二次冷却强度对180 mm×180 mm断面SWRH82B钢中心碳偏析的影响

唐以宁，杨仁强，徐 雷

（芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽 芜湖241000）

随着冶金行业不断发展，线材的成分、纯净度及组织均匀性控制技术均已得到了长足的进步，其中连铸机二次冷却强度能影响高碳钢碳偏析理论基本达成共识[1]。但因各企业的生产工艺路线及连铸机的工装设备不尽相同，冷却强度工艺对不同断面连铸机的适应性较差。国内某钢厂采用180 mm×180 mm断面连铸机生产SWRH82B等高碳钢，按照传统连铸机断面分类方法，该台连铸机断面尺寸既不属于小断面又不属于大断面。目前该厂SWRH82B钢连铸冷却强度设计主要考虑了铸坯的表面质量，但未考虑铸坯中心碳偏析的控制，随着产品市场的不断拓宽，线材中心网碳问题越发突出，铸坯中心碳偏析严重，中心碳偏析指数最高达1.25。基于此，本文结合该厂SWRH82B钢生产工艺，重点研究不同二次冷却强度对180 mm×180 mm铸坯中心碳偏析的影响。

1 实验材料及分析方法

1.1 实验材料

选取180 mm×180 mm的SWRH82B钢铸坯在其他工艺条件相同的条件下进行冷却强度工艺试验，其中SWRH82B钢的工艺流程为：120 t转炉—120 t精炼炉—180 mm×180 mm小方坯连铸机。试验所取SWRH82B钢铸坯的化学成分：w（C）为0.80%，w（Si）为0.22%，w（Mn）为0.83%，w（Cr）为0.22%，w（P）为0.013%，w（S）为0.005%。

1.2 分析方法

本文采用纵截面V型偏析通道上钻样取点的方式分析不同冷却强度对中心碳偏析的影响。

对连铸坯SWRH82B钢的浇铸过程进行跟踪，钢液浇注完成后，在长铸坯上沿拉坯方向截取350 mm的铸坯样，沿中心面进行纵切。试样切去完毕后采用Φ5 mm的合金钻头进行钻孔取样，每块试样共取15点，其中1—10表示通道处10点，01—05为非通道处5点，如图1所示。并依据公式计算出各点碳偏析指数，其中Ri表示点的碳偏析指数，Ci表示点的碳含量，C0表示连铸熔炼碳成分。

图1 碳元素含量的取样位置

2 试验结果与分析

2.1 强冷工艺对中心碳偏析影响

2.1.1 强冷工艺方案设计

本文设计强冷工艺思路是采取拉速不变，增大二冷比水量方式增加冷却强度，拉速不调整的目的主要是考虑到拉速对铸坯的液芯位置改变较大，如果调整拉速势必会影响末端电磁搅拌的作用。在实际工艺设计过程还需兼顾管道等工装件的最大水流量。下页表1为常规拉速下不同比水量下各冷却区域喷嘴水流量。

从表1可知，二冷比水量增加到1.9 L/kg实际总水量增量趋势明显降低，且各区域的流量基本达到峰值，故二冷比水量最大取值为1.8 L/kg。

表2 不同比水量下各冷却区域水流量

2.1.2 结果与分析

在相同的工艺参数下，分别试验了不同比水量（1.0 L/kg、1.2 L/kg、1.5 L/kg、1.8 L/kg）对中心碳偏析的影响。比水量不断的增大，通道处中心碳偏析指数并未发生明显的变化。文献研究[2]指出，V型偏析主要发生在铸坯中心等轴晶区，随着等轴晶率的不断降低，V型偏析区不断减小，因此对比比水量1.0 L/kg、1.8 L/kg条件下纵剖面V型偏析宽度。两种工艺条件下V型偏析的宽度均为50 cm，说明两种工艺条件下等轴晶的比例相同。

