連鑄工藝參數對高碳連鑄坯成分偏析的影響

馬 昆

（唐鋼型線事業部，河北 唐山 063000）

本研究以某鋼廠的SWRH382B預應力鋼絞線為實驗對象，根據該企業生產工藝，首先取300mm鑄坯一塊，然后從該塊鑄坯上截取式樣一塊（30mm），作為低倍檢驗和成分分析試樣。

1 實驗方法

在SWRH382B鑄坯截面試樣上采用2.5mm鉆頭鉆入5mm，取10g～15g鋼屑作為成分分析試樣，取樣方法如圖1所示。其中，中心點為5點，4點、6點位置位于距離中心點55mm處，3點、7點位于距中心點38mm處，1點、2點、8點、9點位于距鑄坯截面試樣邊緣5m處。試樣的碳偏析指數由如下公式表示：碳偏析指數=（取樣點化學成分測定值÷化學成分測定結果的加權平均值）×100%。

圖1 取樣方法及試樣點位置

按照低倍檢驗試驗操作規程，在1：1鹽酸溶液中完全侵入截面試樣，并升溫至75℃，并保溫30min后取出。首先，用5%的碳酸鈉水溶液清洗試樣表面腐蝕產物，然后再用清水對其進行清潔，最后用熱風機吹干試樣，用電子掃面議對試樣進行掃描并獲得低倍圖像，用于分析試樣的低倍檢驗缺陷，并按照鋼材料中心偏析對其進行評級。

2 實驗結果分析及工藝優化

2.1 實驗結果分析

連鑄工藝正常運行的重要條件即為合適的鋼水過熱度，因此，本研究在連鑄工藝參數（比水量、拉速）恒定的條件下，取樣過程中考慮了不同鋼水過熱度，研究試樣連鑄成坯碳偏析與鋼水過熱度的關系，如表1所示，為缺陷評級、中心碳偏析以及工藝條件。如圖2所示，試樣元素偏析指數在不同鋼水過熱度條件下的結果，圖3為低倍缺陷所示，為缺陷評級、中心碳偏析以及工藝條件。如圖2所示，試樣元素偏析指數在不同鋼水過熱度條件下的結果。

表1 工藝參數及結果

圖2 鋼水過熱度與中心偏析的關系

圖3 低倍檢驗結果

圖2 可見，試樣中心碳偏析指數隨著鋼水過熱度的增大而增加，且愈發嚴重。這是因為，試樣組織中的柱狀晶隨著鋼水過熱度的增加而迅速長大，枝晶間的溶質元素隨著未凝固鋼水的而富集，引起了中心偏析嚴重的問題。由圖3可見，在連鑄工藝參數（比水量、拉速）恒定的條件下3號和2號的鋼水過熱度較高，出現了嚴重的中心縮孔、偏析問題，3號試樣的中心縮孔評級達到了2.0，這種缺陷對鑄坯的使用壽命和質量都會產生嚴重的影響。此外，這兩個試樣還出現了角部裂紋，這可能是因為脫方現象導致的。通常情況下，柱狀晶區域是裂紋常發地區，斷裂基本沿著晶界延展的。

在鋼水過熱度和拉速恒定的條件下，如表2所示，為試樣成分偏析與二冷比水量的關系以及缺陷評級。如圖4所示，試樣元素偏析指數在不同二冷比水量條件下的結果，圖5為低倍缺陷所示，為缺陷評級、中心碳偏析以及工藝條件。

圖5 低倍檢驗結果

由表2可知，在在鋼水過熱度和拉速恒定的條件下，隨著二冷比水量的增加，試樣偏析指數有所下降。可見，隨著冷卻強度的增加，隨著鑄坯凝固速率的增加，枝晶生成速度加速，這個過程中會有大量的細密枝晶洗出，最終形成密集的枝晶骨架，對晶體沉淀引起的偏析起到了一定的阻礙作用，降低了緩慢凝固溶質量，對中心偏析起到了抑制作用。

如圖5所示，試樣的中心缺陷受二冷比水量的增加而未發送明顯惡化，但是4號試樣在取樣過程中鋼水過熱度較高，還存在明顯的中心缺陷。于是，在實驗過程中對矯直溫度進行了測量，在實驗的過程中的該溫度均高于試樣的理論矯直溫度，說明二冷比水量的提高還存在一定的空間。

通過上述研究，可將二冷比水量調整為0.72L/kg，在其他連鑄工藝恒定的條件下，研究試樣碳偏析與拉速的關系，結果如表3所示。由此可見，5號試樣的產生的中心偏析和缺陷較為嚴重，這是因為5號試樣工況下，拉速較低，導致二冷區域內的鑄坯停留時間變長，鑄坯過冷多導致。6號試樣的中心缺陷明顯降低，且偏析指數為1.09，可見，在該工況下的鋼坯質量較好。

表3 工藝條件及結果

2.2 工藝優化

通過上述實驗可知，SWRH382B預應力鋼的中心縮孔和中心偏析與鋼水過熱度、拉速、二冷比水量有很多關系，因此筆者提出SWRH382B預應力鋼的整體優化方案，如表4所示。

表4 優化方案

3 結論

綜述所示，SWRH382B預應力鋼的質量控制可通過增加拉速、提高比水量以及降低鋼水過熱度來改善；當鋼水過熱度較大時，匹配和優化二冷比水量和拉速可有效降低鑄坯的中心偏析和中心縮孔缺陷。因此，通過本實驗將工藝優化為：將鋼水過熱度控制在20℃以下。如果中間包過熱度恒定的情況下，比水量可以拉速進行優化匹配，比水量為0.72L/kg，拉速為1.76m/min。