李德軍 廖相巍 于賦志 許孟春 李曉偉 劉 祥

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

輕壓下對(duì)高碳鋼小方坯內(nèi)部質(zhì)量的影響

李德軍 廖相巍 于賦志 許孟春 李曉偉 劉 祥

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

為了考察輕壓下工藝對(duì)高碳鋼小方坯內(nèi)部質(zhì)量的影響，以高碳鋼SWRH72B小方坯為研究對(duì)象進(jìn)行了輕壓下工業(yè)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)固相率fs大于0.82時(shí)，無(wú)法消除縮孔和中心碳偏析；多輥壓下較單輥輕壓下更有利于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的提升;采用4號(hào)輥壓下量5 mm，5號(hào)輥壓下量10 mm，6號(hào)輥壓下量5 mm的多輥壓下可防止壓下裂紋出現(xiàn)，同時(shí)也能夠?qū)㈣T坯中心的碳偏析平均值穩(wěn)定控制在1.04；超弱冷(比水量0.40 L/kg)較弱冷(比水量0.65 L/kg)更有利于控制中心碳偏析。

高碳鋼 小方坯 碳偏析 單輥輕壓下 多輥輕壓下

在連鑄生產(chǎn)中，鑄坯內(nèi)部一般都會(huì)存在中心偏析和中心疏松等缺陷，尤其是高碳鋼小方坯更為嚴(yán)重。高碳盤條鋼在拉拔生產(chǎn)鋼絲和鋼絞線時(shí)，由于最終產(chǎn)品截面尺寸小，因此對(duì)組織要求較為嚴(yán)格。預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條使用YB/T 146—1998中規(guī)定，不得出現(xiàn)馬氏體及網(wǎng)狀滲碳體等異常組織。在高碳鋼小方坯的連鑄過(guò)程中，面臨的主要問(wèn)題就是鑄坯的中心偏析和中心疏松的控制。大量研究表明[1- 5]，在連鑄坯的凝固末端實(shí)施輕壓下能夠明顯地改善鑄坯中心偏析和中心疏松。為了降低小方坯中心碳偏析，提高盤條鋼在拉拔過(guò)程中產(chǎn)品的合格率，某廠對(duì)小方坯連鑄機(jī)的拉矯輥進(jìn)行了升級(jí)改造，使其具有了輕壓下功能。為了評(píng)定輕壓下對(duì)高碳鋼小方坯的內(nèi)部質(zhì)量改善情況，進(jìn)行了單輥和多輥兩種模式的壓下工業(yè)試驗(yàn)研究，為輕壓下系統(tǒng)的完善和工藝優(yōu)化提供幫助。

1 試驗(yàn)材料與方案

某廠生產(chǎn)小方坯的鋼種主要為普碳鋼、高碳鋼、簾線鋼等，連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of continuous casting machine

為了研究輕壓下對(duì)連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的影響，進(jìn)行了如表2所示參數(shù)條件的相關(guān)試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)條件參數(shù)Table 2 Condition parameters of test

取長(zhǎng)度方向400 mm的縱向中心切面為分析樣本，進(jìn)行低倍組織觀察。采用5 mm鉆頭在鑄坯截面上鉆屑，進(jìn)行鑄坯成分偏析分析，考慮到鑄坯的對(duì)稱性，在如圖1所示的位置進(jìn)行鉆屑取樣。采用所測(cè)樣點(diǎn)的碳成分與所有采樣點(diǎn)平均碳成分的比值作為碳偏析度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓下位置對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響

為了考察不同壓下位置對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響，在壓下量為10 mm，拉速為1.3 m/min，結(jié)晶器攪拌電流為300 A，比水量為0.42 L/kg條件下，進(jìn)行了單輥和多輥壓下試驗(yàn)。試驗(yàn)鑄坯的低倍組織如表3所示，其中試驗(yàn)號(hào)1～6為單輥壓下，并分別對(duì)應(yīng)1～6號(hào)壓下輥，7～10為多輥壓下，其壓下方案見(jiàn)表4，鑄坯碳偏析如圖2所示。

