小方坯连铸生产优质高碳硬线钢的相关技术

    摘  要：本文主要介绍了欧洲部分炼钢厂和连铸设备制造商，为提高碳硬线钢小方坯内在质量所采用（或推荐）的连铸相关技术及其使用效果。

    关键词：小方坯  优质高碳钢  技术

1    前言

     由于高碳盘条，尤其是大规格（＞φ10.0mm）82B优质盘条，目前的市场售价远高于普通低碳盘条，且市场需求量在40万t左右。因此，国内许多冶金企业都将82B列为重点新品种开发计划，并陆续将产品投放市场，希望能争得一席之地，但现实与愿望有较大差距，即大部门企业生产的高碳盘条并没有得到国内线材制品厂家的认可，主要表现在质量水平满足不了线材制品厂家先进的装备和高档产品的要求，最终造成炼钢厂与线材制品厂之间质量异议不断或盘条降级使用，经济效益难于体现。造成这一问题的原因何在？客观地说，近年来，这些炼钢厂家在提高钢水的纯净度方面做了大量的工作，基本都配置了炉外精炼装置，钢水质量水平确实有了明显提高。因此分析，问题可能出在连铸方面，即与大部分炼钢厂采用的是小方坯连铸生产高碳钢工艺、相关的配套技术没有采用或应用不到位有关。

2    线材制品行业对优质高碳盘条的质量要求

    目前，国内线材制品企业使用大规格优质高碳盘条主要用于生产高强度、低松弛预应力钢丝和绞线等高档产品，生产过程中要求原料盘条不经热处理直接高速、连续、大压缩比冷拉拔成材，而且，这些高档产品大部分应用于高架（速）公路、大跨度桥梁、高层建筑、机场、隧道、水坝、电站等大呢感重要建设工程，因此，线材制品厂家对生产这类高档产品今的原料――高碳盘条的质量要求相当苛刻，具体要求：

    （1）[P]?[S]≤0.015%

    （2）∑[0]≤40ppm

    （3）非金属夹杂物尺寸＜20μm，且不能富集

    （4）盘条索氏化程度而且不能存在非正常组织

    否则，容易发生货盘条本身的力学性能达不到标准要求（主要是面缩或伸长）或盘条在连续拉拔过程中发生脆断或预应力钢丝和绞线产品的力学性能不符合标准风现象，最终引发质量异议。

3    通常高碳钢小方坯存在的主要缺陷及影响

    普通小方坯连铸机生产的高碳钢存在的致命缺陷主要是铸坯中心的碳偏析、疏松和缩孔以及非金属夹杂物富集，这是钢的凝固特性、钢种和铸机的条件所决定的。

3.1  中心碳偏析

    钢在凝固过程中，由于溶质中的各元素在固相和液相中溶解度不同，从而伴随凝固进行，固相中溶质的析出，使固液界面处液相中，溶质的浓度高于原来液相的溶质浓度，而伴随凝固过程的体积收缩促使浓液相向中心流动，最终形成中心偏析。高碳钢的中心碳偏析便是其突出的质量问题。

    同时，实践证明，连铸坯的断面形状、尺寸对铸坯中心的碳偏析有着较大的影响。一般铸坯中心有一正偏析区，而其周围有一负偏析区，假设正负偏析区达到平衡，则可导出

    C₀/C=1+（A_n?B_n/A_c?B_c-1）×（1-C_n/C₀）      （1）

式中：A?B―试样尺寸（mm）

     C_n――铸坯正常区域取样分析的碳含量（%）

     Cc――铸坯中心区域取样分析的碳含量（%）

     C――原始碳成分（%）

    有关冶金专家由（1）式计算出：

    高碳矩型坯（160×250mm）    C_o/C=1.14

    高碳小方坯（160×160mm）    C_o/C=1.45

    试验证：以上计算结果与实际解析结果基本一致，而且就一般而言，铸坯断面越小，碳偏析程度越大。

    从铁――碳相图中可以看出，过共析钢（C＞0.77%）在轧后缓冷过程中，沿奥氏体晶界将析出渗碳体，而渗碳体是一种硬而脆的相，如果盘条存在这种组织，重者盘条本身便没有塑性，轻者，盘条在拉拔受力过程中，由于此区域不变形将产生较大的应力集中，渗碳体由此将提前断裂形成微裂纹，随着盘条连续受力变形，裂纹进一步扩展，最终导致拉拔过程断丝。

