高碳钢连铸方坯中心偏析

1、2000年2月炼钢Feb.2000SteelmakingVol.16No.156第16卷第1期高碳钢连铸方坯中心偏析薛正良李正邦张家雯(冶金部钢铁研究总院)摘要,。关键词连铸坯CastHigh-CarbonSteelBilletXueLiZhengbangZhangJiawen(CenterIron&SteelResearchInstitute)AbstractTheformationmechanismandcontroltechnologyofcenterlinesegregationincontinuouscasthigh-carbonsteelbilletsarereviewed

2、inthispaper.Theeffectsofelectromagneticstirringandlowsurperheatcastingatnearliquidustemperatureoneliminatingorimprovingthecenterlinesegregationinhigh-carbonsteelbilletsarealsoanalyzed.Itisputforwardthatcastingatnearliquidustemperatureandinternsivesecondarycoolingaretheeffectivewaytosolvethecenterlin

3、esegregationincontinuouscasthigh-carbonsteelbillets,whichalsocanincreasecastingspeed.Keywordscontinuouscastbilletcenterlinesegregationhigh-carbonsteellowsuperheat中心偏析是连铸坯中最常见的宏观缺陷,由于它不能通过后续的轧制或退火处理来消除,因而对材料的机械性能和加工性能产生有害的影响。对含碳量大于0.45%(质量百分数)的高碳钢种,当过热度大于15,并以较高的拉速浇铸成截面小于160mm×160mm的小方坯时,将产生十分严重

4、的碳、硫中心偏析1。新一代结构材料的研制对钢材成分的均匀度提出了更为严格的要求。因此,减轻或消除连铸坯中心偏析成为具有重要现实意义的课题。收缩进行及时补充,致使柱状晶枝晶间富集溶质3的残液向中心流动形成中心偏析2、,对方坯而言,在凝固区域末端的铸坯鼓肚量小于铸坯的凝固收缩量4。因此,方坯的中心偏析主要起因于铸坯凝固末端固液两相区(也称糊状区)的凝固收缩。连铸坯的中心偏析和中心疏松等宏观缺陷可以通过增加铸坯断面上等轴晶比例来避免或改善,大量研究表明,当铸坯断面上等轴晶率达到635%40%以上才能基本消除中心偏析5、。生产中获得等轴晶常用的方法有电磁搅拌技术和低过热度浇铸技术,并适当降低浇铸速度。

5、对特殊钢方坯的连铸,趋向于选择中型断面(400090000mm2)的铸坯7。而对板坯则主要采取防止鼓肚、补偿凝固收缩,以消除或减轻糊状区钢液的流动的方法来消除中心偏析。如各种形式的轻压下技术8、受控平面压下法9、连续锻压法10等。1中心偏析的成因及其控制方法钢液在凝固过程中,溶质元素在固液相间发生再分配,柱状晶的生长使枝晶间未凝固钢水的溶质元素得到了富集。而钢坯的鼓肚和液相穴末端的凝固收缩使中心产生强大的抽吸力。根据小钢锭理论,上部钢水受晶桥阻隔不能对下部凝固联系人:薛正良,北京(100081)冶金部钢铁研究总院冶金工艺研究所© 1994-2010 China Academic Jo

6、urnal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2000年第1期炼钢572电磁搅技术电磁搅拌技术能提高铸坯断面上的等轴晶率,从而有效改善中心偏析。根据电磁搅拌器安装位置的不同可分为结晶器内搅拌(M-EMS)、二冷区搅拌(S-EMS)和液相穴末端搅拌(F-EMS)。结晶器内搅拌的主要作用是均匀钢液温度,提高凝固壳厚度的均匀性,12固界面上气泡的分离11、,根据日本“结晶游离13论”,弯月面处将产生等轴晶晶核的游离。但是,不管以哪种形式产生的等轴晶晶核,它们只有在液相线温度下才能稳定存在。若钢水过热度较高通过M-EMS仍然不能获得较高

7、的等轴晶比。二冷区搅拌(S-EMS)的作用是使两相区内柱状晶枝晶破碎,有利于减轻“晶桥”现象,促进等轴晶凝固组织的形成11。液相穴末端搅拌(F-EMS)有利于减轻“晶桥”现象外,还能减轻大方坯中等轴晶滑移引起的V型偏11析4、。实践证明,高碳钢和高碳合金钢必须采用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。连铸坯等轴晶率随电磁搅拌功率的增加而增加,与此同时,搅拌区产生严重的碳、硫负偏析,在硫印上呈“白亮带”。随搅拌强度的进一步增加,15还会出现二次“白亮带”。线附近浇铸几乎是不可能的,因为这会造成水口堵塞,钢包和中间包严重结壳,也不利于中间包内夹杂物的去除。90年代初,比利时冶金研

