高錳鋼輕壓下工藝的試驗研究

張 奇，吳時恒

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.上海世界外國語中學，上海 200233)

0 前言

連鑄坯在凝固過程中容易形成中心偏析和中心疏松等缺陷，將引起鋼材的一系列問題，如鋼材的延展性能、焊接性能以及抗氫致裂紋等。隨著用戶對連鑄坯質量要求的日益提高，中心偏析和中心疏松已經成為生產高端產品的一個重要制約因素。動態輕壓下是當前國際上正在大力發展的連鑄新技術，其在改善甚至消除連鑄坯的中心偏析和中心疏松，提高鑄坯內部質量具有十分顯著的效果。為了充分發揮連鑄機動態輕壓下技術在提高高錳鋼鑄坯內部質量方面的作用，對其輕壓下工藝參數進行試驗研究有著極其重要的作用。

1 中心偏析形成機理和輕壓下原理

在連鑄坯的凝固過程中，由于凝固過程選分結晶(即高熔點成分先結晶，低熔點成份后結晶)的作用，使樹枝晶間的鋼液富集了溶質元素。與此同時，鑄坯鼓肚和凝固收縮等造成的內部空穴抽吸力，以及輥子的不對中和輥子變形形成的周期性強弱擠壓等造成了枝晶間殘余液相的流動，這些流動都會引起凝固前沿和枝晶間富集溶質元素的鋼液不斷向連鑄坯中心附近流動并凝固，從而形成了鑄坯溶質含量中心高、周圍低的分布狀態，即形成嚴重的宏觀偏析。

綜上所述,改善中心偏析的最佳方法就是減弱因各種因素導致的凝固末期的鑄坯內液相的流動，阻止枝晶間殘余高溶質元素鋼液的流出。

輕壓下原理就是通過在連鑄坯凝固末端附近施加適當壓下力，從而產生一定的壓下量來消除凝固收縮產生的空隙，防止枝晶間富集溶質元素的鋼液沿連鑄坯厚度方向向中心流動，同時，所產生的擠壓作用還可以促進液芯中富集溶質元素的鋼液沿拉坯方向反向流動，使溶質元素在鋼液中重新分配，起到改善中心偏析的作用。

2 工業試驗條件和方法

連鑄坯凝固末端枝晶結構如圖1所示，根據大量理論研究，輕壓下合理壓下區間大約為鑄坯中心固相率0.3～0.7的位置，該值和鋼的成分、連鑄坯斷面及生產設備有關，一般都是根據具體實驗結果修正而得。

本試驗鋼種高錳鋼，鋼種代號為5546，成分如表1所示，試驗的壓下位置和壓下量等參數如表2所示。根據設定的試驗計劃，在拉速達到試驗條件并穩定30 min，取1塊鑄坯并記錄。待鑄坯冷卻后用火焰切割機在鑄坯頭部切割厚度為20 mm的試樣塊，并用機床對試樣切割面進行機加工，其加工量大于10 mm，然后對試樣的加工面進行酸腐蝕，得到枝晶組織圖，根據檢驗標準對鑄坯凝固組織缺陷進行宏觀檢測。

圖1 連鑄坯凝固末端枝晶結構示意圖

表1 鋼種成分

表2 輕壓下試驗參數

3 輕壓下工藝參數的優化研究

3.1 鑄坯的低倍酸腐蝕檢驗

對表2試驗參數條件生產的鑄坯通過酸腐蝕進行低倍檢驗，結果如表3所示，包括鑄坯的中心偏析等級、中心疏松等級、中心裂紋等級和中間裂紋等級。

表3 鑄坯的低倍試驗結果

3.2 壓下區域對中心偏析的影響

在上述試驗中，試驗1～3拉速均為1.1 m/min、總壓下量為3 mm，但是二者壓下位置不同，1號試驗壓下位置為fs=0.3～0.7區域，2號試樣壓下位置為fs=0.2～0.6區域，3號試樣壓下位置為fs=0.3～0.8區域，三者實際對應扇形段的壓下結果如表2所示。本文對三者的試驗結果進行對比，研究壓下區域對中心偏析等內部質量的影響。

