李 頗 張 程 申祖峰

(東北特鋼集團(tuán)北滿特殊鋼有限責(zé)任公司技術(shù)中心，黑龍江161041)

Q345E+Z35大圓坯成分偏析及內(nèi)部質(zhì)量控制的研究

李 頗 張 程 申祖峰

(東北特鋼集團(tuán)北滿特殊鋼有限責(zé)任公司技術(shù)中心，黑龍江161041)

利用成分偏析和宏觀組織檢驗(yàn)方法，研究了連鑄工藝的變化對(duì)?650 mm的Q345E+Z35圓坯內(nèi)部元素偏析、圓坯低倍質(zhì)量的影響，并驗(yàn)證了工藝優(yōu)化后的Q345E+Z35連鑄圓坯鍛造加工成品后的質(zhì)量水平。結(jié)果表明：?650 mm的Q345E+Z35連鑄坯可以有效減輕碳偏析，提高低倍質(zhì)量，通過(guò)減輕Q345E+Z35圓連鑄坯料的內(nèi)部碳成分偏析程度，可有效提升其成品鍛件力學(xué)性能的均勻性。

Q345E+Z35；連鑄坯；成分偏析；內(nèi)部質(zhì)量

Q345E+Z35是一種低碳低合金高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度和沖擊要求嚴(yán)格，且化學(xué)成分受碳當(dāng)量限制，廣泛應(yīng)用于風(fēng)電法蘭的制造，因風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，其需求量大幅度增加。風(fēng)電法蘭鍛造坯料一般采用連鑄大圓坯生產(chǎn)，然而，大圓坯內(nèi)部成分存在不可避免的偏析等問(wèn)題，成為制約鋼材性能和內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。目前，關(guān)于Q345E+Z35大圓坯低倍質(zhì)量、偏析程度控制方面的報(bào)道相對(duì)較少，相關(guān)生產(chǎn)工藝還有待進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)對(duì)Q345E+Z35連鑄坯生產(chǎn)過(guò)程中的連鑄工藝參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化試驗(yàn)，研究了連鑄工藝的變化對(duì)?650mm的Q345E+Z35圓坯內(nèi)部元素偏析的影響，分析了成分偏析與圓坯低倍質(zhì)量的關(guān)系，并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)驗(yàn)證，探索合理的Q345E+Z35大圓連鑄坯生產(chǎn)工藝，提升連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，從而改善Q345E+Z35風(fēng)電法蘭加工成品后的內(nèi)部質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Q345E+Z35連鑄圓坯，內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，結(jié)合結(jié)晶器電磁攪拌工藝試驗(yàn)，進(jìn)行工藝優(yōu)化與設(shè)計(jì)，效果顯著提高。表1為試驗(yàn)連鑄圓坯的化學(xué)成分范圍。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 連鑄工藝及生產(chǎn)流程

Q345E+Z35連鑄圓坯采用三機(jī)三流弧形圓坯鑄機(jī)生產(chǎn)，穩(wěn)定控制冶煉、連鑄過(guò)程，嚴(yán)格執(zhí)行工藝，注重過(guò)程脫氧、脫硫、軟吹與真空效果；有效控制過(guò)熱度，減少澆鑄過(guò)程鋼水液面波動(dòng)，使鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到保證。冶煉生產(chǎn)工藝流程為：電爐/轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→RH真空爐→圓坯連鑄→緩冷。相關(guān)冶煉設(shè)備及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3 研究方法

在不同工藝下生產(chǎn)規(guī)格為?650 mm的3個(gè)爐號(hào) Q345E+Z35圓坯，對(duì)弧形圓坯連鑄機(jī)進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，具體試驗(yàn)方案參數(shù)如表3所示，包括首末端電磁攪拌強(qiáng)度、二冷水強(qiáng)度等連鑄參數(shù)的變化。連鑄坯在線火切后快速下坑緩冷，到冷床后在30 min內(nèi)裝入緩冷坑內(nèi)，緩冷時(shí)間≥80 h，連鑄坯溫度低于150℃后出坑堆冷。

表2 連鑄坯冶煉設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

表3 試驗(yàn)工藝優(yōu)化方案參數(shù)

每爐任選一流鑄坯，切取3個(gè)低倍試片(厚度均≤50 mm)，平片后對(duì)每個(gè)試片按圖1進(jìn)行切割：沿中心線切割成8等分；對(duì)切割試片進(jìn)行低倍檢驗(yàn)后，按下圖將在截面指定位置(邊緣、3/4R、1/2R、1/4R、圓心)共17個(gè)試樣切塊后，所取試樣大小均為20 mm×20 mm×20 mm，分別檢測(cè)各試樣元素成分，每個(gè)試樣至少檢測(cè)三點(diǎn)；然后對(duì)其他位置均勻鉆沫取樣，進(jìn)行成分偏析檢驗(yàn)，圓坯的低倍檢驗(yàn)方法按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》，試驗(yàn)方法采用酸浸法，低倍組織缺陷按YB/T 4149—2006《連鑄圓管坯》附錄A評(píng)級(jí)圖評(píng)定。

