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高碳钢连铸方坯质量控制
高碳钢连铸方坯质量控制
蔡开科
1.前言
高碳钢制品入钢轨,硬线,钢丝等广泛应用于国民经济各个部门。
对高碳钢制品要求是:
抗拉强度高,可承载较重的震动载荷
承载能力大,使用安全可靠
在高速条件下工作,运转平稳
有良好的抗压性,耐磨性,耐腐蚀性等
目前高碳钢生产有两件工艺:
BOF(EAF)-LF(VD)-bloom大方坯
BOF(EAF)-LF-Billet小方坯
不管那种工艺,为获得高质量的产品,必须得到高质量的连铸坯。
(1)高的洁净度,非金属夹杂物类型,数量,尺寸分布如表1
表1洁净度要求
硬线钢由于夹杂易造成的冷拔断裂如图1
图1夹杂物所致冷拔断裂
重轨钢,滚珠钢由于脆性夹杂产生疲劳裂纹而断裂
(2)铸坯良好的低倍结构
主要是指中心缺陷(锻孔,疏松,中心偏析)。
硬线钢的杯锥状断裂(图2)是由中心偏析所致
图2杯锥状断口
硬线钢劈裂状断口(图3)主要是由中心疏松缩孔引起的。
图3劈裂状断口
重轨钢由于中心偏析(C.S)而产生轨腰的断裂(图4)
图4钢轨形貌
2.铸坯中夹杂物控制
当钢水凝固成固体后,铸坯中夹杂物数量就无法改变了。
因此铸坯中夹杂物决定于炼钢-精炼-连铸的全过程。
炼钢是一个氧化过程,钢中夹杂物可用总氧T[O]来评价:
T[O]=[O]D+[O]I
出钢时:
钢水中[O]I→OT[O]=[O]D=a[O]
脱氧合金化后:
[O]D(a[O])→OT[O]=[O]I
由此,可用总氧T[O]来表示钢的洁净度,也就是夹杂物水平。
为使钢中夹杂物少,必须控制钢T[O],为此
(1)降低[O]D,转炉终点a[O]
(2)降低[O]I,脱氧(夹杂物工程),精炼
(3)防止钢水再污染:
连铸过程
2.1转炉终点氧控制
转炉终点a[O]是产生夹杂物的源头。
重点a[O]决定于:
[C]
终渣中(FeO)
钢水温度
图5转炉终点钢中[C]与a[O]关系
对于中高碳钢转炉终点控制方法:
低拉碳增碳法
高拉碳补吹法
两种方法结果比较于表2
表2低拉碳与高拉碳结果比较
由表可知
高拉碳法特点:
增C量小,成品C波动小
终点a[O]低
对铁水S,P要求研
低拉碳法特点:
对铁水S,P要求可放宽些
有利于脱S,P
终点a[O]高
增C量大,碳粉收得率不稳,成品C波动在±0.05%以上
两种方法各有优缺点,各厂根据具体条件决定采用哪种方法。
2.2脱氧与夹杂物生成
转炉吹炼到终止,钢中a[O]高,出钢是在钢包进行脱氧合金化,其目的:
合金化达到钢种所要求的成分
夹杂物工程:
控制夹杂物的组成,形态和尺寸,促进其上浮
连铸时基本为镇静钢,根据钢种和产品质量要求,脱氧可分为三种模式:
硅镇静钢(Si+Mn)
硅铝镇静钢(Si+Mn+少量Al)
铝镇静钢([Al]s>0.01%)
硅镇静钢
如图6所示,形成夹杂物
图6FeO-MnO-SiO2相图
纯SiO2
MnO,SiO2(液体)
MnO,FeO(固溶体)
用Si+Mn脱氧的好处:
无Al2O3夹杂,可防拉拔脆断
控制Mn/Si→2.5,生成MnO,SiO2(MnO54.1%,SiO245.9%)为上浮
但缺点是:
钢水中与Si相平衡a[O]较高,40-80ppm
在结晶加凝固铸坯易产生皮下气孔。
为此对于高C硬线钢,在LF炉控制白渣精炼时间,把钢水中a[O]降到20ppm以下,就可防止气孔生成。
硅铝镇静钢(Si+Mn+少量Al)
如图7所示,生成夹杂物:
2MnO.2Al2O3.5SiO2
3MnO.Al2O3.3SiO2
纯Al2O3(Al2O3>25%)
图7MnO-SiO2-Al2O3相图
要把夹杂物成分控制相图中锰铝榴石
阴影区(3MnO.Al2O3.3SiO2)的好处:
夹杂物熔点低1400℃球形
热轧时可塑性好(800-1300℃)
无单独Al2O3析出,不堵水口
不生成气孔
如何达到呢?
