輕壓下對高碳鋼小方坯內部質量的影響

李德軍 廖相巍 于賦志 許孟春 李曉偉 劉 祥

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

輕壓下對高碳鋼小方坯內部質量的影響

李德軍 廖相巍 于賦志 許孟春 李曉偉 劉 祥

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

為了考察輕壓下工藝對高碳鋼小方坯內部質量的影響，以高碳鋼SWRH72B小方坯為研究對象進行了輕壓下工業試驗研究。結果表明，當固相率fs大于0.82時，無法消除縮孔和中心碳偏析；多輥壓下較單輥輕壓下更有利于鑄坯內部質量的提升;采用4號輥壓下量5 mm，5號輥壓下量10 mm，6號輥壓下量5 mm的多輥壓下可防止壓下裂紋出現，同時也能夠將鑄坯中心的碳偏析平均值穩定控制在1.04；超弱冷(比水量0.40 L/kg)較弱冷(比水量0.65 L/kg)更有利于控制中心碳偏析。

高碳鋼 小方坯 碳偏析 單輥輕壓下 多輥輕壓下

在連鑄生產中，鑄坯內部一般都會存在中心偏析和中心疏松等缺陷，尤其是高碳鋼小方坯更為嚴重。高碳盤條鋼在拉拔生產鋼絲和鋼絞線時，由于最終產品截面尺寸小，因此對組織要求較為嚴格。預應力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤條使用YB/T 146—1998中規定，不得出現馬氏體及網狀滲碳體等異常組織。在高碳鋼小方坯的連鑄過程中，面臨的主要問題就是鑄坯的中心偏析和中心疏松的控制。大量研究表明[1- 5]，在連鑄坯的凝固末端實施輕壓下能夠明顯地改善鑄坯中心偏析和中心疏松。為了降低小方坯中心碳偏析，提高盤條鋼在拉拔過程中產品的合格率，某廠對小方坯連鑄機的拉矯輥進行了升級改造，使其具有了輕壓下功能。為了評定輕壓下對高碳鋼小方坯的內部質量改善情況，進行了單輥和多輥兩種模式的壓下工業試驗研究，為輕壓下系統的完善和工藝優化提供幫助。

1 試驗材料與方案

某廠生產小方坯的鋼種主要為普碳鋼、高碳鋼、簾線鋼等，連鑄機主要技術參數如表1所示。

表1 連鑄機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of continuous casting machine

為了研究輕壓下對連鑄坯內部質量的影響，進行了如表2所示參數條件的相關試驗。

表2 試驗條件參數Table 2 Condition parameters of test

取長度方向400 mm的縱向中心切面為分析樣本，進行低倍組織觀察。采用5 mm鉆頭在鑄坯截面上鉆屑，進行鑄坯成分偏析分析，考慮到鑄坯的對稱性，在如圖1所示的位置進行鉆屑取樣。采用所測樣點的碳成分與所有采樣點平均碳成分的比值作為碳偏析度。

2 試驗結果與討論

2.1 壓下位置對鑄坯質量的影響

為了考察不同壓下位置對鑄坯質量的影響，在壓下量為10 mm，拉速為1.3 m/min，結晶器攪拌電流為300 A，比水量為0.42 L/kg條件下，進行了單輥和多輥壓下試驗。試驗鑄坯的低倍組織如表3所示，其中試驗號1～6為單輥壓下，并分別對應1～6號壓下輥，7～10為多輥壓下，其壓下方案見表4，鑄坯碳偏析如圖2所示。

圖1 鑄坯采樣點Fig.1 Sampling points of casting billet

從表3缺陷統計情況來看，單輥壓下時在1～5號輥范圍內，隨著壓下輥的后移，鑄坯的縮孔數量逐漸減少，在5號位置進行壓下時鑄坯內部質量達到最佳，但當壓下輥后移到6號輥時，縮孔數量又有所增多。說明壓下輥的位置對鑄坯的內部質量有重要影響，并與鑄坯內兩相區的固相率fs相對應。根據輕壓下系統對鑄坯凝固過程的預測(通過沉鉛試驗和射釘試驗的驗證，預測結果與實際結果具有很好的一致性，表明系統對凝固過程的預測具有很好的可靠性)，4、5、6號輥所對應的固相率fs分別為0.45、0.63、0.82，表明在該鋼種固相率fs為0.45～0.63時施加壓下，效果相對較好。當壓下輥靠前即固相率fs小于0.45時，會導致上部的鋼水無法補充到下部，使下部的鑄坯容易產生疏松和縮孔；而當壓下輥過于靠后即固相率fs大于0.82時，鋼水己大部分凝固，縮孔與碳偏析已經形成，此時進行壓下已難以消除碳偏析和縮孔。多輥組合式壓下時，通過比較縮孔的數量及大小情況來看，10號的試驗效果較好，而7、8號的試驗效果相對較差，其中8號還伴有輕微裂紋出現。比較多輥9號與單輥3、4號可以看出，總壓下量都為10 mm時多輥壓下有利于消除鑄坯內部裂紋，但未能改善鑄坯中心疏松，與單輥壓下比較5 mm大縮孔還有增多趨勢。

