消除連鑄板坯中心偏析與中心疏松的研究

宋世雄,任晨輝,查顯文

(中冶東方工程技術有限公司，山東 青島 266555)

消除連鑄板坯中心偏析與中心疏松的研究

宋世雄,任晨輝,查顯文

(中冶東方工程技術有限公司，山東 青島 266555)

提高連鑄板坯芯部質量，消除中心偏析與中心疏松，是生產高品質中厚板及特厚板材的重要技術措施。本文提出的液芯大壓下量軋制工藝，使連鑄坯凝固末端形成人為的結晶核心，有效消除中心偏析和中心疏松。

液芯大壓下; 連鑄板坯; 中心偏析; 中心疏松

0 前言

隨著近年來國內市場，特別是軍工、航天、海洋等領域對鋼材品種和質量要求越來越高，通過工藝創新、技術創新、產品創新來滿足市場急需的高品質中厚板及特厚板材要求，成為我國冶金領域工作者重點研究方向。

對于高品質板材的生產，連鑄環節起著承上啟下的作用，提高連鑄板坯的質量，尤其是提高連鑄板坯芯部質量顯得尤為重要。為了提高連鑄板坯芯部質量，改善中心偏析與中心疏松，冶金工作者采取了一系列技術措施，如：鋼水真空精煉、低過熱度澆注、低溫度梯度、電磁攪拌(EMS)、動態冷卻控制、輕壓下(MSR)等。但是，即使采用了一種或多種技術措施控制，要將連鑄板坯的中心偏析控制在質量要求的最低限度仍然十分困難[1]。

1 中心偏析與中心疏松的成因及常規控制技術措施

1.1 中心偏析與中心疏松的成因

連鑄坯橫斷面中心區域的C、S、P、Mn等元素含量高于連鑄坯邊緣的現象稱為中心偏析。在連鑄坯凝固末期，橫斷面中心區域樹枝晶間產生的微小空隙稱為中心疏松。通常情況下，中心偏析與中心疏松相伴而生，形成后指向凝固末端，通常歸類于半宏觀偏析或者孔隙度問題。

研究表明，中心偏析與中心疏松的成因有以下幾種理論[1-3]：

(1)“小鋼錠”理論。“小鋼錠”理論，即為“凝固晶橋”理論：在連鑄坯的凝固過程中，由于連鑄坯傳熱的不穩定和冷卻速度的差異，柱狀晶的生長速度是不穩定的。某些柱狀晶會快速生長，并在連鑄坯中心部位相遇形成“晶橋”，液相穴下部鋼液繼續凝固收縮時，上部鋼液無法向下部中空區補縮而形成疏松或縮孔，并伴隨有中心偏析。

(2)連鑄坯芯部空穴抽吸理論。芯部空穴抽吸理論，即為“鼓肚理論”：連鑄坯在凝固末期由于凝固收縮的作用會產生一定空穴，這些空穴具有負壓抽吸作用，吸聚了靠近中心兩邊柱狀晶間富集溶質元素的鋼液，導致中心偏析。鼓肚量越大，空穴率越高，連鑄坯中心偏析程度越嚴重。

(3)溶質元素析出與富集理論。由于連鑄坯凝固過程中的選分結晶，中心位置后凝固，溶質元素(如C、S、P、Mn等)在凝固前沿平衡移動，發生溶質再分配，最后富集到連鑄坯中心或凝固末端區域，形成中心偏析和中心疏松。

1.2 常規控制中心偏析和中心疏松的技術措施

基于上述成因，目前常規控制中心偏析和中心疏松的技術措施可分為三類[4-7]

(1)純凈鋼冶煉或改變夾雜物分布形態，降低鋼液中有害元素含量，但由于鋼種中元素含量的要求及冶煉技術的限制，有害元素含量降低率有限；

(2)使用小輥徑分節輥、凝固末端輕壓下技術及強冷技術等，降低連鑄坯鼓肚率，減少吸收富集偏析溶質的鋼液，但設備加工精度及技術控制要求高；

(3)低過熱度澆鑄、使用電磁攪拌技術，提高液相穴等軸晶率，但低過熱度澆鑄不利于夾雜物上浮，使用電磁攪拌技術設備投資維護費用高，位置準確率低。

常規技術手段可有限度的減少中心偏析和中心疏松，相對較好的是輕壓下技術，在國內外已被廣泛的應用。本文提出的液芯大壓下量軋制工藝[8]，采用大輥徑軋機對連鑄板坯進行液芯大壓下量軋制，可有效的消除中心偏析和中心疏松。

