二次冷卻強度對180 mm×180 mm斷面SWRH82B鋼中心碳偏析的影響

唐以寧，楊仁強，徐 雷

（蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽 蕪湖241000）

隨著冶金行業不斷發展，線材的成分、純凈度及組織均勻性控制技術均已得到了長足的進步，其中連鑄機二次冷卻強度能影響高碳鋼碳偏析理論基本達成共識[1]。但因各企業的生產工藝路線及連鑄機的工裝設備不盡相同，冷卻強度工藝對不同斷面連鑄機的適應性較差。國內某鋼廠采用180 mm×180 mm斷面連鑄機生產SWRH82B等高碳鋼，按照傳統連鑄機斷面分類方法，該臺連鑄機斷面尺寸既不屬于小斷面又不屬于大斷面。目前該廠SWRH82B鋼連鑄冷卻強度設計主要考慮了鑄坯的表面質量，但未考慮鑄坯中心碳偏析的控制，隨著產品市場的不斷拓寬，線材中心網碳問題越發突出，鑄坯中心碳偏析嚴重，中心碳偏析指數最高達1.25。基于此，本文結合該廠SWRH82B鋼生產工藝，重點研究不同二次冷卻強度對180 mm×180 mm鑄坯中心碳偏析的影響。

1 實驗材料及分析方法

1.1 實驗材料

選取180 mm×180 mm的SWRH82B鋼鑄坯在其他工藝條件相同的條件下進行冷卻強度工藝試驗，其中SWRH82B鋼的工藝流程為：120 t轉爐—120 t精煉爐—180 mm×180 mm小方坯連鑄機。試驗所取SWRH82B鋼鑄坯的化學成分：w（C）為0.80%，w（Si）為0.22%，w（Mn）為0.83%，w（Cr）為0.22%，w（P）為0.013%，w（S）為0.005%。

1.2 分析方法

本文采用縱截面V型偏析通道上鉆樣取點的方式分析不同冷卻強度對中心碳偏析的影響。

對連鑄坯SWRH82B鋼的澆鑄過程進行跟蹤，鋼液澆注完成后，在長鑄坯上沿拉坯方向截取350 mm的鑄坯樣，沿中心面進行縱切。試樣切去完畢后采用Φ5 mm的合金鉆頭進行鉆孔取樣，每塊試樣共取15點，其中1—10表示通道處10點，01—05為非通道處5點，如圖1所示。并依據公式計算出各點碳偏析指數，其中Ri表示點的碳偏析指數，Ci表示點的碳含量，C0表示連鑄熔煉碳成分。

圖1 碳元素含量的取樣位置

2 試驗結果與分析

2.1 強冷工藝對中心碳偏析影響

2.1.1 強冷工藝方案設計

本文設計強冷工藝思路是采取拉速不變，增大二冷比水量方式增加冷卻強度，拉速不調整的目的主要是考慮到拉速對鑄坯的液芯位置改變較大，如果調整拉速勢必會影響末端電磁攪拌的作用。在實際工藝設計過程還需兼顧管道等工裝件的最大水流量。下頁表1為常規拉速下不同比水量下各冷卻區域噴嘴水流量。

從表1可知，二冷比水量增加到1.9 L/kg實際總水量增量趨勢明顯降低，且各區域的流量基本達到峰值，故二冷比水量最大取值為1.8 L/kg。

表2 不同比水量下各冷卻區域水流量

2.1.2 結果與分析

在相同的工藝參數下，分別試驗了不同比水量（1.0 L/kg、1.2 L/kg、1.5 L/kg、1.8 L/kg）對中心碳偏析的影響。比水量不斷的增大，通道處中心碳偏析指數并未發生明顯的變化。文獻研究[2]指出，V型偏析主要發生在鑄坯中心等軸晶區，隨著等軸晶率的不斷降低，V型偏析區不斷減小，因此對比比水量1.0 L/kg、1.8 L/kg條件下縱剖面V型偏析寬度。兩種工藝條件下V型偏析的寬度均為50 cm，說明兩種工藝條件下等軸晶的比例相同。

