高碳鋼連鑄坯碳偏析控制技術

賈建明

（河鋼宣鋼二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

高碳鋼，如SWRH82B、C72DA等鋼種，由于碳含量高，鑄坯凝固過程易出現較嚴重的碳偏析現象，易造成盤條拉拔加工時斷裂[1]。本文針對宣鋼連鑄坯生產的工藝特點，分析了影響鑄坯碳偏析指數的因素，并逐一制定了有針對性的措施，提高了高碳硬線類產品的質量。

1 工藝流程及裝備特點

1.1 工藝流程

河鋼宣鋼（以下簡稱宣鋼）目前的高碳鋼產品主要是以SWRH82B為代表的的預應力鋼絞線產品和以C72DA為代表的胎圈鋼絲產品。其生產工藝流程與設備如下：

鐵水KR脫硫—150 t轉爐（雙渣）—LF精煉爐—2號連鑄機（結晶器電磁攪拌、凝固末端電磁攪拌、150 mm2方坯）—二高線軋制。

1.2 裝備特點

轉爐出鋼量達到195 t，1.8 m/min恒拉速條件下，連鑄拉鋼周期52 min；鑄機為12機12流連鑄機，流間距1 200 mm；連鑄機初設裝備有輕壓下設備，配套矩管結晶器。對于高碳鋼生產來說，裝備的特點也就成為了碳偏析控制的難點，拉鋼周期長澆鑄過程溫降大，平均10℃；流數多，流間距小，設備故障在線處理難度大。

2 降低高碳鋼連鑄坯C偏析的理論依據

2.1 精準的碳含量

一般以分配系數K來表征元素在液體和固體中溶解度差異。K值小，則為易偏析元素，常見元素的K值見表1。

表1 常見元素K值

由表1可見C元素強偏析的元素。因此若想減輕C元素的偏析程度，需在C元素含量可滿足盤條性能要求的前提下，降低C元素含量，即要求做到C元素的精準控制[2]。

2.2 中包鋼水過熱度

中間包鋼水的過熱度是影響高碳鋼等軸晶區大小的重要參數之一。生產過程中為了擴大鑄坯內部等軸晶比例，抑制柱狀晶的形成，可以采取中間包低過熱度澆鑄。中間包過熱度較高時，鑄坯內部柱狀晶區域便會擴大，在中心產生柱狀晶搭橋的概率相應增大，容易形成中心疏松和縮孔，同時鑄坯內部會產生嚴重的中心偏析[3]。

2.3 適宜的二冷強度

合適的二冷強度對提高高碳鋼的內部質量是有利的。比水量增加，中心碳偏析減輕。這是由于枝晶間距小，富集溶質所占的體積分數小，形成細密的枝晶結構，使枝晶間殘余液相被枝晶網格阻隔不易流動，從而減小了中心偏析。但是二次冷卻強度過大，鑄坯坯殼快速冷卻，坯殼內部液態區域向外傳熱效率有限，導致斷面溫度梯度增大，鑄坯柱狀晶區域擴大，易形成中心縮孔和裂紋等缺陷。

2.4 可發揮作用的凝固末端電磁攪拌

F-EMS攪拌固液兩相區，通過電磁力打碎的樹枝晶碎片可作為等軸晶的核心，增加兩相區局部傳熱，消除搭橋，減輕樹枝晶間富集溶質液體的流動，使心部偏析金屬趨于均勻，同時產生較多的結晶核。這樣能擴大等軸晶區、細化晶粒，形成較寬的細小等軸晶帶，獲得良好的鑄坯內部質量。

3 針對性措施

3.1 精準控碳技術

3.1.1 干式除塵轉爐高拉碳技術

為避免靜電除塵器卸爆，干式除塵轉爐普遍采用冶煉過程不起槍，一槍到底的吹煉方式，而宣鋼鐵水w（P）普遍在0.120%左右，若想實現高拉碳，必須實現過程起槍，進行雙渣操作。

二次下槍過程中，CO+[O]=CO2的冶金反應進程最先進行，當熔池攪拌程度激烈發生時才會產生后繼的冶金反應進程，[C]+CO2=2CO。即干式除塵轉爐避開泄爆的核心機理是實現吹煉初期的弱攪拌。

實際操作中二次下槍后，首先采用氮氣塞原理排除除塵管道內的氣體，通過前燒期的氧氣流量控制實現熔池弱攪拌，達到前燒期的φ（CO2）由發生逐步上升到15%、φ(CO)保持在小于3%的水平，即可避免卸爆的發生。前燒期熔池弱攪拌控制時CO2、CO及O2的含量對應關系如圖1所示。