從表3可以得知，在拉速和總壓下量相同的情況下，1號和3號試驗結果明顯比2號試驗結果好。對比表2可以看出，1號和3號主要在扇形段5壓下了2 mm，而2號主要在扇形段4壓下了2 mm，由此可以得出，2號試驗壓下位置靠前即壓下過早，這時由于鑄坯中心液芯厚度偏大，壓下量所產生的擠壓效果沒有使鑄坯中心鋼液中高濃度溶質元素均勻擴散，隨著鑄坯進一步凝固，在鑄坯中心出現中心偏析現象。因此，合適的壓下區域為fs=0.3～0.8，并且主要壓下量在固相率為0.3～0.8的后半區域。

3.3 壓下率分布對中心偏析的影響

在4、5、6號試驗中，拉速均為1.3 m/min，總壓下量為4 mm，但三者壓下率分布不同。由表3可以得出，在拉速、壓下位置和總壓下量均相同的情況下，不同壓下率分布對鑄坯中心偏析影響很大。圖2給出了三者壓下率的分布，由圖2可以看出，4號試驗在壓下區域內，壓下率平均分配，大約為1 mm/m；5號試驗在壓下區域內，壓下率在扇形段5內為1.5 mm/m，進入扇形段6減小為0.5 mm/m；而6號試驗與5號試驗正好相反，壓下率在扇形段5內為0.5 mm/m，進入扇形段6增大為1.5 mm/m。根據試驗結果，按偏析嚴重程度從大到小的排序為：5號>4號>6號。即壓下率先大后小時，出現了相對較嚴重的中心偏析，而壓下率平均分配時，中心偏析較前者有明顯改善；而壓下率先小后大時，中心偏析效果最好。

圖2 壓下率分布

這是因為，在壓下區域內，若壓下率先大后小，即前面扇形段壓下量大于后面相鄰扇形段的壓下量，則會阻礙鋼液中高濃度溶質元素向前流動擴散的通道，使之不能重新溶解，進而在鑄坯中心形成偏析。因此，通過上述試驗分析可以得出，在壓下區域內，最佳的壓下率分布為壓下率先小后大，逐步增加。

3.4 拉速對中心偏析的影響

在1號和7號試驗中，壓下率分布相同，壓下量相同，但是二者拉速不同，前者為1.1 m/min，后者為1.3 m/min。如圖3所示為二者在厚度方向上各位置處的偏析指數。由圖3可見,在輕壓下參數相同的情況下，拉速為1.1 m/min的1號試驗鑄坯的偏析指數均相對較小, 其中心最大正偏析比分別為1.05；而拉速為1.3 m/min的7號試驗鑄坯的偏析指數比較嚴重，其中心最大正偏析比為1.4。由此可見，低拉速有助于降低連鑄板坯中心偏析，可以獲得較好的鑄坯內部質量。這是由于隨著拉速的增大，鑄坯在結晶器內的停留時間變短，不能及時消除鋼液過熱度，導致鑄坯液芯延長，這樣一方面推遲了等軸晶的形核和長大，擴大了柱狀晶區，易發生凝固搭橋現象；另一方面由于坯殼相對較薄，增加鑄坯發生的鼓肚量，促進了枝晶間富集溶質元素的鋼液向中心流動，因此加重了中心偏析。

圖3 偏析指數在厚度方向上的變化

從圖3可以看出6號試驗在中心附近出現了0.93的負偏析，但整體偏析指數均在1附近0.05范圍內波動，中心偏析等級為C0.5。因此，相對1號試驗，盡管拉速提高了0.2 m/min，但由于通過調整壓下率分布和壓下量，完全彌補了由于提高拉速而加重的鑄坯中心偏析，這樣可以在提高拉速的同時也保證鑄坯內部質量。

4 結論

通過對高錳鋼輕壓下工藝的試驗，得出以下結論：

(1)輕壓下最佳的壓下區域為固相率為0.3～0.8，并且該區域的后半部分為主要壓下位置；

(2)在拉速和壓下量一定是，在壓下區域內，壓下率分布要逐步增加，這樣有助于溶質元素的重新溶解，減小中心偏析；

(3)在輕壓下參數為一定時，提高拉速會有所增加中心偏析，但通過合理的壓下率分布和壓下量，仍能保證較好的鑄坯內部質量。