為驗證試驗結果的準確性，在相同工藝參數下再次各試驗1爐二冷比水量為0.7 L/kg、1.8 L/kg條件下強冷工藝，每種工藝取5塊試樣并按照文1.2所示的通道處取點方式進行取點分析。二冷冷卻強冷對180 mm×180 mm斷面的中心碳偏析影響不明顯。對不同工藝條件下鑄坯的二次枝晶臂間距進行測量。隨著比水量增加，距離鑄坯表面40 mm后，凝固枝晶間距基本相同，由此說明增大二冷比水量對鑄坯中心位置凝固進程基本無影響。同時通過模擬發現隨著比水量的增加，二次冷卻區域結束處的液芯區域比例相近，如圖9所示。這說明不同二冷比水量會導致180 mm×180 mm斷面鑄坯皮下一定位置的冷卻速率存在差異，但鑄坯中心區域冷卻速率趨于一致，加大比水量對大斷面鑄坯中心區域的冷卻速率的提高貢獻不大。富集溶質隨著凝固過程的進行向中心流動，但由于中心較大區域的冷卻速率趨于一致，二次枝晶臂間距相近，滲透率相近，中心碳偏析受二冷強度增加的影響不大。

2.2 弱冷工藝對中心碳偏析影響

2.2.1 弱冷工藝方案設計

本文設計強冷工藝思路是采取拉速不變，減少二冷比水量方式降低冷卻強度。經現場實際摸索發現，比水量低于0.4 L/kg時二冷各區噴嘴鋪展性明顯變差，因此本文設計的弱冷工藝比水量最低為0.4 L/kg。

2.2.2 結果與分析

在相同的工藝參數下，分別試驗了不同比水量（0.4 L/kg、0.5 L/kg）對中心碳偏析的影響。采用二次冷卻弱冷的方式，中心碳偏析指數基本控制在1.2以下，較強冷工藝，二次冷卻弱冷工藝可以一定程度上降低中心碳偏析指數。

為驗證試驗結果的準確性，在相同工藝參數下再次各試驗1爐二冷比水量為0.4 L/kg、0.5 L/kg條件下弱冷工藝，每種工藝取5塊試樣并按照文1.2所示的通道處取點方式進行取點分析。結果表明，弱冷工藝在一定程度上降低中心碳偏析，但仍不能完全滿足中心碳偏析控制要求。其主要原因是在電磁攪拌的作用下，弱冷工藝雖導致二次枝晶臂間距更大，但等軸晶比例卻明顯增加。等軸晶生長隨機性較大，難以形成像柱狀晶那樣的熔體流動通道，能夠有效地減輕中心偏析。但是弱冷工藝又會加重凝固過程中的選分結晶，導致高溶質成分在中心區域聚集，又會進一步加重中心碳偏析[3]。基于上述的實驗分析，單純采用調整二次冷卻強度來控制180 mm×180 mm斷面鑄坯中心碳偏析的可能性較小，需借助其他輔助方式共同解決180 mm×180 mm斷面鑄坯中心碳偏析，如鑄坯在線壓下、連鑄其他生產工藝優化等方式。

3 結論

1）從鑄坯縱截面來看，180 mm×180 mm方坯中心碳偏析呈現V型偏析通道區上的碳元素偏析程度明顯高于非通道區。

2）增大二次冷卻強度對180 mm×180 mm斷面中心碳偏析控制影響不明顯，主要是由于冷卻強度不能改變中心區域冷卻速率，鑄坯中心區域仍是自由選分結晶的狀態。

3）降低二次冷卻強度對180 mm×180 mm斷面中心碳偏析控制有一定的效果，但仍不能完全滿足中心碳偏析控制要求，主要是由于等軸晶生長隨機性較大，難以形成像柱狀晶那樣的熔體流動通道，能夠有效地減輕中心偏析。但是弱冷工藝又會加重凝固過程中的選分結晶，導致高溶質成分在中心區域聚集，又會進一步加重中心碳偏析。

4）180 mm×180 mm斷面坯型適合采用弱冷以增加等軸晶的比例，同時應采用壓下或者其他工藝的技術進一步降低中心碳偏析。