2 液芯大壓下量軋制工藝

2.1 工藝原理

連鑄坯帶液芯部軋制靠液芯部分溶質富集區鋼液的反復擠出，破碎初生的樹枝狀晶，使其形成人為的結晶核心，從而加速其凝固，擴大等軸晶區，縮小柱狀晶區使偏析顯著降低[9]。同時帶液芯軋制還有利于疏松、縮孔、內裂在高溫、高壓條件下的焊合，因而有效地提高連鑄坯的內部質量，顯著提高連鑄坯的力學性能。

2.2 軋制工藝及設備

液芯大壓下量軋制工藝是在板坯連鑄機特定位置設置一架大輥徑的二輥軋機，對連鑄坯進行單道次大壓下量液芯軋制，單道次壓下率可達40%。液芯大壓下量軋機采用全液壓動態壓下調整輥縫，可按后續工藝要求將同一厚度規格連鑄坯直接軋成不同厚度規格的連鑄坯產品，實現連鑄坯厚度在線可調可控，減少更換結晶器時間，提高工作效率。該技術的核心是對連鑄坯實施液芯大壓下軋制，使得鑄坯中心金屬產生預期流動，從而改變連鑄坯內在的晶相與成分品質，消除鑄坯的內部缺陷，進而生產無缺陷連鑄坯[10-13]。液芯大壓下量軋制工藝輥列布置圖如圖1所示。

圖1 液芯大壓下量軋制工藝輥列布置圖

3 液芯大壓下量軋制試驗及結果

3.1 軋制試驗條件

連鑄坯未壓下斷面尺寸：250 mm×1600 mm。

鋼種：Q345B，化學成分要求見表1。

3.2 軋制試驗過程

選擇某個澆次的最后1～2爐進行液芯大壓下量軋制試驗，通過調節連鑄機拉速和二次冷卻段的冷卻參數來調整連鑄坯的凝固速度，以保證液芯大壓下量軋機處的連鑄坯有工藝要求的液芯長度和溫度場。圖2為軋制試驗過程，圖3為軋制后連鑄坯形貌。

表1 鋼種化學成分要求表

圖2 液芯大壓下量軋制試驗過程

圖3 液芯大壓下量軋制后連鑄坯形貌

3.3 軋制試驗結果

根據國家標準《GB 226-91 鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對連鑄坯進行取樣，并采用熱酸侵蝕法對試樣進行侵蝕，并依據黑色冶金行業標準《YB/T 4003-1997 連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級圖》對試樣進行評級。低倍試樣組織照片見圖4，評級結果見表2。

圖4 液芯大壓下量軋制前后連鑄坯低倍試樣組織照片

試樣號試樣形貌中心偏析中心疏松ZY1410001-01-M軋制前C2.5A1.5ZY1410064-01-M軋制前C2.5A2.0ZY1410003-09-E軋制后C0.5A0.5ZY1410003-08-1/2軋制后C0.5A0.5ZY1410003-04-B軋制后C0.5A0.5

3.4 軋制試驗分析

通過大量的液芯大壓下量軋制試驗，結果表明連鑄坯低倍組織在各工藝條件下呈現的規律基本一致，經過軋制后的連鑄坯中心偏析均優于C類0.5級，中心疏松優于0.5級。由此可見，液芯大壓下量軋制工藝使得連鑄坯凝固末端鋼液被擠出，形成了人為的結晶核心，加速了連鑄坯的凝固，從而顯著消除了厚板坯普遍存在的中心偏析和中心疏松。

4 結論

(1)液芯大壓下量軋制試驗表明，該工藝可顯著消除了厚板坯普遍存在的中心偏析和中心疏松；

(2)液芯大壓下量軋機位置固定，需通過調節連鑄機拉速和冷卻參數保證連鑄坯有工藝要求的液芯長度和溫度場；

(3)液芯大壓下量軋制與輕壓下技術相結合，可生產高附加值中厚板坯及特厚板坯。

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Study on eliminating central segregation and central porosityof continuous casting slab

SONG Shi-xiong, REN Chen-hui, ZHA Xian-wen

(BERIS Engineering and Research Corporation, Qingdao 266555, China)

There are two important technical measures for producing high-quality medium plates and heavy plates, which are improving the quality of continuous casting slab core and eliminating the central segregation and central porosity. This paper proposed a liquid-core heavy reduction rolling process, it makes factitious crystallization nuclei to be formed at the final solidifying end of continuous casting slab, and central segregation and central porosity effectively are eliminated.

liquid-core heavy reduction; continuous casting slab; central segregation; central porosity

2016-11-15；

2016-12-12

宋世雄(1984-)，男，中冶東方工程技術有限公司工程師，主要從事板坯液芯大壓下軋制技術研究及煉鋼、不銹鋼專業設計、工程管理。

TF777

A

1001-196X(2017)02-0037-04