李亚倩连铸坯疏松及缩孔产生的原因有哪些-钢铁冶金

李亚倩连铸坯疏松及缩孔产生的原因有哪些-钢铁冶金

李亚倩
1 前言
某钢铁(集团)公司炼钢厂新建了一台1800mm板坯连铸机，设计铸坯规格为厚200mm、220mm、250mm，宽1400mm~1800mm。试运行期间生产了断面为250mm×1550mm的Q235、 Q345钢板坯，低倍组织检验结果中心偏析和中心疏松较严重。我们摘录了13个炉批号的低倍检验报告，进行对比检查，发现中心偏析一般为B2.5级，中心疏松为2级左右。当铸坯轧制成材后，做两个断面相互垂直的焊接试验时，在氧割或切口上出现局部分层。根据该厂生产实际情况，为尽可能减少中心偏析与中心疏松，生产高质量的铸坯，分析了中心偏析与中心疏松缺陷的形成原因，提出了具体的预防对策。
2 中心偏析与中心疏松形成原因
中心偏析是指钢液在凝固过程中，溶质元素在固液相中进行丙分配时，表现为铸坯中元素分布不均匀，铸坯中心部位的C、S、P等元素含量明显高于其它部位。在铸坯厚度中心凝固末端区域常表现为“V”偏析。中心疏松是指钢液在凝固末期，在铸坯厚度中心的枝晶间产生微小空隙。导致中心偏析和中心疏松产生的原因很多，且这两种缺陷往往相伴而生。
2.1 铸坯凝固组织中柱状晶过于发达
中心偏析和中心疏松形成机理之一是“凝固晶桥”理论，即铸坯凝固过程中，铸坯传热的不稳定性导致柱状晶生长速度快慢不一，优先生长的柱状晶在铸坯中心相遇形成“搭桥”，液相穴内钢液被“凝固晶桥”分开，晶桥下部钢液在凝固收缩时得不到上部钢水补充而形成疏松或缩孔，并伴随中心偏析。当凝固组织中柱状晶过于发达时，越容易形成“凝固晶桥”，铸坯中也越容易产生中心偏析和中心疏松。
2.2 钢液中易偏析溶质元素含量过高
中心偏析和中心疏松形成机理之二是钢液中易偏析溶质元素析出与富集理论，即铸坯从表壳往中心结晶过程中，钢液中的溶质元素在固液相界上具有溶解平衡移动，C、S、P等易偏析元素以柱状晶粒析出，排到尚未凝固的金属液中，随结晶的继续进行，这些易偏析元素被富集到铸坯中心或凝固末端区域，由此产生中心偏析和中心疏松。
2.3 坯壳发生鼓肚
中心偏析形成机理之三是空穴抽吸理论，即铸坯在凝固过程中若发生坯壳鼓胀，在铸坯中心就会产生空穴，这些空穴具有负压抽吸作用，使富集了溶质元素的钢液被吸入铸坯中心而导致中心偏析；在凝固末期由十液体向固体转变发生体积收缩而产生一定空穴，也使凝固末端富集溶质元素的钢液被吸入铸坯中心，导致产生中心偏析。因此，铸坯鼓肚量越大，中心偏析就会越严重。
3 中心偏析与中心疏松预防对策
由中心偏析与中心疏松形成原因分析，若能采取措施促进铸坯中心凝固组织等轴晶化，减少钢液中易偏析元素含量，控制铸坯鼓肚量，就可以减缓中心偏析和中心疏松的产生。
3.1 提高钢水纯净度
钢中含碳量与凝固组织关系密切，影响柱状晶和等轴晶的生长比率，必然对铸坯中心偏析和中心疏松的产生起决定性作用。有研究表明[1]，在其它条件相同的情况下对含碳量分别为0.3%、0.1%和0.6%的一种钢进行浇注，发现其柱状晶长度、中心偏析宽度和中心疏松空穴按含碳为0.3%~0.1%和0.6%的顺序依次增加。因此，必须提高转炉生产中碳的命中率，准确控制钢液中的碳含量。 钢液中S、P等是易偏析元素，它们在钢液中的含量和分布形态影响铸坯的中心偏析和中心疏松。通过冶炼洁净钢，如采用铁水预处理或钢包脱硫等技术，降低钢液中S、P等易偏析元素含量，提高钢水纯净度，可有效防止中心偏析和中心疏松的产生。