圖1 前燒期氣體含量對應關系

通過優化轉爐裝料和前期造渣制度，選擇適宜的開吹槍位和流量，解決了留渣發前期煙氣中CO上升較快，靜電除塵器泄爆的難題；基于轉爐供氧流量與轉爐煙氣中CO含量數學模型的建立，發明出干式除塵轉爐二次下槍吹煉的方法；實現了干式除塵轉爐雙渣留渣操作零泄爆，噸鋼白灰消耗降低5 kg，在確保終點低w（P）≤0.012%的同時，出鋼w（C）達0.35%以上。

3.1.2 精煉精確控制出站C含量

精確控制精煉出站C含量，主要包括以下措施：

1）精1樣取樣時鋼水溫度確保1 520℃以上，嚴禁低于此溫度取樣，在吹氬點處取樣，取樣深度≥300 mm，確保精1成分具有代表性。

2）加合金、碳粉時，必須開大氬氣4 min，并小氬氣送電3 min后才可取樣，出站w（C）控制精度±0.005%。

3）精2后不加任何渣料、合金料及脫氧劑，以保證鋼水凈化度。

4）軟吹開始后，嚴禁補碳，避免鋼包內鋼水C含量不均，軟吹必保20 min，軟吹開始后嚴禁隨意調整氬氣量。

轉爐高拉碳配合精煉精確控C措施，以SWRH 82B鋼種為代表，精煉出站w（C）可精準控制在0.805%~0.815%之間，如圖2所示。

圖2 SWRH82B精煉出站C含量分布

3.2 全流程精確控溫技術

3.2.1 鋼包全程加蓋技術

鋼包的運行狀態直接影響到冶煉工藝操作和鋼水冶金質量，尤其是鋼包的溫度，而通過在鋼包上實現全程加蓋，輻射熱損失可顯著減少。由于目前二鋼軋廠廠房布局的限制，二鋼軋廠無法采用插齒式鋼包加蓋結構，因此開發了一種新型鋼包全程加蓋技術。具體設備包括：移動小車、電液推桿、卷揚裝置、鋼絲繩、定滑輪組、動滑輪組、車輪、軌道、包蓋專用吊具、包蓋。其加揭蓋吊運原理為：電機、減速機、卷筒、定滑輪安裝于移動小車上，移動小車通過電液推桿進行前后移動，包蓋專用吊具通過傳動裝置和鋼絲繩進行上下移動，從而實現專用吊具的上下前后移動進行包蓋的加揭蓋，專用吊具上下升降限位依靠安裝于卷筒軸端的限位器控制。鋼包加揭蓋設備示意圖如圖3所示。

圖3 鋼包加揭蓋設備

解決了由于現場空間限制不能使用傳統插齒式鋼包加蓋設備的問題，開發了適合宣鋼條件下的卷揚提升式鋼包加蓋技術，項目實施后，鋼包加蓋率完成率100%，澆鑄過程鋼水溫降降低3℃。

3.2.2 開發溫度查詢系統

在原二級數據采集平臺基礎上，采用VS2010的C#編程語言，采用C/S模式，建立精煉溫度查詢系統和連鑄鋼水過熱度和恒拉速管理系統，具有用戶登陸、權限管理、溫度管理、包況管理、溫度報表管理等功，為降低過熱度和實現恒拉速提供信息化管理平臺。精煉溫度查詢系統和連鑄鋼水過熱度管理系統界面圖如圖4。

圖4 精煉溫度查詢系統界面

精煉溫度管理查詢系統連鑄鋼水過熱度和恒拉速管理系統的開發，極大的方便了崗位操作人員隨時了解各節點測溫數據，可及時根據鋼包情況及溫度流變化趨勢，精確調整精煉出站溫度，從而嚴格控制過熱度，保證恒拉速，降低鑄坯偏析指數。生產高碳硬線時過熱度按20～30℃，連鑄機恒拉速率由之前的86%提升至95%。

3.3 連鑄機設備升級改造

3.3.1 矩管結晶器改方管結晶器

之前2號連鑄機生產高碳硬線系列鋼種時，使用的結晶器銅管仍是開產時所設計的適用于動態輕壓下的矩形銅管，銅管上口尺寸153 mm×157 mm，該銅管使用到后期極易出現鑄坯脫方甚至漏鋼現象，根據鼓肚理論，坯殼鼓脹，造成枝晶間富集溶質液體的流動，從而導致中心偏析。