圖1 鑄坯采樣點(diǎn)Fig.1 Sampling points of casting billet

從表3缺陷統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，單輥壓下時(shí)在1～5號(hào)輥范圍內(nèi)，隨著壓下輥的后移，鑄坯的縮孔數(shù)量逐漸減少，在5號(hào)位置進(jìn)行壓下時(shí)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到最佳，但當(dāng)壓下輥后移到6號(hào)輥時(shí)，縮孔數(shù)量又有所增多。說(shuō)明壓下輥的位置對(duì)鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量有重要影響，并與鑄坯內(nèi)兩相區(qū)的固相率fs相對(duì)應(yīng)。根據(jù)輕壓下系統(tǒng)對(duì)鑄坯凝固過(guò)程的預(yù)測(cè)(通過(guò)沉鉛試驗(yàn)和射釘試驗(yàn)的驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果具有很好的一致性，表明系統(tǒng)對(duì)凝固過(guò)程的預(yù)測(cè)具有很好的可靠性)，4、5、6號(hào)輥所對(duì)應(yīng)的固相率fs分別為0.45、0.63、0.82，表明在該鋼種固相率fs為0.45～0.63時(shí)施加壓下，效果相對(duì)較好。當(dāng)壓下輥靠前即固相率fs小于0.45時(shí)，會(huì)導(dǎo)致上部的鋼水無(wú)法補(bǔ)充到下部，使下部的鑄坯容易產(chǎn)生疏松和縮孔；而當(dāng)壓下輥過(guò)于靠后即固相率fs大于0.82時(shí)，鋼水己大部分凝固，縮孔與碳偏析已經(jīng)形成，此時(shí)進(jìn)行壓下已難以消除碳偏析和縮孔。多輥組合式壓下時(shí)，通過(guò)比較縮孔的數(shù)量及大小情況來(lái)看，10號(hào)的試驗(yàn)效果較好，而7、8號(hào)的試驗(yàn)效果相對(duì)較差，其中8號(hào)還伴有輕微裂紋出現(xiàn)。比較多輥9號(hào)與單輥3、4號(hào)可以看出，總壓下量都為10 mm時(shí)多輥壓下有利于消除鑄坯內(nèi)部裂紋，但未能改善鑄坯中心疏松，與單輥壓下比較5 mm大縮孔還有增多趨勢(shì)。

表3 鑄坯縱截面低倍組織Table 3 Macrostructures at longitudinal section of casting billets

表4 多輥壓下方案Table 4 Multi- roll soft reduction schemes

從圖2(a)可以看出，在單輥壓下時(shí)鑄坯中心的碳偏析范圍在1.07～1.35之間。當(dāng)壓輥過(guò)于靠前時(shí)，碳偏析越嚴(yán)重。隨著壓輥的后移碳偏析有所減小，但當(dāng)壓輥后移到6號(hào)輥時(shí)，碳偏析又有所加重，這與鑄坯中心縮孔及疏松情況相符。6號(hào)輥壓下改善鑄坯中心偏析不理想的原因主要是此時(shí)固相率較高， 中心偏析已形成，壓下也難以改善。在總壓下量10 mm條件下進(jìn)行多輥壓下時(shí)，從圖2(b)可以看出，鑄坯中心碳偏析的范圍在1.12～1.33之間，其波動(dòng)范圍較單輥壓下略有收窄，表明多輥壓下對(duì)中心碳偏析的控制要穩(wěn)定。但在該條件下最小碳偏析度依然在1.12，較單輥壓下的最小值1.07要高得多。

圖2 (a)單輥壓下與(b)多輥壓下對(duì)碳偏析的影響Fig.2 Effect of (a) single- roll soft reduction and (b) multi- roll soft reduction on carbon segregation

2.2 單輥模式壓下量對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響

在輕壓下工藝中，壓下量是重要的工藝參數(shù)，不同的壓下量對(duì)鑄坯成分的偏析影響也不同[6- 8]。通過(guò)上述試驗(yàn)可以確定，采用5號(hào)輥壓下能夠改善鑄坯質(zhì)量，因此針對(duì)5號(hào)輥考察了不同壓下量對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單輥壓下量對(duì)碳偏析的影響Fig.3 Effect of single- roll soft reduction on carbon segregation

從圖3可以看出，當(dāng)壓下量從6 mm增加到20 mm后，鑄坯中心碳偏析度從1.15降低至1.04。雖然壓下量的增加對(duì)鑄坯中心碳偏析有良好的抑制作用，但觀察鑄坯的低倍組織發(fā)現(xiàn)，在壓下量為15和20 mm的試樣中， 沿著拉坯方向在鑄坯的中心附近出現(xiàn)了壓下裂紋。這主要是由于在進(jìn)行壓下時(shí)，壓下應(yīng)變會(huì)逐漸向鑄坯的中心滲透，當(dāng)滲透到固液兩相區(qū)后，壓下應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)作用在鑄坯凝固前沿。隨著壓下量的加大，伴隨著應(yīng)變的積累，應(yīng)力也不斷積累，當(dāng)應(yīng)力積累到大于凝固前沿的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)裂紋。