    清除高碳盘条非正常组织――渗碳体的途径有两条。一是传统的方法，即盘条在拉拔前经热处理再结晶消除；二是目前普遍采用的方法，即通过轧后控冷技术控制渗碳体的析出。毫无疑问，传统的方法对于线材制品厂家来说是难于接受的。然而，根据现实生产经验，当钢的含碳量超过0.90%时，在现有的轧机轧后控冷能力下，要完全控制渗碳体不从奥氏体晶界析出几乎是不可能的，因此，要求高碳铸坯的中心碳偏析系数C₀/C＜1.10。

3.2  中心疏松和缩孔

    由于小方坯的凝固速度快、柱状晶发达，甚至往往出现穿晶结构，凝固前沿之间彼此搭接产出所谓的“搭桥”，从而组织或阻碍钢液进入，填充收缩，从而产生中心疏松或缩孔，而且经验表明，随着碳含量的增加，中心疏松程度也加重。

    相对而言，小方坯成材过程中变形量是小的，但在正常情况下，普遍认为小方坯在轧制过程中，中心疏松是能压合的，如果中心疏松严重甚至出现缩孔，加之若中心非金属夹杂物富集也严，中心疏松或缩孔是难于压合的。在盘条中体现内的是显微裂纹，这必将影响盘条的力学性能以及其随后的冷加工性能，即在受力过程中，裂纹将扩展，造成盘条或钢丝断裂。因此，要求优质高碳小方坯不能出现中心缩孔，而中心疏松≤0.5级。

3.3    非金属夹杂物富集

    客观地说，由于近年来大部分冶金企业重现了洁净钢的生产，相继增设了钢水炉外精炼装置，并采用全程保护浇注，但并不能完全消除，同时，如上所述，由于小方坯的凝固特性，很容易产生中心偏析，当然这也包括非金属夹杂物的偏析即富集，由于夹杂物严重破坏了钢基体的连续性，一旦受力将成为裂纹的发生源，这对盘条的拉拔性能来说是致命的。因此，线材制品企业对预应力钢丝或钢绞线生产用盘条中存在的非金属夹杂物尺寸要求小于20μm，且不允许其富集。

4    欧洲主要炼钢厂提高高碳小方坯质量所采用的相关技术极其效果

    小方坯中心的碳片次问题、疏松和缩孔问题、非金属夹杂物富集问题，完全消除是不可能的，但如果采用合理的相关技术，将这些问题减径是可能的。例如：目前欧洲许多炼钢厂采用的铸坯强冷技术、电磁搅拌技术及凝固终端轻压技术等等，实践证明是有效的。

4.1  强冷技术

    小方坯连铸机二冷采用强冷，可以使铸坯形成较好的中心等轴晶区，有利于控制中心偏析、疏松和夹杂物富集，据Coucast公司介绍，采用二冷强冷技术（2.5L/kg），小方坯可以做到：

C%	Cn/C	中心等轴晶比例（1%）
0.50-0.70	1.1	25
＞0.75	1.1	35

    目前，电磁搅拌技术已经成为一种控制铸坯 凝固组织，改善铸坯质量的常规手段而广为采用，电磁搅拌的最有益作用主要表现在降低中心偏析（包括夹杂物富集）和中心疏松方面，而根据电磁搅拌位置不同，发挥不同作用，目前电磁搅拌的位置可分为三段：