3.2 控制铸坯鼓肚量
控制铸坯鼓肚量，可以有效减缓中心偏析产生。铸坯鼓肚量的大小主要与二冷区辊间距、坯壳厚度、钢水静压力等有关。辊间距越小，坯壳越厚，钢水静压力越小，鼓肚量就越小。因此，在设计连铸机时，尽可能设计采用小辊径密排辊列布置，缩小辊间距；采用刚性多节辊，防止支承辊变形；连铸机不宜过高，以便于降低液相穴高度，减小钢水静压力；在生产中对二冷区夹辊需严格对弧。
3.3 控制浇注温度和拉坯速度
浇注温度是影响柱状晶生长的重要因素。浇注温度高，铸坯柱状晶发达：浇注温度低，铸坯等轴晶发达。因此，在不引起水口冻结的情况下，应尽可能采用低过热度浇注。在生产操作中，可根据各厂经验，对不同钢钟制定相应的钢水罐和中间罐目标过热度基准。国内某厂的经验是：在生产低碳钢([C]≤0.08%)时，钢水罐和中间罐内钢水标过热度最好分别控制在600℃、300℃之内；生产包晶钢和中碳钢(0.08%≤[C]≤0.30%)时，钢水罐和中间罐内钢水目标过热度最好分别控制在550℃、250℃之内。
拉坯速度也是影响柱状晶生长的重要因素。拉坯速度大，铸坯在结晶器内停留时间短，铸坯液芯延长，这不但推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，而且发生铸坯鼓肚的危险系数也增大。因此，在不影响产量的前提下，拉坯速度不宜过大。在生产实践中，需根据不同钢种在不同的操作模式(如开始浇注、快速更换中间罐、快速更换浸入式水口、更换结晶器保护渣、异钢种连浇时拉坯终了到拉坯开始过程、终止浇注等)下制定相应的控制标准。具体标准的设定可在生产中慢慢积累经验，也可以参照有成功生产经验的钢厂数据来设定。
3.4 优化二次冷却技术
二次冷却技术对铸坯的表面质量和内部质量有重要影响，中心偏析和中心疏松等缺陷的形成与之有紧密的联系。二次冷却技术包括二冷区分段、二冷区喷嘴选择及配置、喷水条件(如流量、压力)的确定等。
二冷区分段应根据连铸机的辊列排布，沿拉坯方向从上到下按各冷却段长度逐渐增加的原则划分，一般板坯连铸机为7~9个冷却段。
二冷区喷嘴结构决定了冷却水的水流密度分布、水滴速度和水滴直径。气-水喷嘴相对于压力水喷嘴，具有喷水流量调节范围大、冷却强度大、冷却均匀、不易堵塞等优点，但使用时消耗的动力较大。各种喷嘴都存在一个能维持其良好雾化性能的水量调节范围，因此，各二冷段喷嘴型号的选择及数量的确定应保证喷嘴的实际工作水量变化范围经常处于其正常的调节范围之内。
二次冷却水量、气量及压力，须根据铸坯规格、钢种、产品质量要求和生产经验来确定。二次冷却水量总的分配原则是沿拉坯方向从上到下逐渐减少，铸机内弧与外弧的总配水比约为2:3。对裂纹不敏感的钢种，二冷区上部强冷、下部缓冷；对裂纹敏感的钢种，二冷区从上到下全区缓冷；对内部裂纹比表面裂纹敏感的钢种，二冷区上部缓冷、下部强冷[2]。在连铸机的设计过程中，一般根据产品大纲中钢种的高温力学性能及其质量要求和铸坯规格设计相应的二冷水表。二冷水表的制定要保证冷却强度足够、冷却水量合理分配。若二冷强度不够，铸坯表面温度就会偏高，铸坯液芯加长，等轴晶区扩大，坯壳抵抗因钢水静压力引起的鼓肚变形能力减弱，会促进中心偏析和中心疏松的形成和扩展。有文献[5]研究某钢厂1350mm板坯连铸机的二次冷却制度时，发现从二冷段IV区出口到V区出口，铸坯表面温度回升幅度较大，导致坯壳抵抗鼓肚变形的能力下降，而且因热膨胀作用使得铸坯中心产生抽吸作用，加剧了中心偏析的严重程度。
3.5 采用电磁搅拌技术