2.3 多輥模式壓下量對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響

通過(guò)上述試驗(yàn)可知，單輥壓下量的增加可以有效降低鑄坯中心的碳偏析，但壓下量較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓下裂紋。為了防止鑄坯出現(xiàn)壓下裂紋，根據(jù)單輥壓下效果，進(jìn)行了多輥壓下試驗(yàn)。試驗(yàn)一：5號(hào)輥壓下量10 mm，6號(hào)輥壓下量5 mm；試驗(yàn)二：4號(hào)輥壓下量5 mm，5號(hào)輥壓下量10 mm，6號(hào)輥壓下量5 mm；試驗(yàn)三：4號(hào)輥壓下量10 mm，5號(hào)輥壓下量10 mm，6號(hào)輥壓下量5 mm。三組試驗(yàn)中分別抽取5塊試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)一和二的試樣均出現(xiàn)了壓下裂紋，試驗(yàn)三的一塊試樣有輕微壓下裂紋，并對(duì)鑄坯碳偏析情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 多輥壓下對(duì)碳偏析的影響Fig.4 Effect of multi- roll soft reduction on carbon segregation

從圖4(a)可以看出，總壓下量20與25 mm對(duì)鑄坯中心碳偏析的影響幾乎一致，偏析度都可以控制在1.04以內(nèi)。但對(duì)于總壓下量達(dá)到25 mm的試驗(yàn)三來(lái)說(shuō)，過(guò)大的壓下量導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部易出現(xiàn)壓下裂紋，惡化了鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。從單輥試驗(yàn)來(lái)看，在5號(hào)輥施加15 mm的壓下量就容易導(dǎo)致壓下裂紋的出現(xiàn)。在試驗(yàn)三中，雖然5號(hào)輥的壓下量達(dá)到了10 mm，但由于相鄰4號(hào)輥先施加了10 mm的壓下量，使得壓下應(yīng)力積累量超出了鑄坯的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致壓下裂紋的出現(xiàn)。因此，選用試驗(yàn)二的方案比較理想。從圖4(b)可以看出，在縱向鑄坯中心的碳偏析度控制可穩(wěn)定在1.04左右，同時(shí)保證鑄坯內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)壓下裂紋。

2.4 拉速對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響

為了分析不同拉速輕壓下工藝對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的影響，選取5號(hào)輥在相同二冷和壓下量、不同拉速(1.3和1.5 m/min)條件下進(jìn)行單輥壓下試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，拉速在1.3 m/min時(shí)，連鑄坯碳偏析范圍是0.96～1.07。當(dāng)拉速升高到1.5 m/min時(shí)，碳偏析范圍變?yōu)?.95～1.13，偏析明顯加重。這主要是因?yàn)槔僭黾訒r(shí)，在二冷條件不變的情況下，鑄坯液相穴延長(zhǎng)，固相率fs相應(yīng)減小。因此對(duì)于SWRH72B盤條鋼，適當(dāng)降低拉速，有利于輕壓下在合適的固相率范圍內(nèi)實(shí)施，促進(jìn)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量提高。在原有二冷條件不變的情況下，提高拉速會(huì)使最佳的固相率區(qū)間偏離壓下輥，導(dǎo)致難以提升甚至惡化鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)引起重視。

圖5 拉速對(duì)碳偏析的影響Fig.5 Effect of drawing speed on carbon segregation

2.5 二冷強(qiáng)度對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響

在1.3 m/min拉速下，對(duì)鑄坯實(shí)施弱冷(比水量0.65 L/kg)和超弱冷(比水量0.4 L/kg)。同樣采用5號(hào)輥壓下10 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 二冷強(qiáng)度對(duì)碳偏析的影響Fig.6 Effect of the secondary cooling intensity on carbon segregation