    （1）洁净器内安装电磁搅拌装置（M-Stirrer）

    晶界内安装电磁搅拌装置，其主要目的是促进钢液中夹杂物上浮，可以被保护渣吸收或易被捞除，从而进一步改善钢的清洁性。

    （2）二冷段安装电磁搅拌装置（S-Stirrer）

    二冷段安装电磁搅拌装置，其主要目的是改善凝固组织，即扩大铸坯中心等轴晶区域，从而减轻中心疏松和中心偏析。其基本原理是，在凝固过程中，通过搅拌钢水，使先期生长的柱状树状晶被破碎，与钢液混合在一起，随后将成为后期凝固的等轴晶的核心。同时，由于搅拌，将促进未凝固钢液流动，加强了对流作用，提高了固液相间的热传导，有利于消除残余过热度，这就减轻了凝固前沿的温度梯度，抑制了晶体的定向增长，从而有利于等轴晶的增长。

    （3）凝固终端安装电磁搅拌装置（F-Stirrer）

    凝固中断安装电磁搅拌装置，其目的主要是通过搅拌液心，促进高浓度钢液的对流，消除晶间的搭桥，从而减轻铸坯中心偏析和疏松。

    据意大利达涅利公司有关专家介绍，采用洁净器和凝固终端电磁搅拌，可减轻高碳小方坯中心偏析和疏松，例如在140-160mm²方坯连铸机上采用（M+F）搅拌可得到如下结果：

    （1）中心疏松减少80%

    （2）中心等轴结晶区＞40%

    （3）中心碳偏析系数 C_o/C≤1.10

4.3    凝固终端轻压下技术（Soft Reduction）

    所谓凝固终端轻压下，就是通过外加压力，将铸坯中心末期凝固前高浓度钢液挤出，从而减轻中心偏析的技术。

    对凝固终端轻压下技术的应用，尤其是小方坯连铸采用轻压下技术是否有效，目前仍看法不一，主要因为：一是小方坯连铸正确测出其终端凝固位置是很难的；二是压下良的设计也有相当难度。例如DMG公司有关专家认为，一般大方坯可采用电磁搅拌加轻压下技术能有效地控制中心偏析，而对100-160mm²的小方坯，采用电磁搅拌和强化冷却技术即可将中心偏析控制在较好水平。

    据德国蒂森RUHRORT钢厂的炼钢专家介绍，该厂大方坯（265×385mm）使用电磁搅拌（M+S）和轻压下装置，在130mm²初轧坯取样分析表明，可减轻中心碳偏析。

碳偏析系数	原状态	电磁搅拌	电磁搅+轻压下
Co/C	1.2/1.3	1.1/1.2	0.97/1.06

    但据意大利ABS钢厂的炼钢专家介绍，对高碳钢小方坯连铸采用电磁搅拌和轻压下技术，对减轻中心碳偏析均是有效的。例如从130-160mm²方坯上取样分析结果，不同条件下，其中心碳偏析情况为：

钢的碳含量	M	M+F	M+SR
C＞0.5%	1.12	1.08	1.06

5    结束语

    综合以上所述，普遍小方坯连铸机要生产出优质高碳硬线钢铸坯是很困难的，但根据欧洲的实践经验，小方坯连铸机如果采用如下技术：

    （1）二冷段强化冷却

    （2）洁净器、二冷段和凝固终点设置电磁搅拌装置

    （3）凝固终端轻压下

    高碳小方坯的主要缺陷――中心偏析和中心疏松均能得到有效控制，由此生产出来的高碳盘条，能够满足线材制品企业生产高强度、低松弛预应力钢丝或钢绞线的要求。此外，还需指出，在配置先进的技术装备的同时，还需配备一批高素质的管理者和操作者，才能真正生产出优质高碳铸坯。

    参考文献：

    [1]史宸兴，实用连铸冶金技术，北京冶金工业出版社，1998

    [2]天津天钢集团有限公司，欧洲考察报告，1998

　

    作者简介：潘贻芳，1961年8月出生，教授级高级工程师，天津天钢集团有限公司副总经理兼第二炼钢厂厂长。