圖1 圓坯成分取樣位置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖2為三個(gè)試驗(yàn)爐號(hào)Q345E+Z35各元素偏析曲線，圖中縱坐標(biāo)偏析指數(shù)Z由公式：Z=(Xi-Xn)×100/Xn計(jì)算得出，Xn為各位置化學(xué)元素含量平均值。

由圖2可以看出，(1)首末段電磁攪拌為200 A/2 Hz 和280 A/3 Hz時(shí)，C、Si、Mn、Cr、Mo、V等元素均存在不同程度的偏析，C偏析度較大，從邊部到心部呈現(xiàn)不規(guī)則分布。(2)隨著電磁攪拌強(qiáng)度的增大(250 A/2 Hz 、380 A/3 Hz)，各元素偏析度降低，C元素偏析度高于其他元素。(3)電磁攪拌強(qiáng)度為300 A/2 Hz 和4500 A/3 Hz時(shí)，C元素的偏析度有所降低，其他元素偏析較小，呈現(xiàn)出表面半徑1/2處最高、心部和邊緣較低的折線形分布。(4)Q345E+Z35鋼種元素總體偏析程度順序?yàn)镃>Si>Mn>Cr>P>S。

圖3為Q345E+Z35圓坯碳成分偏析曲線，從圖2中可看出，爐號(hào)65701和65702圓坯C成分均呈正偏析，爐號(hào)65702圓坯在1/2R處C成分最高，邊緣低于圓心處，圓心偏心指數(shù)為33.3；爐號(hào)65703圓坯除圓心處C成分呈微量負(fù)偏析外，其余各點(diǎn)均為正偏析；爐號(hào)65703持續(xù)增加首末段的電磁攪拌強(qiáng)度后，C偏析程度明顯減小。

(a)爐號(hào)65701(b)爐號(hào)65702(c)爐號(hào)65703

圖2 Q345E+Z35各元素偏析曲線

圖3 Q345E+Z35圓坯C成分偏析曲線

圖4 低倍形貌圖

Figure 4 Appearance of macrostructures

圖4為圓坯Q345E+Z35宏觀低倍形貌圖。從圖4可以看出，爐號(hào)為65701和65702的鑄坯低倍質(zhì)量不好，存在明顯的疏松、縮孔等質(zhì)量缺陷，爐號(hào)為65703的鑄坯低倍質(zhì)量相對(duì)較好，質(zhì)量缺陷相對(duì)較低。

2.2 對(duì)比分析

表4為低倍檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。爐號(hào)為65701和65702的連鑄圓坯首末端電磁攪拌強(qiáng)度相對(duì)較低，在二冷水流量相同的情況下，不能較好地破碎柱狀晶，等軸晶形成率偏低，溶質(zhì)元素易于富集，凝固過(guò)程中，易形成疏松縮孔等缺陷。65703爐次在加強(qiáng)了首末段電磁攪拌強(qiáng)度后，晶粒得到了細(xì)化，碳化物等溶質(zhì)元素圓心富集現(xiàn)象得到改善。

C成分對(duì)偏析、疏松等質(zhì)量缺陷影響較大，因而選取不同工藝下的連鑄圓坯均勻鉆沫取樣，對(duì)得到的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將截面各點(diǎn)的C成分作出C元素偏析指數(shù)等值圖，見(jiàn)圖5。

表4 低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

(a)爐號(hào)65701

(b)爐號(hào)65702

(c)爐號(hào)65703

從圖5中可以看出，爐號(hào)65701和65702圓坯C成分在1/2R處含量最高，在圓心處碳偏析程度重，碳偏析指數(shù)大于1.15，而爐號(hào)65703的中心部碳偏析最輕，碳偏析在1.00左右，且從整個(gè)鑄坯面的碳偏析分布上看，爐號(hào)65703的碳成分分布較65701、65702相對(duì)更均勻，碳偏析程度有所改善。

首末端電磁攪拌強(qiáng)度的增大，有利于鑄坯凝固過(guò)程中降低柱狀晶比例，細(xì)化鑄坯中形成的等軸晶晶粒。在鑄坯持續(xù)冷卻過(guò)程中，等軸晶持續(xù)增加，并與液相共存，減輕了凝固過(guò)程中低熔點(diǎn)溶質(zhì)碳化物在心部的富集，有利于減少中心疏松、中心縮孔與中心偏析，進(jìn)而提升鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量[2-5]。