为验证试验结果的准确性，在相同工艺参数下再次各试验1炉二冷比水量为0.7 L/kg、1.8 L/kg条件下强冷工艺，每种工艺取5块试样并按照文1.2所示的通道处取点方式进行取点分析。二冷冷却强冷对180 mm×180 mm断面的中心碳偏析影响不明显。对不同工艺条件下铸坯的二次枝晶臂间距进行测量。随着比水量增加，距离铸坯表面40 mm后，凝固枝晶间距基本相同，由此说明增大二冷比水量对铸坯中心位置凝固进程基本无影响。同时通过模拟发现随着比水量的增加，二次冷却区域结束处的液芯区域比例相近，如图9所示。这说明不同二冷比水量会导致180 mm×180 mm断面铸坯皮下一定位置的冷却速率存在差异，但铸坯中心区域冷却速率趋于一致，加大比水量对大断面铸坯中心区域的冷却速率的提高贡献不大。富集溶质随着凝固过程的进行向中心流动，但由于中心较大区域的冷却速率趋于一致，二次枝晶臂间距相近，渗透率相近，中心碳偏析受二冷强度增加的影响不大。

2.2 弱冷工艺对中心碳偏析影响

2.2.1 弱冷工艺方案设计

本文设计强冷工艺思路是采取拉速不变，减少二冷比水量方式降低冷却强度。经现场实际摸索发现，比水量低于0.4 L/kg时二冷各区喷嘴铺展性明显变差，因此本文设计的弱冷工艺比水量最低为0.4 L/kg。

2.2.2 结果与分析

在相同的工艺参数下，分别试验了不同比水量（0.4 L/kg、0.5 L/kg）对中心碳偏析的影响。采用二次冷却弱冷的方式，中心碳偏析指数基本控制在1.2以下，较强冷工艺，二次冷却弱冷工艺可以一定程度上降低中心碳偏析指数。

为验证试验结果的准确性，在相同工艺参数下再次各试验1炉二冷比水量为0.4 L/kg、0.5 L/kg条件下弱冷工艺，每种工艺取5块试样并按照文1.2所示的通道处取点方式进行取点分析。结果表明，弱冷工艺在一定程度上降低中心碳偏析，但仍不能完全满足中心碳偏析控制要求。其主要原因是在电磁搅拌的作用下，弱冷工艺虽导致二次枝晶臂间距更大，但等轴晶比例却明显增加。等轴晶生长随机性较大，难以形成像柱状晶那样的熔体流动通道，能够有效地减轻中心偏析。但是弱冷工艺又会加重凝固过程中的选分结晶，导致高溶质成分在中心区域聚集，又会进一步加重中心碳偏析[3]。基于上述的实验分析，单纯采用调整二次冷却强度来控制180 mm×180 mm断面铸坯中心碳偏析的可能性较小，需借助其他辅助方式共同解决180 mm×180 mm断面铸坯中心碳偏析，如铸坯在线压下、连铸其他生产工艺优化等方式。

3 结论

1）从铸坯纵截面来看，180 mm×180 mm方坯中心碳偏析呈现V型偏析通道区上的碳元素偏析程度明显高于非通道区。

2）增大二次冷却强度对180 mm×180 mm断面中心碳偏析控制影响不明显，主要是由于冷却强度不能改变中心区域冷却速率，铸坯中心区域仍是自由选分结晶的状态。

3）降低二次冷却强度对180 mm×180 mm断面中心碳偏析控制有一定的效果，但仍不能完全满足中心碳偏析控制要求，主要是由于等轴晶生长随机性较大，难以形成像柱状晶那样的熔体流动通道，能够有效地减轻中心偏析。但是弱冷工艺又会加重凝固过程中的选分结晶，导致高溶质成分在中心区域聚集，又会进一步加重中心碳偏析。

4）180 mm×180 mm断面坯型适合采用弱冷以增加等轴晶的比例，同时应采用压下或者其他工艺的技术进一步降低中心碳偏析。