显,结晶器和末端电磁搅拌扭矩分别在18和15cN・cm对碳偏析改善有利。

4)采用组合参数进行生产实践检验,连铸坯修正碳偏析标准偏差和修正碳偏析极差降到了01015%和01025%以下,铸坯的偏析缺陷得到了明显改善。

参考文献:

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响[D].北京:北京科技大学,2006.

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