表3 鑄坯縱截面低倍組織Table 3 Macrostructures at longitudinal section of casting billets

表4 多輥壓下方案Table 4 Multi- roll soft reduction schemes

從圖2(a)可以看出，在單輥壓下時鑄坯中心的碳偏析范圍在1.07～1.35之間。當壓輥過于靠前時，碳偏析越嚴重。隨著壓輥的后移碳偏析有所減小，但當壓輥后移到6號輥時，碳偏析又有所加重，這與鑄坯中心縮孔及疏松情況相符。6號輥壓下改善鑄坯中心偏析不理想的原因主要是此時固相率較高， 中心偏析已形成，壓下也難以改善。在總壓下量10 mm條件下進行多輥壓下時，從圖2(b)可以看出，鑄坯中心碳偏析的范圍在1.12～1.33之間，其波動范圍較單輥壓下略有收窄，表明多輥壓下對中心碳偏析的控制要穩定。但在該條件下最小碳偏析度依然在1.12，較單輥壓下的最小值1.07要高得多。

圖2 (a)單輥壓下與(b)多輥壓下對碳偏析的影響Fig.2 Effect of (a) single- roll soft reduction and (b) multi- roll soft reduction on carbon segregation

2.2 單輥模式壓下量對鑄坯質量的影響

在輕壓下工藝中，壓下量是重要的工藝參數，不同的壓下量對鑄坯成分的偏析影響也不同[6- 8]。通過上述試驗可以確定，采用5號輥壓下能夠改善鑄坯質量，因此針對5號輥考察了不同壓下量對鑄坯質量的影響，結果如圖3所示。

圖3 單輥壓下量對碳偏析的影響Fig.3 Effect of single- roll soft reduction on carbon segregation

從圖3可以看出，當壓下量從6 mm增加到20 mm后，鑄坯中心碳偏析度從1.15降低至1.04。雖然壓下量的增加對鑄坯中心碳偏析有良好的抑制作用，但觀察鑄坯的低倍組織發現，在壓下量為15和20 mm的試樣中， 沿著拉坯方向在鑄坯的中心附近出現了壓下裂紋。這主要是由于在進行壓下時，壓下應變會逐漸向鑄坯的中心滲透，當滲透到固液兩相區后，壓下應變產生的應力就會作用在鑄坯凝固前沿。隨著壓下量的加大，伴隨著應變的積累，應力也不斷積累，當應力積累到大于凝固前沿的強度時，就會出現內裂紋。

2.3 多輥模式壓下量對鑄坯質量的影響

通過上述試驗可知，單輥壓下量的增加可以有效降低鑄坯中心的碳偏析，但壓下量較大時會出現壓下裂紋。為了防止鑄坯出現壓下裂紋，根據單輥壓下效果，進行了多輥壓下試驗。試驗一：5號輥壓下量10 mm，6號輥壓下量5 mm；試驗二：4號輥壓下量5 mm，5號輥壓下量10 mm，6號輥壓下量5 mm；試驗三：4號輥壓下量10 mm，5號輥壓下量10 mm，6號輥壓下量5 mm。三組試驗中分別抽取5塊試樣進行觀察，發現試驗一和二的試樣均出現了壓下裂紋，試驗三的一塊試樣有輕微壓下裂紋，并對鑄坯碳偏析情況進行了分析，結果如圖4所示。

圖4 多輥壓下對碳偏析的影響Fig.4 Effect of multi- roll soft reduction on carbon segregation

從圖4(a)可以看出，總壓下量20與25 mm對鑄坯中心碳偏析的影響幾乎一致，偏析度都可以控制在1.04以內。但對于總壓下量達到25 mm的試驗三來說，過大的壓下量導致鑄坯內部易出現壓下裂紋，惡化了鑄坯內部質量。從單輥試驗來看，在5號輥施加15 mm的壓下量就容易導致壓下裂紋的出現。在試驗三中，雖然5號輥的壓下量達到了10 mm，但由于相鄰4號輥先施加了10 mm的壓下量，使得壓下應力積累量超出了鑄坯的強度，從而導致壓下裂紋的出現。因此，選用試驗二的方案比較理想。從圖4(b)可以看出，在縱向鑄坯中心的碳偏析度控制可穩定在1.04左右，同時保證鑄坯內部不會出現壓下裂紋。

