高碳鋼線材缺陷的研究分析

摘 要：用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察分析高碳鋼線材的凸棱缺陷，結果表明，在連鑄過程中的疏松和偏析是缺陷產生的原因。實踐表明當比水量調低、應用結晶器電磁攪拌可以消除缺陷，得到合格的產品。

關鍵詞：高碳鋼線材；疏松；縮孔；電磁攪拌

1 70#線材缺陷分析

近期某鋼廠線材廠反映在用高碳鋼小方坯生產的線材產品在軋后出現“凸棱”缺陷，部分用戶深加工時出現拉絲斷裂或彈簧扭曲時斷裂。圖1中a為缺陷原始外觀形貌，b為缺陷處沿軋制方向剖面形貌，c為缺陷處橫斷面照片。由缺陷宏觀形貌分析此“凸棱”缺陷為界面不規則矩形的孔洞。

1.1 缺陷金相顯微分析

缺陷金相顯微分析如圖2所示，圖中a為100倍缺陷金相顯微照片，b為50倍缺陷金相顯微照片。缺陷處和橫斷面上的掃描電鏡分析照片如圖3和圖4所示。由缺陷金相顯微照片以及掃描電鏡分析可知，在缺陷位置處和遠離缺陷處的金相顯微組織基本一致，可以說明沒有大的成分偏析及大顆粒夾雜。

1.2 低倍檢驗

編號1～5分別為鑄機1～5流鑄坯試樣，低倍評級圖如表1所示，其中3#和5#試樣的低倍照片如圖5所示。

通過以上分析，我們可知道導致70#線材產生軋后“凸棱”缺陷的原因即為連鑄過程中產生的中心縮孔未被軋合，中心縮孔級別偏高，是這次缺陷的主要原因。

2 改善中心縮孔的方法

對于縮孔的形成機理一般存在兩種觀點：一種觀點認為[1]，鑄坯在凝固過程中過于發達的柱狀晶產生“搭橋”，“橋”下的液相轉變為固相時的體積收縮以及鑄坯本身向外傳熱使得鑄坯中心凝固部位繼續冷卻產生的體積收縮不能被鋼液補充所引起；另一種觀點認為[2]，鑄坯中心部位某點（fs=0.2）下區域，鋼液無法對鑄坯中心產生的體積收縮進行有效補充的幾率增大導致縮孔。

對于像70#這種高碳鋼，想要改善中心縮孔的方法主要有兩個途徑[3]。第一個方法是設法抑制柱狀晶的生長，減小柱狀晶組織的搭橋，使得鑄坯中心產生的體積收縮被鋼水充分的補充。例如可以降低中間包鋼水的過熱度、增加等軸晶區的寬度、控制拉速降低坯殼的溫度梯度和電磁攪拌等。另一個改善縮孔的方法是對鑄坯施加外力使鑄坯整體收縮而減輕縮孔。例如輕壓下（MSR）和噴水冷卻（TSR）。

3 改善縮孔方法的分析

抑制柱狀晶的發展可以通過降低鋼水過熱度來實現。因為鋼水的過熱度高，兩相區的溫度梯度大，寬度減小，這樣保持定向傳熱的時間長，利于柱狀晶的生長。但是過低溫度的澆鑄會產生凍流的危險。通常來說，過熱度是鑄機設備以及工況條件決定的，如果沒有安裝中間包加熱等裝置，是不能有太多的變化的。

降低拉速也可以改善縮孔的缺陷。高拉速會使鑄坯在結晶器停留時間變短，鋼水凝固時間變長會使鑄坯液芯變長，這樣就推遲了等軸晶的形核長大，使柱狀晶生成并“搭橋”。但是拉速是和產量和生產效率等指標息息相關。改變拉速，需要追求一種質量和產量的平衡。拉速的穩定也是鑄坯內部質量的保證，所以拉速的改變是要進行多方面的考慮。

通過以上分析以及結合該鋼廠的情況，我們考慮運用調低比水量和增加結晶器電磁攪拌的方式來改善由于縮孔原因造成的線材缺陷。

連鑄二冷區直接且最終決定了鑄坯內部質量的好壞，而冷卻有弱冷和強冷兩種方式。弱冷有利于改善中心縮孔，但是對中心偏析不利。相反的強冷使鋼液中的元素來不及充分的選分結晶而利于改善偏析，但是會增加中心縮孔。在生產高碳鋼時，由于擔心碳含量高而帶來碳偏析，所以初始冷卻的比水量設定為1.0～1.2L/kg。但是對于高碳鋼的小方坯來說，低的中心碳偏析和低的中心縮孔一樣重要。但是對于線材產品來講，由于中心縮孔而導致的缺陷比中心偏析的比例要高。因此在生產過程中將比水量適當調低，選擇了對改善縮孔更為有利的0.6～0.8L/kg的比水量，期待這樣既可以改善縮孔，有可以保證較低的碳偏析。

為了進一步達到改善縮孔的效果，在鑄機上安裝了結晶器電磁攪拌裝置。由于電磁攪拌加速了鋼液和凝固前沿的熱交換，液芯內剩余的過熱能很快會消除。被攪拌力打碎的柱狀晶或被熔化掉，或作為等軸晶的核心存在于鋼液中進而擴大等軸晶區。對于是不是所有的鋼種都能通過結晶器電磁攪拌獲得較寬等軸晶區，含碳量小于0.1%和含碳量在0.52%的鋼種，結晶電磁攪拌對增加等軸晶區不明顯，等軸晶區與攪拌的關系如圖6所示。電磁攪拌的應用也要注意參數的選擇，參數選擇不好會適得其反。針對設備的條件，選擇了350～400A，頻率為4～4.5Hz。

4 改變后的效果分析

通過調低比水量和增加結晶器電磁攪拌，對70#鋼的低倍檢驗結果如表2所示。通過與之前的評級比較，縮孔評級穩定的小于0.5級，供給線材后也為出現之前的質量缺陷。

5 結束語

通過降低比水量和增加電磁攪拌，使得高碳鋼小方坯原先存在的縮孔缺陷得到明顯改善。該鑄坯提供給線材廠未再出現產品異議。

參考文獻

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