改善小方坯彈簧鋼中心碳偏析的實踐

孫光濤  桂仲林  王向紅

（中天鋼鐵第三煉鋼廠，江蘇常州 21300）

摘  要：結合中天鋼鐵股份有限公司第三煉鋼廠3#連鑄機的生產實際，優化二冷比水量和結晶器電磁攪拌電流強度改善160 mm × 160mm 的60Si2MnA 彈簧鋼方坯中心碳偏析，結果表明：比水量為1.0 L /kg；結晶器電磁攪拌強度為300 A/3 Hz 時中心碳偏析指數達到最小值1. 04，且鑄坯的中心偏析指數波動更小。

關鍵詞：彈簧鋼；小方坯；結晶器電磁攪拌；二冷比水量；中心碳偏析

Improvement of Spring steel billet center

carbon segregation

Sun Guangtao, Gui Zhonglin, Wang Xianghong

(Zenith Steel No.3 Steelmaking Plant, Changzhou 213000, Jiangsu, China)

ABSTRACT：With the practical production situation of the billet caster in No.3 Steelmaking Plant of Zenith Steel Group Co., Ltd, Optimization of secondary cooling water ratio and M-EMS to improve the center carbon segregation of 160-by-160mm 60Si2MnA spring billet steel. The results showed that optimized parameters of M-EMS was current of 300A, frequency of 3HZ and secondary cooling water ratio was1.0 L /kg, the central carbon segregation index of 60Si2MnA spring billet steel was minimum as 1.04. and the center carbon segregation fluctuation was also lower

KEY WORDS：Spring steel, Billet, M-EMS, Secondary Cooling Water Ratio; Central carbon segregation

60Si2MnA鋼是應用于汽車懸架彈簧的高檔彈簧用鋼，懸架彈簧在汽車行駛過程中，承受高頻往復壓縮運動，工作環境惡劣，對所用彈簧鋼質量要求很高，由于60Si2MnA碳含量高，具有液相和固相間的溫度區間較大、糊狀區寬的特點，在小方坯連鑄過程中鑄坯中心易形成嚴重的碳偏析，且在后期的加熱、軋制過程中難以消除，對熱軋盤條的機械性能產生不利影響，導致線材在拉拔過程產生杯錐狀斷裂^[1]。利用結晶器電磁攪拌和提高二冷比水量是目前改善小方坯鑄坯中心碳偏析的重要手段^[2]。

目前中天鋼鐵生產的160 mm × 160mm 的60Si2MnA 彈簧鋼中心碳偏析控制1.08~1.17，用戶在拉拔過程中出現杯錐狀斷裂，針對此情況，通過現場試驗研究了結晶器電磁攪拌工藝參數及二冷比水量對鑄坯中心碳偏析的影響，確定了最佳的工藝參數，改善了彈簧鋼小方坯心部質量。

1 試驗取樣方法

中天鋼鐵第三煉鋼廠生產60Si2MnA彈簧鋼線材生產工藝流程：KR→120t轉爐→LF精煉→RH真空處理→CCM連鑄→線材軋制，表1為小方坯連鑄機主要參數；現場試驗在60Si2MnA 鋼中間包過熱度小于30 ℃條件下，調整連鑄二冷比水量和結晶器電磁攪拌電流參數，對不同條件下生產出的鑄坯樣進行中心碳偏析及低倍缺陷檢測。取350mm縱剖鑄坯連續截取8片20 mm厚的小方坯鑄坯，冷酸浸后用5 mm 的合金鉆頭取樣，如圖1 所示，鉆取鑄坯凝固中心( 縮孔位置) 或幾何中心及4 基點1、2、3、4 位置鋼屑，根據公式( 1) 計算中心碳偏析指數。用1∶1鹽酸水溶液80 ℃保溫30 min 侵蝕鑄坯，根據YB /T 4002-1991 對低倍缺陷進行評級。

表1  連鑄機主要技術參數

Table 1  Main parameters of continue casting machine

圖1  鑄坯橫向低倍樣切割示意圖和鉆屑五點法示意圖

Fig.1Schematic diagram of horizontal low sample cutting of slab and Drilling chip five point method