如图8所示:
Si=0.2%,Mn=0.4%,钢中[Al]s≤0.005%,则钢中a[O]<20ppm,夹杂物成分在相图阴影区。
对于高碳硬线钢,用Si+Mn加少量铝脱氧来得到易变形的锰铝榴石而防止脆性Al2O3夹杂物析出对防止拉拔脆断是非常重要的。
图8钢水中[Al]与[O]关系
以72A为例,两种脱氧工艺比较如表3
表3脱氧结果比较(平均值)
脱氧方式
MI(1/mm2)
MA(mg/10kg)
T[O](ppm)
[Al]s(%)
Si+Mn
Si+Mn+Al
14.46
3.12
12.71
4.48
65
37.7
<0.002
0.005~0.008
注:
MI-显微夹杂MA-大型夹杂
用Si+Mn脱氧,钢中[O]高,夹杂物多,拉拔到
2.0mm钢丝经常发生断裂。
用Si+Mn+少量Al脱氧后,由于钢中夹杂物减少了,冷拔到
2.2mm钢丝无断丝现象。
铝镇静钢(过剩铝脱氧)
Al-K钢可分为:
细晶粒钢:
[Al]s=0.01~0.02%
低碳深冲钢:
[Al]s=0.02~0.05%
要解决的问题:
(1)加铝方法:
加铝达到目标值,铝回收率高
一步法
两步法
(2)Al2O3有害作用(堵水口,表面缺陷)
为此,钢包喂Cu处理,如图9所示
图9CuO-Al2O3-SiO2相图
轻钙处理
钢中[Al]s较低,轻钙处理生成夹杂物为:
钙长石CuO.Al2O3.2SiO2
钙黄长石2CuO.Al2O3.SiO2
夹杂物熔点低(1200-1400℃),易上浮,可浇性好,不堵水口,热轧时夹杂物易变形。
重钙处理
CuO-Al2O3可以生成CA6,CA2,CA,C12A7,C3A。
最好能生成12CuO.7Al2O3,在钢水成液态,易上浮,不堵水口。
钙处理后,Al2O3转化为CuO.Al2O3的评价指标:
Cu/Al%>0.14
Cu/T[O]=0.7-1.2
2.3夹杂物去除-炉外精炼
T[O]=[O]D+[O]I
要降低[O]I,必须使夹杂物上浮:
控制好脱氧产物的组成
钢包合适的顶渣成分
熔池的搅拌能力(吹Ar,LF,VD,RH)
以Si+Mn镇静钢为例:
钢成分:
C0.7%,Si0.22%,Mn0.53%,P0.010%,S0.028%。
在LF炉,采用不同碱度精炼渣的结果:
R(CuO/SiO2)
3.36
0.82
1.0
0.94
0.87
1.13
0.72
0.96
T[O]ppm
14
25
31
26
19
27
35
25
采用较低碱度钢包渣(R=1.0左右),加上Ar搅拌,促进夹杂物上浮,可使钢水中T[O]<30ppm,除总氧T[O]低以外,还必须使夹杂物具有良好的塑性,为此要:
夹杂物成分:
=0.15-0.30
Mn/Si≥2.5
夹杂物尺寸<10um
2.4连铸过程-防止钢水再污染
经精炼后,钢水T[O]<30ppm,钢水很“干净”。
连铸成分:
防止钢水再污染
进一步净化钢液
防止钢水再污染技术措施:
(1)防止二次氧化
保护浇注
碱性包衬
碱性覆盖剂
中间包密封充Ar
(2)防止浇注过程下渣
出钢挡渣
钢包下渣检测
中间包下渣(恒重操作)
(3)防止卷渣
结晶加液面控制
结晶加流动的稳定性
SEN合理设计
合适的保护渣