3 改進(jìn)措施

通過(guò)上述試驗(yàn)可以得出，首末端電磁攪拌強(qiáng)度增加后，連鑄圓坯的成分偏析、疏松、縮孔等質(zhì)量缺陷得到了一定程度的改善，然而，圓心處依然存在一定程度的碳偏析。通過(guò)對(duì)上述工藝變化后的3爐圓心碳偏析程度進(jìn)行對(duì)比分析，得出改進(jìn)方案：適度加強(qiáng)結(jié)晶器電磁攪拌強(qiáng)度，讓鋼水在拉坯過(guò)程中加快凝固速度，減輕鑄坯碳偏析、疏松及縮孔等問(wèn)題的同時(shí)，適當(dāng)降低二冷比水量，采用弱二冷工藝，因?yàn)檫^(guò)大的二冷比水量使鋼水凝固過(guò)快，凝固時(shí)間變短，不利于結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)柱狀晶的破碎，使溶質(zhì)化學(xué)元素出現(xiàn)成分偏析。

因此，采用如下連鑄工藝參數(shù)：首端電磁攪拌為300 A/2 Hz，末端電磁攪拌為420 A/2 Hz，二冷比水量為0.12 L/kg，鋼液過(guò)熱度控制在20～35℃，拉速為0.24～0.30 m/min。

4 工藝優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)果及分析

規(guī)格為?650 mm的Q345E+Z35連鑄坯經(jīng)工藝優(yōu)化后 ，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，并進(jìn)行鍛造試驗(yàn)，加熱至1200～1240℃，保溫3 h后，由水壓機(jī)進(jìn)行鍛造，正火溫度800～910℃后空冷，加工成外徑為?1980 mm，內(nèi)徑為?1600 mm，厚度為200 mm的風(fēng)電法蘭圈，取樣檢驗(yàn)。

4.1 化學(xué)成分

Q345E+Z35鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和規(guī)模生產(chǎn)鑄坯的實(shí)測(cè)成分見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，優(yōu)化工藝后批量生產(chǎn)的Q345E+Z35連鑄圓坯成分均可精確控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，連鑄坯的碳偏析指數(shù)可控制在有效范圍內(nèi)，成分均勻度大幅度提高。

4.2 內(nèi)部質(zhì)量及成品鍛件力學(xué)性能

圖6為工藝優(yōu)化后的低倍形貌及鍛造示意圖，工藝優(yōu)化后的Q345E+Z35連鑄圓坯，其中心疏松≤1.0級(jí)，中心縮孔≤0.5級(jí)，中心裂紋和皮下裂紋均為0級(jí)，內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定，無(wú)明顯缺陷。

表6為工藝優(yōu)化后的Q345E+Z35鍛造風(fēng)電法蘭檢驗(yàn)結(jié)果。成品風(fēng)電法蘭鍛件按照J(rèn)B/T 4730—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲檢測(cè)，滿足合格級(jí)別Ⅰ級(jí)。經(jīng)檢驗(yàn)后各項(xiàng)力學(xué)性能全部合格，-50℃沖擊性能均大于100 J，且效果均勻，說(shuō)明連鑄圓坯偏析等內(nèi)部質(zhì)量的提高，有助于改善鍛造后性能。

5 結(jié)論

(1)大圓坯 Q345E+Z35中的C 、Si、Mn、Cr、P、S等元素均存在不同程度偏析，元素偏析順序由高到低為：C、Si、Mn、Cr、P、S，C偏析較其他元素重。

表5 Q345E+Z35鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和鑄坯實(shí)測(cè)化學(xué)成分對(duì)比

(a)鑄坯低倍組織(b)鍛造示意圖(c)鍛造示意圖

圖6 工藝優(yōu)化后的低倍形貌及鍛造示意圖

(2)Q345E+Z35大圓坯邊緣到心部的偏析程度逐漸增加，心部碳化物偏析較大，電磁攪拌強(qiáng)度的增加，有助于減少大圓坯圓心碳偏析程度，提高圓坯內(nèi)部質(zhì)量。

(3)Q345E+Z35連鑄大圓坯在采用首末端電磁攪拌強(qiáng)度為300 A/2 Hz、420 A/2 Hz，二冷卻強(qiáng)度為0.12 L/kg，鋼液過(guò)熱度控制在25～35℃，拉速為0.240～0.30 m/min時(shí)，內(nèi)部宏觀低倍質(zhì)量獲得提升，鍛造性能滿足要求。

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編輯 陳秀娟

Research on Composition Segregation and Internal Quality Control of Q345E+Z35 Round Billet

Li Po, Zhang Cheng, Shen Zufeng

By applying composition segregation and macro structure detection method, effects of the varying continuous casting process on internal element segregation and macro quality of ?650 mm Q345E+Z35 round billet have been researched, meanwhile quality grades of forging products made by Q345E+Z35 round billet from optimized process have been verified. The results showed that ?650 mm Q345E+Z35 continuous casting billet could efficiently reduce carbon segregation and increase macro quality, further by decreasing internal carbon segregation degree of Q345E+Z35 round billet, uniformity of mechanical property of the forging products could be improved obviously.

Q345E+Z35; continuous casting billet; composition segregation; internal quality

2016—12—29

李頗(1975—)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事鋼鐵冶金研究。

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