【技术文献】矩形坯轻压下对82B内部质量影响
矩形坯轻压下对82B内部质量影响
高永彬 曽 杰
摘 要：为了确定断面180×240mm矩形坯高碳钢 82B轻压下安装位置，利用有限元软件ProCAST建立了连铸过程凝固传热模型。在不同拉速和比水量下，利用射钉和现场红外测温验证了模型的准确性。82B现场轻压下结果表明：轻压下显著改善铸坯V形偏析；高碳钢铸坯中心平均C偏析指数由压下前的1.17降低到1.07；轻压下铸坯中心缩孔和中心疏松都得到了明显改善，中心疏松级别均≤1.5级，中心缩孔≤0.5级比例达到了90%。
关键词：轻压下; 高碳钢; 矩形坯; 中心偏析; 中心疏松; 缩孔
高碳钢在凝固过程中易形成中心偏析、中心疏松、缩孔等内部缺陷。轻压下通过在连铸坯凝固末端附近施加压力产生一定的压下量阻碍枝晶间富集偏析元素的钢液流动从而消除中心偏析，同时补偿连铸坯的凝固收缩量以消除中心疏松、缩孔。凝固末端轻压下技术降低板坯、大方坯中心偏析和缩孔效果显著，国内外很多钢厂均采用该技术。但轻压下技术在中小断面方坯上应用较少，因而本项工作研究了轻压下技术对断面180mm×240mm矩形坯高碳钢82B内部质量的影响。
合适的压下位置为正确运用轻压下技术的前提，必须根据固相率选择合适的压下区间，如果压下位置超前，中心偏析将在后续的凝固过程中继续产生；如果压下位置滞后，中心偏析已经形成，不但不能减少中心偏析和中心疏松，还可能增加内部裂纹。本研究首先进行射钉试验，测定目标点液芯宽度，并在射钉位置红外测温。然后用ProCAST软件建立凝固传热模型，用射钉和红外测温验证模型的准确性，利用凝固模型确定82B的轻压下安装位置，最后检测轻压下对连铸坯内部质量如中心偏析、中心疏松和缩孔影响。
1 射钉试验
本次试验在矩形坯断面180mm×240mm连铸机浇铸高碳钢82B时进行，在拉速分别为1.0m/min、1.1m/min及二冷比水量分别0.9L/kg、0.5L/kg的条件下，用射钉方法确定液芯尺寸，利用射钉试验结果来验证数学模型的正确性，从而确定合适的安装位置。
将射钉铸坯低倍侵蚀后观察，在铸坯中心区域，射入铸坯的钉子或有小段熔化，或射钉边缘有熔化的现象，相应射钉位置附近的铸坯组织结构也出现了变化，将射钉熔化或边缘熔化及附近铸坯组织出现变化的区间定为铸坯液芯区域。82B射钉结果如表1所示，其中方案1、3为从矩形坯上表面射钉，方案2为从矩形坯侧面射钉。
表1 82B射钉结果
Table 1 Pin-shooting results
方案 | 拉速 m/min | 过热度 ℃ | 比水量 L/kg | 射钉位置 m | 坯壳厚度 mm | 液芯宽度 mm |
1 | 1.0 | 28 | 0.9 | 9.73 | 82.5 | 15 |
2 | 1.0 | 16 | 0.5 | 9.73 | 90 | 60 |
3 | 1.1 | 19 | 0.9 | 9.73 | 75 | 30 |
2 数学模型
2.1 凝固传热模型建立
2.2 模型验证
为了验证连铸坯凝固模型的准确性，在表1所示的三个方案下进行红外测温，测温点距弯月面9.73m。不同方案下计算铸坯表面温度和实测铸坯表面温度如图2所示。由图2可以看出，三种方案模拟铸坯表面温度和实测表面温度最大相差14℃，考虑红外测温过程的误差，可认为在允许的范围内。
计算得到铸坯不同方案射钉位置处液芯宽度如图3所示。从图3可以看出，铸坯液芯为椭圆形，图中直线表示液芯宽度。模拟计算液芯宽度和射钉实测结果如表2所示。从表2可以看出，模型计算的液芯宽度和实测液芯宽度存在一定的偏差，但是考虑模拟计算和射钉过程中存在的误差，我们认为计算值和实测值基本吻合。
表2 模拟坯壳厚度与实测液芯宽度
Table 2 Comparison of liquid core width between calculation and measuring
方案1 | 方案2 | 方案3 | |
射钉液芯宽度/mm | 15 | 60 | 30 |
