矩形坯輕壓下對(duì)82B內(nèi)部質(zhì)量影響

高永彬  曽  杰

摘  要：為了確定斷面180×240mm矩形坯高碳鋼 82B輕壓下安裝位置，利用有限元軟件ProCAST建立了連鑄過(guò)程凝固傳熱模型。在不同拉速和比水量下，利用射釘和現(xiàn)場(chǎng)紅外測(cè)溫驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。82B現(xiàn)場(chǎng)輕壓下結(jié)果表明：輕壓下顯著改善鑄坯V形偏析；高碳鋼鑄坯中心平均C偏析指數(shù)由壓下前的1.17降低到1.07；輕壓下鑄坯中心縮孔和中心疏松都得到了明顯改善，中心疏松級(jí)別均≤1.5級(jí)，中心縮孔≤0.5級(jí)比例達(dá)到了90%。

關(guān)鍵詞：輕壓下; 高碳鋼; 矩形坯; 中心偏析; 中心疏松; 縮孔

高碳鋼在凝固過(guò)程中易形成中心偏析、中心疏松、縮孔等內(nèi)部缺陷。輕壓下通過(guò)在連鑄坯凝固末端附近施加壓力產(chǎn)生一定的壓下量阻礙枝晶間富集偏析元素的鋼液流動(dòng)從而消除中心偏析，同時(shí)補(bǔ)償連鑄坯的凝固收縮量以消除中心疏松、縮孔。凝固末端輕壓下技術(shù)降低板坯、大方坯中心偏析和縮孔效果顯著，國(guó)內(nèi)外很多鋼廠均采用該技術(shù)。但輕壓下技術(shù)在中小斷面方坯上應(yīng)用較少，因而本項(xiàng)工作研究了輕壓下技術(shù)對(duì)斷面180mm×240mm矩形坯高碳鋼82B內(nèi)部質(zhì)量的影響。

合適的壓下位置為正確運(yùn)用輕壓下技術(shù)的前提，必須根據(jù)固相率選擇合適的壓下區(qū)間，如果壓下位置超前，中心偏析將在后續(xù)的凝固過(guò)程中繼續(xù)產(chǎn)生；如果壓下位置滯后，中心偏析已經(jīng)形成，不但不能減少中心偏析和中心疏松，還可能增加內(nèi)部裂紋。本研究首先進(jìn)行射釘試驗(yàn)，測(cè)定目標(biāo)點(diǎn)液芯寬度，并在射釘位置紅外測(cè)溫。然后用ProCAST軟件建立凝固傳熱模型，用射釘和紅外測(cè)溫驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用凝固模型確定82B的輕壓下安裝位置，最后檢測(cè)輕壓下對(duì)連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量如中心偏析、中心疏松和縮孔影響。

1 射釘試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在矩形坯斷面180mm×240mm連鑄機(jī)澆鑄高碳鋼82B時(shí)進(jìn)行，在拉速分別為1.0m/min、1.1m/min及二冷比水量分別0.9L/kg、0.5L/kg的條件下，用射釘方法確定液芯尺寸，利用射釘試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，從而確定合適的安裝位置。

將射釘鑄坯低倍侵蝕后觀察，在鑄坯中心區(qū)域，射入鑄坯的釘子或有小段熔化，或射釘邊緣有熔化的現(xiàn)象，相應(yīng)射釘位置附近的鑄坯組織結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了變化，將射釘熔化或邊緣熔化及附近鑄坯組織出現(xiàn)變化的區(qū)間定為鑄坯液芯區(qū)域。82B射釘結(jié)果如表1所示，其中方案1、3為從矩形坯上表面射釘，方案2為從矩形坯側(cè)面射釘。  

表1 82B射釘結(jié)果

 Table 1 Pin-shooting results

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 凝固傳熱模型建立

2.2  模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證連鑄坯凝固模型的準(zhǔn)確性，在表1所示的三個(gè)方案下進(jìn)行紅外測(cè)溫，測(cè)溫點(diǎn)距彎月面9.73m。不同方案下計(jì)算鑄坯表面溫度和實(shí)測(cè)鑄坯表面溫度如圖2所示。由圖2可以看出，三種方案模擬鑄坯表面溫度和實(shí)測(cè)表面溫度最大相差14℃，考慮紅外測(cè)溫過(guò)程的誤差，可認(rèn)為在允許的范圍內(nèi)。

計(jì)算得到鑄坯不同方案射釘位置處液芯寬度如圖3所示。從圖3可以看出，鑄坯液芯為橢圓形，圖中直線表示液芯寬度。模擬計(jì)算液芯寬度和射釘實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，模型計(jì)算的液芯寬度和實(shí)測(cè)液芯寬度存在一定的偏差，但是考慮模擬計(jì)算和射釘過(guò)程中存在的誤差，我們認(rèn)為計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合。