從圖6可知，在1.3 m/min拉速條件下，弱冷鑄坯的中心碳偏析嚴(yán)重，偏析度達(dá)到了1.14。超弱冷鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量較好，中心碳偏析度可控制在1.07。為了進(jìn)一步分析冷卻強(qiáng)度對(duì)鑄坯凝固組織的影響，計(jì)算了兩者試樣的等軸晶率(采用硫印后面積比的計(jì)算方法)，可得弱冷條件的等軸晶率為18%，超弱冷的等軸晶率為26%。相對(duì)于超弱冷，弱冷的冷卻強(qiáng)度要強(qiáng)，一方面會(huì)導(dǎo)致鑄坯的柱狀晶發(fā)達(dá)，高碳鋼尤為突出，不利于對(duì)中心偏析的控制；另一方面會(huì)使凝固末端前移，導(dǎo)致最佳的固液兩相區(qū)所對(duì)應(yīng)的固相率fs偏離5號(hào)輥壓下區(qū)。這兩方面綜合作用導(dǎo)致在單輥壓下時(shí)，弱冷鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量要較超弱冷的差。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于SWRH72B盤條鋼的固相率fs為0.45～0.63時(shí)，施加單輥輕壓下能夠減輕連鑄坯的中心碳偏析；當(dāng)固相率fs大于0.82時(shí)，縮孔已經(jīng)形成，此時(shí)進(jìn)行壓下已無(wú)法消除縮孔和中心碳偏析；在施加10 mm的總壓下量時(shí)，單輥壓下與多輥壓下分別能夠?qū)㈣T坯的中心碳偏析控制在1.07～1.35和1.12～1.33范圍內(nèi)。

(2)單輥壓下時(shí)，在壓下量大于15 mm時(shí)鑄坯容易出現(xiàn)壓下裂紋；在4號(hào)輥壓下量5 mm，5號(hào)輥壓下量10 mm，6號(hào)輥壓下量5 mm的多輥壓下，可防止壓下裂紋的出現(xiàn)，同時(shí)能將鑄坯的中心碳偏析平均值穩(wěn)定控制在1.04。

(3)在二冷條件不變的情況下，提高拉速會(huì)使最佳的固相率區(qū)間偏離壓下輥，難以提升鑄坯內(nèi)部質(zhì)量；在拉速相同情況下，超弱冷(比水量0.4 L/kg)較弱冷(比水量0.65 L/kg)更有利于控制中心碳偏析。

[1] 劉曉紅．寶鋼集團(tuán)一鋼公司不銹鋼連鑄工藝特點(diǎn)[J]．上海金屬，2003，25(6)：22- 24．

[2] 馬長(zhǎng)文，沈厚發(fā)，黃天佑．連鑄輕壓下技術(shù)的機(jī)理比較[J]．上海金屬，2003，25(6)：1- 5．

[3] 廖永松．輕壓下技術(shù)在高碳鋼方坯連鑄中的應(yīng)用[J]．煉鋼，2002，18 (5)：35- 39．

[4] 王光進(jìn)，劉宗毅，洪軍.靜態(tài)輕壓下技術(shù)在高碳連鑄方坯生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．鋼鐵研究，2006，34(4)：36- 39．

[5] 沈建國(guó)，王迎春．大方坯連鑄內(nèi)部缺陷與輕壓下工藝研究[J]．鑄造技術(shù)，2012，33(3)：335- 338．

[6] 張冰成，金美余，李志剛，等．連鑄生產(chǎn)高碳鋼方坯輕壓下技術(shù)應(yīng)用參數(shù)的選取[J]．特種鑄造及有色合金，2014，34(1)：32- 33．

[7] 戴欣．動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)對(duì)大方坯連鑄工藝性能的影響[J]．鑄造技術(shù)，2015，36(6)：559- 562．

[8] 劉偉，吳巍，劉瀏，等．靜態(tài)輕壓下技術(shù)在GCr15軸承鋼連鑄生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．特殊鋼，2009，30(1)：44- 45．

收修改稿日期：2017- 05- 09

EffectofSoftReductiononInnerQualityofHighCarbonSteelBillets

Li Dejun Liao Xiangwei Yu Fuzhi Xu Mengchun Li Xiaowei Liu Xiang

(1. State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application,Anshan Liaoning 114009, China; 2. Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation, Anshan Liaoning 114009, China)

In order to study the effect of soft reduction on inner quality of high carbon steel billets, the SWRH72B high carbon steel billet was taken as the reserach object to carried out the soft reduction commercial test. The results showed that light reduction could not eliminate shrinkage and central carbon segregation when solid fractionfswas greater than 0.82. It was more conducive to an improvement in slab internal quality during multi- roll soft reduction compared to single- roll soft reduction, multi- roll soft reduction could prevent the occurrence of a downward crack with selecting roll No.4 reduction 5 mm or No.5 reduction 10 mm or No.6 reduction 5 mm, and control the average of central carbon segregation to 1.04. The weaker intensity of secondary cooling (water flow rate 0.40 L/kg) could be better to control central carbon segregation than the weak intensity of secondary cooling (water flow rate 0.65 L/kg).

high carbon steel，billet，carbon segregation，single- roll soft reduction， multi- roll soft reduction

李德軍，男，博士，主要從事鑄坯質(zhì)量控制相關(guān)研究，Email: 344305353@qq.com