(4)提高非稳态浇注的操作水平
连铸过程重促进夹杂物进一步上浮措施:
中间包冶金技术
结晶加电磁搅拌(M-EMSEMBr)
3.连铸坯中心缺陷控制
3.1中心缺陷概念
如图1所示:
中心疏松
中心缩孔
中心偏析
图1铸坯低倍形貌
铸坯纵横断面C,S分布如图2
图2铸坯横断面C,S分布
中心偏析与疏松,缩孔共生的。
中心偏析对产品质量的危害:
使横向性能,冲击人性变坏(硫化物夹杂)
管线钢氢致裂纹(HIC)
高碳硬线拉拔脆断(碳化物,马氏体)
钢轨“S”断裂
3.2影响偏析因素
偏析:
铸坯中化学元素分布不均匀性。
微观偏析(树枝晶偏析)
宏观偏析(低倍偏析)
(1)冷却速度
:
二次枝晶间距,
:
区域凝固时间,
:
冷却速度。
图3与关系
图4与关系
(2)溶质元素偏析倾向
以平衡分配系数K来评价
K=1无偏析
K>1正偏析
K<1负偏析
常见元素的K值:
元素
C
Si
Mn
Cr
P
S
O
K
0.13
0.66
0.84
0.95
0.13
0.02
0.02
1-K
0.87
0.34
0.16
0.05
0.87
0.98
0.98
1-K值越大,说明元素偏析越严重。
凝固过程溶质偏析模型:
Scheil方程:
Fleming方程:
:
凝固前沿液相浓度
:
凝固分率
:
平衡分配系数
:
元素扩散系数
:
TL-TS凝固时间
:
二次枝晶间距
计算凝固过程溶质偏析如图5
图5溶质元素偏析
(3)元素在固相中的扩散系数D
元素的D值与温度有关(图6)
元素的D值越大则偏析倾向就小。
图6元素D与温度关系
(4)凝固过程中液体流动
液相穴流动模式如图7
图7液相穴流动模式
凝固过程偏析的演变如图8
图8中心偏析的演变
3.3铸坯中心偏析形成机理
凝固桥理论(mini-ingot)
图9mini-ingot示意图
液相穴流动理论
图10中心偏析形成示意图
鼓肚理论
图11鼓肚示意图
图12鼓肚对偏析影响
凝固收缩理论
图13凝固收缩流动示意图
3.4铸坯中心偏析防止措施
(1)工艺参数优化
钢水过热度、拉速、比水量对中心偏析影响如图14
图14中心偏析与工艺参数关系
铸坯中心偏析(疏松)的关键是控制柱状晶与共轴晶比例。
其控制方法:
传统工艺
抑止柱状晶生长,扩大中心等轴晶区,采用“三低”工艺路线:
低过热度,低拉速,低比水量。
新工艺
促进柱状晶生长,使铸坯完全形成柱状晶结构。
采用“三高”工艺路线:
高过热度,高比水量,高拉速。
TN公司:
105×105mm,R=6m,c=0.55~0.85%,二冷
比传统高2.5倍。
方坯基本为柱状晶中心30mm区域基本致密,轧制
12mm线材物马氏体存在。
P.W公司:
结晶器采用抛物线锥度,二冷采用高压水强度(
=3l/kg,压力15~20bar),150×150mm,拉速2.2~2.4m/min,最高达2.8~3.0m/min,方坯线材晶界无渗碳体存在。
(2)电磁搅拌(EMS)
用EMS来改善铸坯内部质量是人们所共知的。
对小方坯和大方坯主要是:
M-EMS+F-EMS。
M-EMS的作用如图15
图15M-EMS作用示意图
M-EMS作用:
冲洗凝固前沿,防止皮下夹杂
加速过热消失,可提高拉速
减少皮下气孔:
无:
>20个/m2,有0.2个/m2
夹杂物上浮,提高洁净度
增加中心等轴晶
M-EMS安装位置:
SEN+保护渣,弯月面区一下150mm
卷渣指数
SEN侵蚀
无EMS
150A
200A
7
17
35
1.0mm/h
1.0mm/h
5.0mm/h
安装在结晶器下部和足辊区域
大方坯中心等轴晶在55%以上,碳中心偏析<1.15。
S-EMS
防止凝固桥,减轻中心疏松
打碎树枝晶,增加中心等轴晶
确定白壳带
安装位置:
凝固壳厚度为铸坯厚度1/4处。
120×120mm液芯厚度40mm
140×140mm液芯厚度45mm
160×160mm液芯厚度60-65mm
=0.35~0.55
F-EMS
分散凝固末端溶质元素的聚集,减轻中心偏析
减轻中心等轴晶滑移引起的半宏观偏析(V型)
用F-EMS得到良好效果的条件:
大功率搅拌糊状区
必须有较宽中心等轴晶区(与M-EMS合用)
拉速要恒定
液相穴末端位置要准确
F-EMS安装位置:
=0.7~0.8
中心区液相为40~50%
液芯直径>40mm
EMS对铸坯等轴晶率影响如图16
图16EMS对等轴晶影响
EMS对中心碳偏析影响如图17
图17EMS对方坯中心碳偏析影响
EMS的冶金效果与搅拌的功率关系如图18
图18搅拌功率与冶金效果关系
S曲线:
Ⅰ区功率太低,效果不大
Ⅱ区功率增加,效果增加
Ⅲ区功率达到某一临界值,效果稳定
有试验来决定这一关系
3.3凝固末端轻压下
(1)轻压下目的:
补偿凝固收缩,减轻中心偏析和半宏观偏析
固/液界面不会产生内裂纹
为此,必须确定:
合适压力位置(图1)
合适压下量和压下量分配(图2)
图1凝固分率示意图
图2轻压下示意图
(2)轻压下模型
要建立两个基本模型:
凝固模型→H:
液相长度→确定fs范围→轻压下位置(图3)
S:
凝固壳厚度
Ts:
坯壳表面温度
图3凝固示意图
坯壳应变模型→压下坯壳应变量
→固/液界面不产生裂纹
。
两个模型耦合→压下量、压下位置。
方坯铸机轻压下主要参数如表1,表2,表3
表1轻压下主要参数
表2轻压下主要参数
表3轻压下主要参数
从上表可知:
轻压下区长度:
液相穴末端4~6m,压下机架3~7架,相当于fs=0.3-0.8。
挡压下量在0-12mm,压下量1-1.2mm/m,压下速率0.7-0.9mm/min
轻压下区域较长,根据拉速变化可以调整轻压下位置。
开发动态轻压下工艺。
(3)轻压下效果
轻压下好处:
清除了方坯中心偏析(图4)
减轻方坯中心偏析,消除了半宏观偏析,成分分布更均匀(图5)
图4中心疏松改善
图5方坯纵断面中心偏析
降低浇注参数变化而引起品质下降
4结语
提高钢的洁净度,控制脱氧获得可塑性夹杂物,和获得中高碳钢制造长条产品优良性能的主要因素。
炉外精炼是把钢水中夹杂物消灭进入结晶器之前的关键操作,而连铸过程防止钢水再污,是获得“干净”连铸坯的基本保证。
钢水过热度、拉速、二冷比水量的优化是获得中心致密铸坯的前提条件。
电磁搅拌和轻压下技术是改善铸坯内部质量,生产高品质产品的重要技术支撑。
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- 高碳钢 连铸方坯 质量 控制