8、究中心(CRM)开发了一种称为空心喷出式水口(HJetNozzle)的18新型水口17、。其基本思路是,见图1。换水改变流向,并与铜质水冷换热器发生热交换,达到降低结晶器内钢水过热度的目的。在卢森堡阿尔贝德铜质水冷换热器发生热交换,达到降低结晶器内钢水过热度的目的。在卢森堡阿尔贝德(ARBED)厂6流方坯(200mm×200mm)连铸机上进行的工业试验表明,当浇钢速度为2025t/h时,中间包钢水过热度为15时,结晶器内钢水过热度为0。将这种新型水口浇铸板坯(2080mm×300mm)时,浇铸速度达到80160t/h,当中间包钢水过热度为15时,结晶器内过热度为7,见图2。

9、采用HJN低过热度浇铸后,高碳钢w(C)-0.8%铸坯中心偏析基本消除,凝固组织得到细化。3接近液相线温度的低过热度浇铸技术钢液的浇铸温度对等轴晶的形核和长大起着至关重要的作用,根据“自由晶”理论,在接近液相线温度的低过热度区会形成大量等轴晶的晶核,等轴晶的长大可进一步阻止柱状晶的发展。按大野教授的“结晶游离论”观点13,钢液流经低温的表面时由非均质形核产生的大量晶核因“颈缩”而游离进入钢液中,当钢水过热度很低时,游离的晶粒能保存下来,并增殖和长大。相反,当钢液过热度高时,游离出来的晶粒会重新熔化。因此,低过热度浇铸能大大提高铸坯的等轴晶率。通常的连铸工艺要将钢水过热度降低到液相图1低过热度浇

10、铸的空心喷出式水口(HJN)17左:用于方坯连铸;右:用于板坯连铸英国钢铁公司用3年时间开发的低过热度浇铸技术20,所设计的换热器与CRM开发的略有不同,其主要区别在于前者用从中间包空心塞棒中吹出的惰性气体将钢水吹向换热器表面,形成高速流动的液膜,以加强水口的换热。扩大后的水口直径减小了因钢壳结厚造成的堵塞风险。他们用建立的数学模型分析传热、传质、凝壳结厚和© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 58薛正良等:高碳钢连铸方坯中心偏析2JN时的温度降17整后

11、,。,当高碳钢w(C)-0.85%浇铸温度降低到液相线或液相线温度以下时,能很好地控制中心偏析,但随过热度降低,V型偏析有增加的倾向,这与CRM的研究结果相同19。日本神户钢铁公司开发的低过热度浇铸技术21,采用带来电磁搅拌的空冷水口作为换热器来降低钢水过热度,水口用耐火材料制作。水口外面是不锈钢套,冷却用的压缩空气流经其间,风压5kg/cm2。电磁搅拌的作用是使水口内钢流强烈搅动,以增大水口传热系数,同时可有效防止水口堵塞。使用这一装置完成了500kg和3t级试验,表明当钢水流量在18t/h时,通过水口的温度降可达到30。4连铸坯二次强冷却技术19提高冷却强度除了能细化组织晶粒,还能缩短液相

12、穴深度,增加坯壳厚度,从而减小鼓肚量。液相穴长度的缩短也有利于钢水补缩,减少产生V型偏析的倾向。根据这一思路,比利时冶金研究中心(CRM)开发了连铸坯二次冷却技术,并将该技术与低过热度浇铸相结合应用于工业生产。二次强冷技术的基本原理是将冷却水通过加工在平板上的狭缝喷向铸坯,平板与铸坯间有一充满高速流动的水膜,该水膜的压力足以反抗钢水静压力,故能起到冷却和支撑钢坯作用。在阿尔贝得(ARBED)厂的二次强冷装置及冷却效果见图4。工业试验表明,二次水膜冷却技术不会引起高碳钢w(C)0.8%表面裂纹和皮下裂纹。图4二次水膜强冷装置及冷却效果195结论提高铸坯断面等轴晶率是消除或改善中心偏析的有效途径,

13、对高碳钢方坯连铸,必须采用多段电磁搅拌才能获得满意的结果。为得到足够的等轴晶率,必须提高搅拌强度,但增加了结晶器钢水卷渣的的风险和在搅拌区产生严重的碳、硫负偏析。若负偏析低于钢种规格下限,将影响材料的机械力学性能。采用接近液相线温度的低过热度浇铸结合二次强化冷却技术能有效地解决高碳钢© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2000年第1期炼钢59连铸坯中心偏析问题,并细化晶粒,同时可提高浇铸速度。参考文献1NitinA.ShahandJohnJ.Moore

14、,MacrosegregationinContinuouslyCastHighCarbonSteelBillets.1983SteelmakingProceedings,66:2472592川和高穗,土田裕等.连续铸造󰁺󰂲󰁾中央偏析生成机构.铁钢.1974,60,(11):4083梨和甫,安元邦夫等.连铸󰁺󰂲󰁻中心偏析及󰂭󰂫󰁣󰂲󰁥󰂡󰂳󰂈影响.铁钢.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、凝固偏析现象溶钢流动关系.铁钢,1974,60,(7):8949147冶金部信息标准研究院等.特殊钢生产技术现状及发展趋势,1996.18M.Suzuki,K.Kimuraetal.ImprovementinCentreSegregat

