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大圆坯中心偏析成因解析及质量控制

张志宏^1，2，刘军利^2，3，刘伟平²

(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2．承德建龙特殊钢有限公司炼钢厂，河北承德067201；3．德龙控股有限公司，北京100070)

摘 要：承德建龙特殊钢有限公司炼钢厂5机5流大圆坯连铸机同时浇铸Φ300mm和Φ500mm两个断面圆坯时，外置式结晶器电磁搅拌的线圈轴线与小断面圆坯结晶器中心不重合，圆坯断面越小，偏搅对铸坯内部的碳偏析指数影响也越大。在采取稳定拉速、低过热度浇铸、优化电磁搅拌和二冷配水等措施后，碳偏析指数和等轴晶组织得到改善均并符合标准要求。

关 键 词：大圆坯；混浇；中心偏析；结晶器电磁搅拌

承德建龙特殊钢有限公司(以下简称承德建龙)炼钢厂设计年产能100万t的5机5流大圆坯连铸机在2011年1月投产后，为满足订单生产，在不同铸流上同时浇铸Φ300mm和Φ500mm两个断面，低倍检验结果均为0．5级缩孔和0．5级疏松，Φ300mm圆坯中心碳偏析指数超出了设计值(1．12)的要求，造成用户在加工过程易出现质量缺陷。对Φ300mm圆坯中心碳偏析成因进行了分析，同时对中500mm圆坯碳偏析改善效果进行了对比，测试钢种均为20钢。

1  工艺流程

承德建龙炼钢厂工艺流程为：铁水预处理KR脱硫→70t转炉→70tLF→70tVC→5机5流圆坯连铸机(全保护浇铸、结晶器电磁搅拌)。

2  检验方法

在圆坯半径方向1／4、1／2、3／4处用Φ5mm钻头取低倍铸坯屑样，钻孔深度10mm。内弧到外弧方向的取样点编号C01～C06，两个侧弧方向取样点编号C11～C16，取样方法见图1所示，同一钢种每个断面取样不少于10个。碳中心偏析指数为每个圆坯半径方向1／4、1／2、3／4处碳含量的平均值与凝固中心碳含量的比值。

3  电磁搅拌参数

采用外置式Rotelec结晶器电磁搅拌，预留最大断面Φ600mm和预留末端电磁搅拌。结晶器铜管长度为780mm，铜管厚分别为22mm和33mm，材质采用Cu-Ag合金制成。搅拌器线圈高度570mm，外置式安装在结晶器弯月面下100mm，额定电流为：340～550A，频率为1．2～2．5Hz。搅拌器内径为930mm，外径为1340mm，内部均匀分布3对磁极星形连接，外接三相交流电源形成水平旋转磁场。Φ300mm和Φ500mm圆坯的中心与电磁搅拌线圈中心不重合，Φ300mm圆坯中心线与电磁搅拌线圈中心线偏离161mm，而Φ500mm圆大部分在电磁搅拌的中心范围内，偏离仅58mm(见图2)。

4  中心偏析因素分析

4．1  电磁搅拌

钢液中元素的偏析是随着凝固前沿的推移而逐渐产生的，影响偏析大小的主要因素为电磁搅拌参数。搅拌力矩的大小与电磁通量的平方成比例，即与电流强度成比例。Φ300mm圆坯中心与电磁搅拌线圈中心线偏差距离161mm，偏搅集中在线圈外弧侧的半圆区，选择较高电流强度的搅拌力大很容易搅拌过强形成负偏析。20钢平均过热度在30℃时，Φ300mm圆坯电磁搅拌参数为470A／2．5Hz，内弧到外弧方向的碳含量与两侧弧碳含量测量值见图3，样本数12炉，内弧一侧的碳含量明显大于两侧弧，说明内弧侧钢液在电磁搅拌力作用下，产生的线速度较靠近外弧侧的小，而靠近内弧区域成分的浓度差和温度梯度略大于两侧弧。在较高的温度梯度下，钢液开始结晶和发生了结晶的固相成分差别愈大，体积收缩比也越大，偏析也愈严重。偏搅需选择适当的电流强度和频率才能降低内弧与两侧弧的碳偏析的程度^[1-2]。

4．2  拉速与低过热度

影响铸坯低倍组织的主要因素为钢液过热度，而过热度决定凝固前沿的温度梯度。当断面和钢种一定时，低过热度增加了搭桥和形成小钢锭结构的几率。过热度低于30℃时，适当提高拉速，有利于提高浇铸稳定性，减轻因拉速不稳定时圆坯液相穴在凝固时的补缩不充分，从而改善连铸坯中心碳偏析。同时为避免结晶器液面大幅波动造成钢液流动的紊乱，需保证浸入式水口对中和插入深度(125±5)mm。实际生产中，控制过热度在(25±5)℃时，拉速控制在0．85～0．90m／min，低过热度和合适的电磁搅拌参数的配合可明显地降低中心碳偏析指数和改善低倍组织的等轴晶率^[3-4]，如图4所示。

4．3  二冷配水

二冷区分为3个独立调节的回路，足辊段采用喷水冷却，移动段、固定段采用气雾冷却。Φ300mm铸坯采用弱冷方式，比水量在0．37L／kg。二冷强度过大，会造成铸坯凝固末端的温度梯度也过大，促进柱状晶的生长，减少等轴晶比例，加快铸坯中心树枝晶搭桥现象，使中心偏析和疏松严重。二冷强度过弱，会造成凝固壳太薄，铸坯表面温度过高，铸坯在高温度下强度低，在钢液静压力作用下，坯壳不均匀生长造成椭圆度超标。二冷区的均匀冷却需要加强日常水质监测，保证压缩空气和冷却水的压力实现铸坯的均匀冷却。

4．4  设备维护

结晶器振动采用高频小振幅，铜管锥度进行定时检查，安装结晶器确保水缝符合要求，结晶器足辊进行离线对弧和更换断面后二冷区在线对弧，二冷喷嘴做好及时检查和更换，为铸坯的均匀冷却提供保证。

4．5  中心碳偏析控制效果

生产实践中搅拌频率与搅拌电流的确定需要结合电磁搅拌线圈的结构和型号来综合考虑。一般来讲，圆环断面偏搅距离也越小，其等轴晶的比例大于小断面的圆坯。考虑连浇生产组织，钢液过热度控制在30℃，二冷配水量保持不变，采用上述控制措施和参数优化后，经过1个月实践表明，圆坯中心碳偏析得到了明显改善，等轴晶率提高，同时低倍检验结果均为0．5级中心疏松，消除了缩孔，如表1所示。

5  结论

1)在连铸不同规格断面Φ300mm和Φ500mm混浇生产中，偏搅造成小断面Φ300mm铸坯的中心碳偏析控制较难，为实现结晶器液面稳定，要求浸入式水口对中和在结晶器液面插入深度在(125±5)mm。

2)依据电磁搅拌线圈的结构和型号选择相应的电流强度和频率，要综合考虑铸坯的等轴晶率和中心偏析指数。

3)钢水过热度对中心偏析影响大，控制过热度在(25±5)℃，拉速采用小幅度多次调整，做到升降温过程拉速平稳，提高浇铸稳定性，有效地降低了凝固收缩产生的中心偏析。

4)二冷采用弱冷方式，选用适当的比水量，二冷喷嘴不堵塞，保证铸坯均匀冷却，在凝固前沿的温度梯度不过大，减少中心偏析的程度，避免了缩孔的产生。

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