（1）

2結果討論與分析

2.1 比水量對中心碳偏析的影響

在相同拉速、電磁攪拌參數條件下，比水量由原來的0.4 L /kg提高至1.0 L /kg，檢測鑄坯表面質量與中心偏析情況，提高比水量后現場鑄坯轎直溫度降低50℃左右，酸洗低倍個別流次角部發現一段很淺的“發紋”，以及角部對面的鑄坯面部也有一段“發紋”，結果見圖2所示。 “發紋”的深度很淺，平時在其它鋼種表面也發現類似“發紋”，試驗鑄坯表面拋丸后表面和角部沒有發現明顯缺陷，初步判斷對表面質量影響不大。為做好跟蹤將強冷鑄坯單獨組坯進行軋制，跟蹤軋制和盤條取樣，表面沒有發現明顯缺陷。

圖2典型低倍 “發紋”

Fig.2 The typical of continuous casting low-fold "hairline"

提高比水量后鑄坯中心碳偏析結果如圖3所示，通過圖3 可以看出，提高比水量后中心碳偏析指數有明顯改善，偏析指數由原來的1.17降至1.08，但隨著比水量進一步加大中心碳偏析指數有上升趨勢。這是因為雖然小方坯鑄坯二冷比水量增強有利于抑制碳元素的擴散富集，減輕中心碳偏析，但同時強冷也會促進柱狀晶生長發達，柱狀晶搭橋會阻礙凝固末期液態鋼水補縮，加劇中心縮孔的形成，致使中心碳偏析有增加的風險^[3-4]。

圖3 二冷比水量對中心碳偏析的影響

Fig.3 Effect of secondary cooling water ratio on center carbon segregation

2.2 結晶器電磁攪拌對中心偏析的影響

結晶器電磁攪拌有利于把初期凝固核心帶向中心，提高鑄坯等軸晶率，從而降低中心碳偏析和中心縮孔。因此，適當提高結晶器電攪能力是有利于降低中心碳偏析指數。但結晶器電攪也是一把“雙刃劍”，太強電磁攪拌在改善鑄坯內部質量的同時，會增加結晶器卷渣、耐材浸蝕等負面影響。對于結晶器電攪參數的選取，一般要求磁場強度范圍450~600GS，斷面小的取上限，斷面大的取下限。由于磁場需要穿過厚厚的銅管，一般都要求頻率小于5HZ，低頻率的磁場穿透性強^[5-6]。

在保持二冷比水量與拉速不變條件下開展增大結晶器電磁攪拌參數試驗，結晶器電攪由250A/5HZ提高到300A/3HZ，結果如圖4所示，從圖中可以看出隨著結晶器電磁攪拌強度的增加鑄坯中心碳偏析指數有所改善由原來的1.14降低至1.10。結合提高比水量試驗條件下提高結晶器電磁攪拌參數，鑄坯中心碳偏指數進一步降低，結果如圖5所示，在比水量1.0L/kg、結晶器參數300A/3HZ時鑄坯中心碳偏析指數到達最小值1.04，相比原工藝參數，鑄坯中心碳偏析指數波動較小。

圖4 結晶器攪拌強度對中心平均碳偏析的影響

Fig.4Effects of M-EMS on carbon segregation

圖5 不同比水量、結晶器電磁攪拌對中心平均碳偏析的影響

Fig.5  Effects of secondary cooling water ratio and M-EMS on carbon segregation

3 結論

（1）在相同的工藝條件下，隨著二冷比水量增加，中心碳偏析指數先降低后增加，當比水量增加至1.0L/Kg時鑄坯中心碳偏析指數1.08。

（2）在只提高結晶器電磁攪拌參數的情況下，隨著結晶器電磁攪拌強度的增加鑄坯中心碳偏析指數由1.14降低至1.10。

（3）同時提高二冷比水量與結晶器電磁攪拌參數后，在二冷比水量1.0L/kg、結晶器參數300A/3HZ時鑄坯中心碳偏析指數到達最小值1.04，相比原工藝參數，鑄坯中心碳偏析指數波動較小。

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