張 奇，吳時(shí)恒

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.上海世界外國(guó)語(yǔ)中學(xué)，上海 200233)

0 前言

連鑄坯在凝固過(guò)程中容易形成中心偏析和中心疏松等缺陷，將引起鋼材的一系列問(wèn)題，如鋼材的延展性能、焊接性能以及抗氫致裂紋等。隨著用戶對(duì)連鑄坯質(zhì)量要求的日益提高，中心偏析和中心疏松已經(jīng)成為生產(chǎn)高端產(chǎn)品的一個(gè)重要制約因素。動(dòng)態(tài)輕壓下是當(dāng)前國(guó)際上正在大力發(fā)展的連鑄新技術(shù)，其在改善甚至消除連鑄坯的中心偏析和中心疏松，提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量具有十分顯著的效果。為了充分發(fā)揮連鑄機(jī)動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)在提高高錳鋼鑄坯內(nèi)部質(zhì)量方面的作用，對(duì)其輕壓下工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究有著極其重要的作用。

1 中心偏析形成機(jī)理和輕壓下原理

在連鑄坯的凝固過(guò)程中，由于凝固過(guò)程選分結(jié)晶(即高熔點(diǎn)成分先結(jié)晶，低熔點(diǎn)成份后結(jié)晶)的作用，使樹(shù)枝晶間的鋼液富集了溶質(zhì)元素。與此同時(shí)，鑄坯鼓肚和凝固收縮等造成的內(nèi)部空穴抽吸力，以及輥?zhàn)拥牟粚?duì)中和輥?zhàn)幼冃涡纬傻闹芷谛詮?qiáng)弱擠壓等造成了枝晶間殘余液相的流動(dòng)，這些流動(dòng)都會(huì)引起凝固前沿和枝晶間富集溶質(zhì)元素的鋼液不斷向連鑄坯中心附近流動(dòng)并凝固，從而形成了鑄坯溶質(zhì)含量中心高、周圍低的分布狀態(tài)，即形成嚴(yán)重的宏觀偏析。

綜上所述,改善中心偏析的最佳方法就是減弱因各種因素導(dǎo)致的凝固末期的鑄坯內(nèi)液相的流動(dòng)，阻止枝晶間殘余高溶質(zhì)元素鋼液的流出。

輕壓下原理就是通過(guò)在連鑄坯凝固末端附近施加適當(dāng)壓下力，從而產(chǎn)生一定的壓下量來(lái)消除凝固收縮產(chǎn)生的空隙，防止枝晶間富集溶質(zhì)元素的鋼液沿連鑄坯厚度方向向中心流動(dòng)，同時(shí)，所產(chǎn)生的擠壓作用還可以促進(jìn)液芯中富集溶質(zhì)元素的鋼液沿拉坯方向反向流動(dòng)，使溶質(zhì)元素在鋼液中重新分配，起到改善中心偏析的作用。

2 工業(yè)試驗(yàn)條件和方法

連鑄坯凝固末端枝晶結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)大量理論研究，輕壓下合理壓下區(qū)間大約為鑄坯中心固相率0.3～0.7的位置，該值和鋼的成分、連鑄坯斷面及生產(chǎn)設(shè)備有關(guān)，一般都是根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正而得。

本試驗(yàn)鋼種高錳鋼，鋼種代號(hào)為5546，成分如表1所示，試驗(yàn)的壓下位置和壓下量等參數(shù)如表2所示。根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)計(jì)劃，在拉速達(dá)到試驗(yàn)條件并穩(wěn)定30 min，取1塊鑄坯并記錄。待鑄坯冷卻后用火焰切割機(jī)在鑄坯頭部切割厚度為20 mm的試樣塊，并用機(jī)床對(duì)試樣切割面進(jìn)行機(jī)加工，其加工量大于10 mm，然后對(duì)試樣的加工面進(jìn)行酸腐蝕，得到枝晶組織圖，根據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄坯凝固組織缺陷進(jìn)行宏觀檢測(cè)。

圖1 連鑄坯凝固末端枝晶結(jié)構(gòu)示意圖

表1 鋼種成分

表2 輕壓下試驗(yàn)參數(shù)

3 輕壓下工藝參數(shù)的優(yōu)化研究

3.1 鑄坯的低倍酸腐蝕檢驗(yàn)

對(duì)表2試驗(yàn)參數(shù)條件生產(chǎn)的鑄坯通過(guò)酸腐蝕進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，包括鑄坯的中心偏析等級(jí)、中心疏松等級(jí)、中心裂紋等級(jí)和中間裂紋等級(jí)。

表3 鑄坯的低倍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 壓下區(qū)域?qū)χ行钠龅挠绊?/h3>

在上述試驗(yàn)中，試驗(yàn)1～3拉速均為1.1 m/min、總壓下量為3 mm，但是二者壓下位置不同，1號(hào)試驗(yàn)壓下位置為fs=0.3～0.7區(qū)域，2號(hào)試樣壓下位置為fs=0.2～0.6區(qū)域，3號(hào)試樣壓下位置為fs=0.3～0.8區(qū)域，三者實(shí)際對(duì)應(yīng)扇形段的壓下結(jié)果如表2所示。本文對(duì)三者的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究壓下區(qū)域?qū)χ行钠龅葍?nèi)部質(zhì)量的影響。