2.4 拉速對鑄坯質量的影響

為了分析不同拉速輕壓下工藝對鑄坯內部質量的影響，選取5號輥在相同二冷和壓下量、不同拉速(1.3和1.5 m/min)條件下進行單輥壓下試驗，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，拉速在1.3 m/min時，連鑄坯碳偏析范圍是0.96～1.07。當拉速升高到1.5 m/min時，碳偏析范圍變為0.95～1.13，偏析明顯加重。這主要是因為拉速增加時，在二冷條件不變的情況下，鑄坯液相穴延長，固相率fs相應減小。因此對于SWRH72B盤條鋼，適當降低拉速，有利于輕壓下在合適的固相率范圍內實施，促進鑄坯內部質量提高。在原有二冷條件不變的情況下，提高拉速會使最佳的固相率區間偏離壓下輥，導致難以提升甚至惡化鑄坯內部質量，在生產過程中應引起重視。

圖5 拉速對碳偏析的影響Fig.5 Effect of drawing speed on carbon segregation

2.5 二冷強度對鑄坯質量的影響

在1.3 m/min拉速下，對鑄坯實施弱冷(比水量0.65 L/kg)和超弱冷(比水量0.4 L/kg)。同樣采用5號輥壓下10 mm，試驗結果如圖6所示。

圖6 二冷強度對碳偏析的影響Fig.6 Effect of the secondary cooling intensity on carbon segregation

從圖6可知，在1.3 m/min拉速條件下，弱冷鑄坯的中心碳偏析嚴重，偏析度達到了1.14。超弱冷鑄坯的內部質量較好，中心碳偏析度可控制在1.07。為了進一步分析冷卻強度對鑄坯凝固組織的影響，計算了兩者試樣的等軸晶率(采用硫印后面積比的計算方法)，可得弱冷條件的等軸晶率為18%，超弱冷的等軸晶率為26%。相對于超弱冷，弱冷的冷卻強度要強，一方面會導致鑄坯的柱狀晶發達，高碳鋼尤為突出，不利于對中心偏析的控制；另一方面會使凝固末端前移，導致最佳的固液兩相區所對應的固相率fs偏離5號輥壓下區。這兩方面綜合作用導致在單輥壓下時，弱冷鑄坯的內部質量要較超弱冷的差。

3 結論

(1)對于SWRH72B盤條鋼的固相率fs為0.45～0.63時，施加單輥輕壓下能夠減輕連鑄坯的中心碳偏析；當固相率fs大于0.82時，縮孔已經形成，此時進行壓下已無法消除縮孔和中心碳偏析；在施加10 mm的總壓下量時，單輥壓下與多輥壓下分別能夠將鑄坯的中心碳偏析控制在1.07～1.35和1.12～1.33范圍內。

(2)單輥壓下時，在壓下量大于15 mm時鑄坯容易出現壓下裂紋；在4號輥壓下量5 mm，5號輥壓下量10 mm，6號輥壓下量5 mm的多輥壓下，可防止壓下裂紋的出現，同時能將鑄坯的中心碳偏析平均值穩定控制在1.04。

(3)在二冷條件不變的情況下，提高拉速會使最佳的固相率區間偏離壓下輥，難以提升鑄坯內部質量；在拉速相同情況下，超弱冷(比水量0.4 L/kg)較弱冷(比水量0.65 L/kg)更有利于控制中心碳偏析。

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收修改稿日期：2017- 05- 09

EffectofSoftReductiononInnerQualityofHighCarbonSteelBillets

Li Dejun Liao Xiangwei Yu Fuzhi Xu Mengchun Li Xiaowei Liu Xiang

(1. State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application,Anshan Liaoning 114009, China; 2. Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation, Anshan Liaoning 114009, China)

In order to study the effect of soft reduction on inner quality of high carbon steel billets, the SWRH72B high carbon steel billet was taken as the reserach object to carried out the soft reduction commercial test. The results showed that light reduction could not eliminate shrinkage and central carbon segregation when solid fractionfswas greater than 0.82. It was more conducive to an improvement in slab internal quality during multi- roll soft reduction compared to single- roll soft reduction, multi- roll soft reduction could prevent the occurrence of a downward crack with selecting roll No.4 reduction 5 mm or No.5 reduction 10 mm or No.6 reduction 5 mm, and control the average of central carbon segregation to 1.04. The weaker intensity of secondary cooling (water flow rate 0.40 L/kg) could be better to control central carbon segregation than the weak intensity of secondary cooling (water flow rate 0.65 L/kg).

high carbon steel，billet，carbon segregation，single- roll soft reduction， multi- roll soft reduction

李德軍，男，博士，主要從事鑄坯質量控制相關研究，Email: 344305353@qq.com