模拟液芯宽度/mm | 11.7 | 63 | 35.8 |
3 轻压下安装位置
轻压下安装位置的确定国外学者做了相关研究。浦项钢铁YIM等人研究指出，最优压下区间为中心固相率0.4～0.8，最优压下率0.5～0.76mm/m。Park等人研究指出，250mm×330mm方坯的最优压下区间为中心固相率0.3～0.8，最优压下率为 1.2mm/m，最优压下量为6mm。Ralf T和Klaus H对尺寸为150mm × 150mm D72C钢进行轻压下试验后发现，对于高碳钢在中心固相率0.2～0.9区域内实施压下，压下量为10mm，压下率为2.8mm/m时，能有效降低中心碳偏析级别和抑制V形偏析的形成。参考以上文献，本研究断面180mm×240mm矩形坯82B压下区间固相率设定为0.3～0.9。
前面分析可以看出，模拟结果和实测结果吻合度较好，可以利用凝固模型计算轻压下安装位置。不同方案下82B凝固过程固相率随着距弯月面距离的变化如图4所示。由图4可以看出，压下区间固相率范围fs=0.3-0.9，考虑到考虑实际生产过程中拉速以及比水量的变化（拉速1.0-1.1m/min，比水量0.5-0.9L/Kg），确定82B矩形坯安装位置范围为8.3m-11m。实际安装过程中，结合连铸机设备以及轻压下装置具体情况，前后位置会有一定调整。
4 高碳钢82B轻压下应用效果
在断面180mm×240mm矩形坯上进行了高碳钢82B轻压下试验，确定中等断面矩形坯轻压下的应用效果。从铸坯横截面低倍评级、纵向V形偏析以及中心碳偏析指数三方面对矩形坯82B轻压下效果进行了评价。铸坯横向低倍对比图片如图5所示。图5(a)为未轻压下铸坯低倍，可以看出，铸坯中心疏松、缩孔明显；图5(b)为轻压下后铸坯低倍图，可以看出，轻压下铸坯中心疏松部分改善，缩孔半径明显减小。矩形坯82B纵向低倍对比图片如图6所示。图6(a)为未轻压下纵向图片，可以看出，矩形坯中心区域存在粗大连续的缩孔，同时能看到V形偏析，V形偏析为枝晶间富集溶质钢液向铸坯中心流动通道；图6(b)为轻压下纵向图片，可以看出，铸坯V形偏析几乎消除，同时，中心缩孔明显减少。以上对比分析可以看出，轻压下改善82B铸坯横向低倍、纵向V形偏析效果显著。由图6（b）还可看出，轻压下后的铸坯产生较多的中间裂纹，试验结果表明，轻压下产生的中间裂纹在热轧盘条时可以全部轧合，对82B线材产品质量无影响。
分别取10块铸坯检测中心碳含量，计算平均碳偏析指数和最大碳偏析值，结果如图7所示。由图7可以看出，轻压下之后，铸坯中心碳偏析得到明显改善，平均碳偏析指数由未压下的1.17降到1.07；最大碳偏析指数由未压下的1.41降到1.15。
取试验条件下铸坯，分别进行中心疏松和缩孔评级，得到统计结果。铸坯的缩孔评级如图8所示。由图8可以看出，轻压下铸坯的缩孔得到显著改善，铸坯缩孔等级均不高于1.0级，且0.5级及以下比例达到了90%。铸坯的中心疏松评级如图9所示。由图9可以看出，轻压下之后，铸坯的中心疏松也得到了一定的改善，轻压下铸坯中心疏松级别均不大于1.5级；中心疏松1级比例由未压下的55%提高到77%。
5 结论
(1) 利用ProCAST建立了高碳钢断面180mm×240mm矩形坯的凝固传热模型，射钉试验和红外测温验证了模型的准确性。凝固模型计算得到轻压下安装位置为距弯月面8.3-11m。
(2) 高碳钢82B矩形坯应用轻压下后，中心碳偏析得到显著改善。铸坯V形偏析基本消除，中心平均C偏析指数由原来的1.17降低到1.07，最大碳偏析指数由未压下的1.41降到1.15。
(3) 轻压下改善82B缩孔和中心疏松效果明显，铸坯缩孔≤0.5级比例达到了90%，中心疏松均不大于1.5级，中心疏松1级比例由未压下的55%提高到77%。
来源：2017高效、低成本、智能化炼钢共性技术研讨会论文集
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