高碳钢连铸方坯中心偏析的控制

高碳钢连铸方坯中心偏析的控制

中心分析是连铸砖中最常见的宏观缺陷。由于它无法通过后续研磨或冷却来消除，因此对材料的机械工程和加工性能产生了不利影响。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,将产生十分严重的碳、硫中心偏析。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。1中心偏析消除技术钢液在凝固过程中,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收缩进行及时补充,致使柱状晶枝晶间富集溶质的残液向中心流动形成中心偏析[2、3],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。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35%～40%以上才能基本消除中心偏析[5、6]。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。对特殊钢方坯的连铸,趋向于选择中型断面(4000～90000mm2)的铸坯。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受控平面压下法连续锻压法等2搅拌和搅拌作用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,促使夹杂物上浮和凝固界面上气泡的分离[11、12]。结晶器内搅拌提高等轴晶率的原因被认为是钢液的强制对流使枝晶末端折断或熔断,成为等轴晶核。此外,根据日本学者大野笃美提出的等轴晶形核的“结晶游离论”,在电磁搅拌的作用下,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。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型偏析[4、11]。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,还会出现二次“白亮带”。3低过热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,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,比利时冶金研究中心(CRM)开发了一种称为空心喷出式水口(HollowJetNozzle)的新型水口[17、18]。这种水口可以在不改变中间包钢水温度,不改变连铸机主体结构的条件下实现接近液相线温度的低过热度浇铸。其基本思路是将普通的浸入式水口改造成换热器,见图1。换热器内设一个用耐火材料制作的钢水分布帽使钢水改变流向,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20～25t/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80～160t/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。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。英国钢铁公司用3年时间开发的低过热度浇铸技术,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水口内钢水流动特性。用试验数据对模型进行修整后,用于设计工厂应用的换热器。英国钢铁公司的研究发现,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。日本神户钢铁公司开发的低过热度浇铸技术,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次强冷冷却技术提高冷却强度除了能细化组织晶粒,还能缩短液相穴深度,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。5搅拌强度的影响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,对高碳钢方坯连铸,必须采用多段电磁搅拌才能获得