因此，在2018年4月，將結晶器上口尺寸為153 mm×157 mm的矩管結晶器，全部更換為結晶器上口尺寸為152 mm×153 mm的方管結晶器。

改造完成后，鑄坯外觀形狀規矩，未出現脫方、漏鋼現象，鑄坯內部質量也有所改善。使用矩管結晶器和方管結晶器生產的鑄坯低倍如圖5、圖6所示。

使用矩管結晶器時，高碳鋼碳偏析指數均值為1.12，更換為方管結晶器后，碳偏析指數下降至1.09，使用兩種結晶器時鑄坯碳偏析的分布情況如圖7所示。

3.3.2 增加3段全水冷卻

提高冷卻強度，降低過熱度，小方坯中心可以獲得精細的顯微組織，由于增大了冷卻率，局部凝固次數減少，改善了宏觀偏析。適當增大二冷比水量，會使二次枝晶間距減小，形成細密的枝晶結構，阻礙枝晶間殘余液相的流動，從而降低中心碳偏析。

圖5 矩管結晶器生產的鑄坯低倍

圖6 方管結晶器生產鑄坯低倍

圖7 使用兩種結晶器時碳偏析的分布情況

將3段水流量分別設定為0，1.97 m3/h，3.3 m3/h，對應比水量分別為0.52 L/kg，0.63 L/kg，0.70 L/kg。對相應比水量條件下的鑄坯凝固組織進行模擬，結果如下頁圖8所示。

由圖8可知，隨著比水量的提高，鑄坯凝固組織柱狀晶區增大，等軸晶區減小。對各比水量條件下的鑄坯進行碳偏析分析，結果表明0.63 L/kg比水量下，鑄坯碳偏析指數最小。各比水量條件下鑄坯碳偏析的分布情況如下頁圖9所示。

碳偏析指數先降低后又上升。是因為增大二冷比水量，會使二次枝晶間距減小，形成細密的枝晶結構，阻礙枝晶間殘余液相的流動，從而降低中心碳偏析。比水量由0.52 L/kg升至0.63 L/kg時，二次枝晶間距減小對中心碳偏析的改善作用要大于中心等軸晶區比例下降對中心碳偏析的不良影響，因而總體上呈現中心碳偏析下降的趨勢；比水量由0.63 L/kg升至0.70 L/kg時等軸晶區二次枝晶間距減小所引起中心碳偏析的下降已不能滿足中心等軸晶區比例下降造成中心碳偏析的增大程度，因而碳偏析情況又加劇。因此在當前的連鑄工藝條件下，0.63 L/kg的二冷比水量是最佳的。

3.3.3 末攪線圈上移

利用Procast軟件計算得知，在拉速1.8 m/min，比水量0.62 L/kg，過熱度30℃時，在距彎月面6.4 m處，鑄坯中心固相率為0.2，該位置最適合末攪線圈的安置，因此將末攪線圈位置由目前的距彎月面7.2 m處，上移800 mm。

圖8 各比水量條件下的鑄坯凝固組織模擬圖

國內外專家研究發現，對于140~160 mm斷面高碳鋼小方坯，鑄坯凝固前沿液芯一般厚度在35~55 mm時，末端電磁攪拌才能滿足需要。模擬結果顯示液芯厚度為50 mm，如圖10所示。末攪位置上移后，進行射釘試驗，實測液芯厚度為48 mm，如圖11所示。

圖9 各比水量條件下鑄坯碳偏析分布情況

圖10 液芯厚度模擬圖

圖11 液芯厚度實測圖

以C72DA鋼種為例，末攪線圈上移前和上移后鑄坯內弧、中心、外弧處的C元素含量分布二維等高原位分析如圖12所示，上移前，中心處w(C）最高0.82%，上移后，中心處w（C）最高0.77%由圖可知末攪線圈上移后，C偏析程度減輕。

末攪線圈上移和增加3段水前后，鑄坯的碳偏析分布情況如圖13所示，可見末攪線圈上移和增加3段水的改造完成后，碳偏析指數由1.09下降至1.06。

圖12 末攪線圈上移前后C元素含量分布

圖13 末攪線圈上移和增加3段水前后，鑄坯的碳偏析分布

4 結論

以上高碳鋼連鑄坯碳偏析控制措施實施后，高碳鋼生產的各項指標均得到顯著提高：

1）在確保終點低w（P）≤0.012%的同時，出鋼w（C）達0.35%以上，以SWRH82B鋼種為代表，精煉出站w（C）可精準控制在0.805%~0.815%之間。

2）生產高碳硬線時過熱度按20~30℃，連鑄機恒拉速率由之前的86%提升至95%。

3）經過實施結晶器由矩管改為方管，末攪線圈上移，增加3段冷卻水等一系列優化措施后，高碳鋼碳偏析指數從最初的1.12，下降至目前的1.06。

4）宣鋼的SWRH82B硬線盤條產品在天津市場口碑良好，多家企業指定使用宣鋼的產品；宣鋼生產的C72DA，SWRH82A等產品每月穩定供應巨力集團、衡水永利等企業，并同巨力索具股份有限公司進行了戰略合作簽約，每月高碳硬線產量達到5萬t以上。