莱钢轴承钢连铸方坯中心偏析的研究与对策电量仪器
时间：2022/07/19 20:52:23 编辑：
莱钢轴承钢连铸方坯中心偏析的研究与对策
莱钢轴承钢连铸方坯中心偏析的研究与对策 2011： 莱钢特钢厂采用的生产设备是一套从德国引进的50t超高功率电弧炉、50tLF精炼炉、60tVD真空脱气炉和3机3流合金钢连铸机，铸坯热送轧制成材，铸机为弧形连铸机，半径11m，两种铸坯断面分别为260mm×300mm和180mm×220mm。采用无氧化保护浇注，结晶器液面自动控制，结晶器振动为液压伺服驱动，二次气雾冷却，根据生产条件自动调节水流量，（M+F）–EMS复合式电磁搅拌（M为结晶器区，F为凝固末端，EMS为电磁搅拌）。 采用连铸生产轴承钢时，通过严格的无氧化保护浇注，不仅能获得较模铸更高的纯净度，达到较低的氧含量，同时还能获得较好的表面质量，但由于喷水强制冷却以及在连铸过程中凝固等特性，中心偏析成了最大的质量问题。为了解决该问题，本文对中心偏析形成的机理进行了研究分析，并提出了相应对策。 1. 中心偏析形成的机理 中心偏析形成的原因有各种不同的理论解释，每一种理论只能解释某些特征，不能完全说明问题，归纳起来主要有以下两种理论。 1.1 钢锭中心凝固理论 该理论认为，当浇注钢液碳含量超过0.45%（质量分数）时，即使是中等过热度的钢液也有柱状晶强烈增长的趋势，在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，当桥下面的钢液继续凝固时，得不到上部钢液的补充，下部区域就形成缩孔、疏松及中心偏析。 1.2 溶质元素析出与富集理论 该理论认为，铸坯从表壳到中心结晶过程中，由于钢中一些溶质元素（如碳、锰、硼、硫或磷）在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出的溶质元素扩散到尚未凝固的中心，即产生铸坯的中心偏析。 2. 影响中心偏析的因素 等轴晶率和鼓肚量是影响中心偏析的两个重要因素。随着等轴晶率（体积分数）增加和鼓肚量的减少，中心偏析会大大改善。 2.1 等轴晶率的影响因素 降低钢液过热度、采用电磁搅拌及弱冷是增加等轴晶率较为有效的方法。 2.1.1 过热度 过热度是决定等轴晶率大小的一个重要参数。过热度越低，断面上产生的等轴晶率就越大，从而偏析程度就越小。经过大量试验、检查和统计，等轴晶率与过热度的关系如图1所示。 图1 等轴晶率和过热度的关系 过热度低时，能提供大量的等轴晶核，生成等轴晶，阻止凝固前期柱状晶的形成，并生成由细小等轴晶组成的大面积等轴晶区。若过热度高，柱状晶区便扩大，甚至产生柱状晶搭桥现象，从而形成中心疏松或缩孔，随之产生严重的中心偏析。 2.1.2 电磁搅拌 实践证明，通过搅拌可以有效增加等轴晶区域宽度，不同的搅拌方式在同等过热度情况下等轴晶区域宽度明显不一样，如图2所示。通过搅拌使钢液产生运动，一方面溶解了凝固前沿的枝晶，使得液相穴底部变得宽大和圆滑，阻止了柱状晶生长和防止形成凝固桥，从而减少了小钢锭结构的形成，降低了中心偏析。另一方面通过增加钢液流动，提高了凝固相间的热传递，改善了传热效率，有利于降低过热度，减少凝固前沿的温度梯度，抑制了柱状晶的定向增大，因而促进了等轴晶的生成。但是电磁搅拌的效果会因为采用不同的搅拌方式而有一定的差别。日本神户制钢钢研所所长斋腾忠先生通过大量试验证明，对于改善中心偏析不同组合的电磁搅拌作用的程度（从小到大）是：F–EMS，S–EMS，M–EMS，（S+F）–EMS，（M+F）–EMS，（M+S+F）–EMS，其中S为二冷区。图3为不同的搅拌方法改善中心偏析的比较[3]。由于现在的结晶器已经比早期的安装位置往下做了偏移，所以目前普遍认为，轴承钢采用（M+F）–EMS组合式电磁搅拌最合适。 