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

17、StrandbyContinuousForgingProcees.4thInternationalConferenceContinuousCasting,Preprints1:24725811吉井贤太、高木弥等.电磁搅拌连铸材品质.R&D神户制钢持报.1981,34,(4):141912YukioKatagiri,HiroshiTakagi,andToshiyasuOhnishi.PerformanceofHighQualitySteelProductsProducedbyNewBloomContinuousCastingProcess.1982SteelmakingProceedin

18、gs:24625013大野笃美著,刑建东译.金属的凝固理论、实践及实用.北京:机械工业出版社,1990年14N.A.Shah,J.J.Moor.AReviewEofElectromagneticStirring(EMS)inPart.Iron&teelmaker.,9,15F.,T.etal.lectromagneticStirringonSlabofthe2ndProcessTechnologyCAIME,Chicago,1981,30831616.北京:冶金工业出版社,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)洁净钢生产技术专家研讨会在北京召开中国金属学会于1999年11月910日在北京召开了“洁净钢生产技术研讨会”。会上有十几位专家发表了论文,介绍了洁净钢生产的新经验、新技术以及汽车、铁道、建筑、轴承生产对各类钢材纯度、使用性能的详细要求,提出了了不少建设性建议,与会代表受到了很大的启发。通过研讨,与代表一致认为:(1)在当前全球钢铁生产能力过剩,钢材市场竞争激烈,我国处于面向调整和优化钢铁工业结

22、构的关键时期。洁净钢生产是全面提高我国钢铁生产产品质量档次,并和高效连铸、近终形连铸连轧等先进技术结合,成为实现产品结构和工艺、装备、经营管理结构全面优化,实现向钢铁强国迈进的必由之路和重要标志之一。(2)洁净钢生产是各类钢铁企业、各个钢种优化完善的普遍要求,是现代钢铁工艺流程稳定、流畅、降低消耗、提高生产效率和经济效益的基本条件。但洁净生产必须立足产品的市场定位和不同的用户要求,分层次地确定目标,合理选择相适应的典型工艺流程。(3)必须充分认识洁净钢生产是一项系统工程,应从原料精料抓起,全面重视冶炼工序的提纯、冶炼终点的精确控制、钢水精炼的优化以及防止精炼至凝固全过程为止各种形式的二次污染,

23、确保最终钢材质量性能要求。要充分建立适应洁净钢生产的标准规范、经营管理新体制、加强耐材、冶金分析、自动控制等相关技术、材料、装备的配套发展,大力培养人才。(4)要认真抓好洁净钢生产的基础理论研究,大力开发洁净生产技术,全面提高自主开发和技术创新力,尽快形成我国独有的洁净钢生产系统技术。(5)要加强宣传,明确推进生产是各级领导、科技人员和企业的共同责任,充分发挥中国金属学会的信息导向,组织技术交流与服务,开展技术培训,联系国内外同行的纽带作用,在各类报刊杂志上介绍洁净钢生产的最新成就和经验,共同推进我国洁净钢生产的健康发展。(国家冶金工业局苏天森)© 1994-2010 China A

24、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 62宰文新等:武钢第一炼钢厂方坯高效连铸机装备及投产简况结瘤的现象,造成低碳钢连浇炉数不到4炉,铝镇静钢不到2炉。后来对低碳钢改为锆质水口后,塞棒能很好的控流,连浇炉数大于6炉。对铝镇静钢改为石英水口后,水口结瘤的现象得以改善,连浇炉数达4炉。为在燕尾槽中放一块连接件,这样可有效的避免引锭杆拉脱或者溢钢。同时也便于操作。通过这一改变,开浇成功率大大提高。同时脱引锭也方便,起苗时间在1015s内。5.2提高开浇时浸入式水口插入深度开浇时浸入式水口插入深度由150mm

25、改变为100mm,使浸入式水口周围结冷钢的现象得以改善,从而保证了开浇的正常。5.813个孔,这,同时中包流,中间温度左右,现对挡渣墙开孔进行了改,但还需作水模实验后更进一步改进。通过上述的改进,连铸机的生产逐步走向正轨,铸坯质量也达到优质稳定的状态。5.3在1、2流和4、5流之间各增加150mm高坝由于中包较长,后,向两侧流动,5,较低,。增加了,对1、5流开浇成功有明显的效果。5.4提高中包走行和烘烤装置的提升速度中包烘烤2h后,温度>1100。原来中包走行和烘烤装置的提升速度较慢,从中包停火至大包开浇时间6min,这时中包温度从1100以上降至800左右,这样就给开浇带来困难,提速后从中包停火至大包开浇时间3min,保证了开浇的顺行。6结论两台连铸机投产短短4个月的时间,共生产的品种有:普碳钢、优质碳素钢、轮胎钢丝用钢、高强度预应力钢丝用钢、合金钢、合金结构钢、焊丝钢、冷敦钢、60kg重轨用钢等38个钢种共计21.3万t。连浇炉数高碳钢达8炉,中低碳钢6炉,铝镇静钢4炉。通过快速中包操作已连续浇铸35h。目