连铸生产中的电磁搅拌技术，就是把按一定规律排列的线圈安装在连铸机某一部位，当给线圈中通定向电流时，会产生对钢水有强烈搅拌作用的定向电磁力。该电磁力推动铸坯坯壳内未凝固的钢液沿一定方向循环运动，破坏了钢液凝固组织中己形成的粗大的柱状晶，使晶粒细化；阻碍了柱状晶的进一步形成，增加了等轴晶率；改善了铸坯中心部位碳成分和硫化物等夹杂物分布不均的特点，增加了夹杂物相互碰撞和聚合的机会，使夹杂物尺寸增大易于上浮，以减缓中心偏析和中心疏松的产生。
在板坯连铸机上采用电磁搅拌技术，要使其充分发挥搅拌作用，显著降低中心偏析和中心疏松，需准确计算电磁搅拌装置的具体安装位置和铸坯中心的电磁推力大小。有研究表明[4]，电磁搅拌装置安装在钢水未凝固率为25%~40%范围内较合适，此时等轴晶率高；电磁推力控制在65mmFe~147mmFe范围内，搅拌效果较理想。
3.6 采用轻压下技术
轻压下技术，就是通过在连铸坯液芯末端附近施加均匀外力，使铸坯产生一定的压缩量，以补偿铸坯的凝固收缩量[6]。采用轻压下技术可消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动；同时轻压下所产生的挤压作用还可以促使液芯中富集溶质元素的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用。
连铸生产是一个连续动态的过程，因钢水温度、铸坯厚度、钢种、拉坯速度和喷水条件等因素不断变化，铸坯液芯的凝固位置也不断变化。静态轻压下技术要求铸坯凝固终点位置基本保持不变，需预先设定好轻压下区域，并调整好相应扇形段辊缝。为发挥轻压下的最佳效果，找准凝固点，轻压下技术的应用从静态发展到了动态。动态轻压下可根据拉坯速度变化、铸坯凝固终点的位置变化，对轻压下位置和压下量进行动态控制。VAI开发的动态轻压下系统由一个核心部分组成[7，8]：带有远程控制装置、4个位置调整液压缸的SMART扇形段，可在支撑框架上自动定位，驱动辊的升降由一个传动液压缸实现，夹紧由配有内装式位置变送器的4个位置液压缸完成。对SMART扇形段进行计算机远程控制的锥度自动调整ASTC系统，可根据不同钢种自动选择目标辊缝，自动调整开浇和出尾坯状态各扇形段的辊缝设定值；动态计算模型DYNACS系统，能根据实际水流量、拉坯速度、钢种和过热度，准确控制和确定铸坯的凝固点。VAI的动态轻压下技术己经在梅钢、武钢、芬兰的Rautaruukki和AvestaPolauit钢厂、意大利的ILVA钢厂、韩国的POSCO公司、奥地利的Voestalpinestahl钢公司以及美国的Bethlehem Steel钢公司成功投入使用，并且效果不错。
4 结语
影响铸坯中心偏析和中心疏松的因素很多，根据它们的形成原因，在设计和生产中可采取如下预防对策：
1)提高钢水纯净度，控制钢液中碳含量，降低S、P等易偏析元素含量。 2)连铸机设计成小辊径密排辊列、刚性多节辊等技术控制铸坯鼓肚量。
3)生产中控制浇注温度和拉坯速度，浇注温度不宜过高，拉坯速度不宜过大。
4)优化二次冷却技术，选择合适喷嘴，保证冷却强度足够、冷却水量合理分配。
5)采用电磁搅拌技术，把电磁搅拌装置安装在钢水未凝固率为25%~40%范围内的某一合适位置，电磁推力控制在65mmFe~147mmFe范围内。
6)采用成熟的动态轻压下技术。
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