從表3可以得知，在拉速和總壓下量相同的情況下，1號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)結(jié)果明顯比2號(hào)試驗(yàn)結(jié)果好。對(duì)比表2可以看出，1號(hào)和3號(hào)主要在扇形段5壓下了2 mm，而2號(hào)主要在扇形段4壓下了2 mm，由此可以得出，2號(hào)試驗(yàn)壓下位置靠前即壓下過(guò)早，這時(shí)由于鑄坯中心液芯厚度偏大，壓下量所產(chǎn)生的擠壓效果沒(méi)有使鑄坯中心鋼液中高濃度溶質(zhì)元素均勻擴(kuò)散，隨著鑄坯進(jìn)一步凝固，在鑄坯中心出現(xiàn)中心偏析現(xiàn)象。因此，合適的壓下區(qū)域?yàn)閒s=0.3～0.8，并且主要壓下量在固相率為0.3～0.8的后半?yún)^(qū)域。

3.3 壓下率分布對(duì)中心偏析的影響

在4、5、6號(hào)試驗(yàn)中，拉速均為1.3 m/min，總壓下量為4 mm，但三者壓下率分布不同。由表3可以得出，在拉速、壓下位置和總壓下量均相同的情況下，不同壓下率分布對(duì)鑄坯中心偏析影響很大。圖2給出了三者壓下率的分布，由圖2可以看出，4號(hào)試驗(yàn)在壓下區(qū)域內(nèi)，壓下率平均分配，大約為1 mm/m；5號(hào)試驗(yàn)在壓下區(qū)域內(nèi)，壓下率在扇形段5內(nèi)為1.5 mm/m，進(jìn)入扇形段6減小為0.5 mm/m；而6號(hào)試驗(yàn)與5號(hào)試驗(yàn)正好相反，壓下率在扇形段5內(nèi)為0.5 mm/m，進(jìn)入扇形段6增大為1.5 mm/m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按偏析嚴(yán)重程度從大到小的排序?yàn)椋?號(hào)>4號(hào)>6號(hào)。即壓下率先大后小時(shí)，出現(xiàn)了相對(duì)較嚴(yán)重的中心偏析，而壓下率平均分配時(shí)，中心偏析較前者有明顯改善；而壓下率先小后大時(shí)，中心偏析效果最好。

圖2 壓下率分布

這是因?yàn)?，在壓下區(qū)域內(nèi)，若壓下率先大后小，即前面扇形段壓下量大于后面相鄰扇形段的壓下量，則會(huì)阻礙鋼液中高濃度溶質(zhì)元素向前流動(dòng)擴(kuò)散的通道，使之不能重新溶解，進(jìn)而在鑄坯中心形成偏析。因此，通過(guò)上述試驗(yàn)分析可以得出，在壓下區(qū)域內(nèi)，最佳的壓下率分布為壓下率先小后大，逐步增加。

3.4 拉速對(duì)中心偏析的影響

在1號(hào)和7號(hào)試驗(yàn)中，壓下率分布相同，壓下量相同，但是二者拉速不同，前者為1.1 m/min，后者為1.3 m/min。如圖3所示為二者在厚度方向上各位置處的偏析指數(shù)。由圖3可見(jiàn),在輕壓下參數(shù)相同的情況下，拉速為1.1 m/min的1號(hào)試驗(yàn)鑄坯的偏析指數(shù)均相對(duì)較小, 其中心最大正偏析比分別為1.05；而拉速為1.3 m/min的7號(hào)試驗(yàn)鑄坯的偏析指數(shù)比較嚴(yán)重，其中心最大正偏析比為1.4。由此可見(jiàn)，低拉速有助于降低連鑄板坯中心偏析，可以獲得較好的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。這是由于隨著拉速的增大，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間變短，不能及時(shí)消除鋼液過(guò)熱度，導(dǎo)致鑄坯液芯延長(zhǎng)，這樣一方面推遲了等軸晶的形核和長(zhǎng)大，擴(kuò)大了柱狀晶區(qū)，易發(fā)生凝固搭橋現(xiàn)象；另一方面由于坯殼相對(duì)較薄，增加鑄坯發(fā)生的鼓肚量，促進(jìn)了枝晶間富集溶質(zhì)元素的鋼液向中心流動(dòng)，因此加重了中心偏析。

圖3 偏析指數(shù)在厚度方向上的變化

從圖3可以看出6號(hào)試驗(yàn)在中心附近出現(xiàn)了0.93的負(fù)偏析，但整體偏析指數(shù)均在1附近0.05范圍內(nèi)波動(dòng)，中心偏析等級(jí)為C0.5。因此，相對(duì)1號(hào)試驗(yàn)，盡管拉速提高了0.2 m/min，但由于通過(guò)調(diào)整壓下率分布和壓下量，完全彌補(bǔ)了由于提高拉速而加重的鑄坯中心偏析，這樣可以在提高拉速的同時(shí)也保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高錳鋼輕壓下工藝的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)輕壓下最佳的壓下區(qū)域?yàn)楣滔嗦蕿?.3～0.8，并且該區(qū)域的后半部分為主要壓下位置；

(2)在拉速和壓下量一定是，在壓下區(qū)域內(nèi)，壓下率分布要逐步增加，這樣有助于溶質(zhì)元素的重新溶解，減小中心偏析；

(3)在輕壓下參數(shù)為一定時(shí)，提高拉速會(huì)有所增加中心偏析，但通過(guò)合理的壓下率分布和壓下量，仍能保證較好的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。