图2 不同方式电磁搅拌的等轴晶区域相对宽度与过热度的关系 图3 不同电磁搅拌方法改善中心偏析的比较 2.1.3 冷却强度 二冷强度过大，造成断面上温度梯度过大，会促进柱状晶的生长，减少等轴晶的比例，因此一般采用弱冷。 2.2 鼓肚的影响因素 因拉速太快、铸坯冷却太弱、夹辊开口度不准、对弧精度不高或辊子变形等因素会造成鼓肚，致使枝晶间富集溶质的钢液向液相穴芯部移动，形成中心偏析。因此，预防中心偏析，必须避免产生鼓肚。 2.2.1 拉速 一般来说，适当降低拉速对铸坯质量有利，尤其对大方坯连铸，可使铸坯在离开结晶器时，其坯壳有足够的厚度以承受内部钢液的静压力。否则，容易产生鼓肚。 对于断面和成分确定的铸坯来说，若增大拉速会使液相穴延伸，从而增加了搭桥和形成小钢锭结构的几率，致使铸坯中心组织粗大，并带有缩孔和轴向偏析。所以一般均希望得到较浅的液相穴，并使钢液易于补缩。为此也需要限制拉速。然而，过度限制拉速，又会影响铸机效率，因此应予综合考虑。 2.2.2 铸坯冷却强度 冷却不当，会造成凝固壳太薄，铸坯表面温度过高（＞1100℃）。铸坯在高温下强度很低，在液芯钢液静压力作用下，坯壳会发生蠕变从而产生鼓肚。然而，二冷强度又不宜过大，否则，断面上温度梯度过大，会促进柱状晶的生长。 2.2.3 辊子间距、刚性及对中精度鼓肚与辊子间距、辊子刚性及对中精度等关系密切。鼓肚量与辊子间距的四次方成正比，间距越大越容易鼓肚。另外，为减轻鼓肚，辊子要保持良好的刚性，防止变形，而且对中要好，要保持较高的精度。因此，缩小辊子间距，特别是调整辊列系统的对中精度和保持夹棍的刚性，对减轻鼓肚都十分有利。 3. 预防方坯中心偏析的对策 （1）控制过程温降，保证低过热度浇注。具体采取如下措施：①加快钢包周转，强化烘烤，提高包衬温度≥1100℃，实现红包受钢；②钢包永久层加砌新型耐火纤维绝热材料，与原来相比减少温降8℃；③保证较长的精炼时间，使包衬热饱和；④钢包加覆盖剂及包盖，减少热辐射；⑤严格中间包烘烤制度，并强化中间包密封性，保证红包受钢；⑥中间包加覆盖剂。 通过上述措施，中间包过热度控制在15～25℃，并且每包中钢液从开始浇注至结束温降程度＜5℃。 （2）通过水力学模型，优化中间包流场，设置合理的堰坝，降低离冲击点较近的钢流温度，使温度更趋于均匀。 （3）采用弱冷，比水率为0.20L/kg，减缓柱状晶生长速度。 （4）采用低拉速并保持恒定，拉速控制在0.50～0.60m/min，缩短了液相穴长度，降低了钢液过热度。 （5）采用（M+F）–EMS复合式电磁搅拌。 （6）夹辊采用42CrMo钢，保持辊子良好的刚性，防止变形，日常维护中常检查辊间距，防止鼓肚的产生。 （7）保持钢液成分合格的前提下，对一些易偏析元素如碳和锰等控制在中下限。 4. 措施实施的效果 实施上述措施，针对莱钢特殊钢厂生产的Cr15轴承钢260mm×300mm大方坯生产得到的产品进行中心碳偏析指数及轧材低倍组织的测定和检验。 4.1 中心碳偏析指数 （1）铸坯 从连铸坯上截取一段长200mm的样品，沿纵向中心线偏离3mm剖开，将厚的一半留下，用Φ5mm的钻头从离开端部50mm开始，每隔10mm钻6mm深孔，共取10个样品，将钻出的粉末混合均匀，用红外碳硫分析仪分析，所得值求平均。 （2）轧材 用Φ4mm的钻头，从Φ65mm的轧材中心上钻10mm深孔，将6个样品的粉末混合均匀，用红外碳硫分析仪分析，所得值求平均。随机抽取7炉铸坯数值，评定铸坯碳偏析指数为1.14，轧材为1.09。 4.2 轧材低倍组织 由检验结果可得，没有肉眼可见的中心偏析，Φ65mm以下的轧材按照YJZ–1984标准评定，其一般疏松、中心疏松及方形偏析满足其要求。 5. 结论 中心偏析通常受钢液成分、过热度、拉速、电磁搅拌和二冷强度等影响。采用降低过热度、增加电磁搅拌、减小拉速等方法以增加等轴晶率和减少鼓肚是改善轴承钢方坯中心偏析的有效方法。