表2 模擬坯殼厚度與實(shí)測(cè)液芯寬度

Table 2 Comparison of liquid core width between calculation and measuring

3 輕壓下安裝位置

輕壓下安裝位置的確定國(guó)外學(xué)者做了相關(guān)研究。浦項(xiàng)鋼鐵YIM等人研究指出，最優(yōu)壓下區(qū)間為中心固相率0.4～0.8，最優(yōu)壓下率0.5～0.76mm/m。Park等人研究指出，250mm×330mm方坯的最優(yōu)壓下區(qū)間為中心固相率0.3～0.8，最優(yōu)壓下率為 1.2mm/m，最優(yōu)壓下量為6mm。Ralf T和Klaus H對(duì)尺寸為150mm × 150mm D72C鋼進(jìn)行輕壓下試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高碳鋼在中心固相率0.2～0.9區(qū)域內(nèi)實(shí)施壓下，壓下量為10mm，壓下率為2.8mm/m時(shí)，能有效降低中心碳偏析級(jí)別和抑制V形偏析的形成。參考以上文獻(xiàn)，本研究斷面180mm×240mm矩形坯82B壓下區(qū)間固相率設(shè)定為0.3～0.9。

前面分析可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較好，可以利用凝固模型計(jì)算輕壓下安裝位置。不同方案下82B凝固過(guò)程固相率隨著距彎月面距離的變化如圖4所示。由圖4可以看出，壓下區(qū)間固相率范圍fs=0.3-0.9，考慮到考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中拉速以及比水量的變化（拉速1.0-1.1m/min，比水量0.5-0.9L/Kg），確定82B矩形坯安裝位置范圍為8.3m-11m。實(shí)際安裝過(guò)程中，結(jié)合連鑄機(jī)設(shè)備以及輕壓下裝置具體情況，前后位置會(huì)有一定調(diào)整。

4 高碳鋼82B輕壓下應(yīng)用效果

在斷面180mm×240mm矩形坯上進(jìn)行了高碳鋼82B輕壓下試驗(yàn)，確定中等斷面矩形坯輕壓下的應(yīng)用效果。從鑄坯橫截面低倍評(píng)級(jí)、縱向V形偏析以及中心碳偏析指數(shù)三方面對(duì)矩形坯82B輕壓下效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。鑄坯橫向低倍對(duì)比圖片如圖5所示。圖5(a)為未輕壓下鑄坯低倍，可以看出，鑄坯中心疏松、縮孔明顯；圖5(b)為輕壓下后鑄坯低倍圖，可以看出，輕壓下鑄坯中心疏松部分改善，縮孔半徑明顯減小。矩形坯82B縱向低倍對(duì)比圖片如圖6所示。圖6(a)為未輕壓下縱向圖片，可以看出，矩形坯中心區(qū)域存在粗大連續(xù)的縮孔，同時(shí)能看到V形偏析，V形偏析為枝晶間富集溶質(zhì)鋼液向鑄坯中心流動(dòng)通道；圖6(b)為輕壓下縱向圖片，可以看出，鑄坯V形偏析幾乎消除，同時(shí)，中心縮孔明顯減少。以上對(duì)比分析可以看出，輕壓下改善82B鑄坯橫向低倍、縱向V形偏析效果顯著。由圖6（b）還可看出，輕壓下后的鑄坯產(chǎn)生較多的中間裂紋，試驗(yàn)結(jié)果表明，輕壓下產(chǎn)生的中間裂紋在熱軋盤條時(shí)可以全部軋合，對(duì)82B線材產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)影響。

分別取10塊鑄坯檢測(cè)中心碳含量，計(jì)算平均碳偏析指數(shù)和最大碳偏析值，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，輕壓下之后，鑄坯中心碳偏析得到明顯改善，平均碳偏析指數(shù)由未壓下的1.17降到1.07；最大碳偏析指數(shù)由未壓下的1.41降到1.15。

取試驗(yàn)條件下鑄坯，分別進(jìn)行中心疏松和縮孔評(píng)級(jí)，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果。鑄坯的縮孔評(píng)級(jí)如圖8所示。由圖8可以看出，輕壓下鑄坯的縮孔得到顯著改善，鑄坯縮孔等級(jí)均不高于1.0級(jí)，且0.5級(jí)及以下比例達(dá)到了90%。鑄坯的中心疏松評(píng)級(jí)如圖9所示。由圖9可以看出，輕壓下之后，鑄坯的中心疏松也得到了一定的改善，輕壓下鑄坯中心疏松級(jí)別均不大于1.5級(jí)；中心疏松1級(jí)比例由未壓下的55%提高到77%。

5 結(jié)論

(1) 利用ProCAST建立了高碳鋼斷面180mm×240mm矩形坯的凝固傳熱模型，射釘試驗(yàn)和紅外測(cè)溫驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。凝固模型計(jì)算得到輕壓下安裝位置為距彎月面8.3-11m。

(2) 高碳鋼82B矩形坯應(yīng)用輕壓下后，中心碳偏析得到顯著改善。鑄坯V形偏析基本消除，中心平均C偏析指數(shù)由原來(lái)的1.17降低到1.07，最大碳偏析指數(shù)由未壓下的1.41降到1.15。

(3) 輕壓下改善82B縮孔和中心疏松效果明顯，鑄坯縮孔≤0.5級(jí)比例達(dá)到了90%，中心疏松均不大于1.5級(jí)，中心疏松1級(jí)比例由未壓下的55%提高到77%。