基于射钉实验对410mm×530mm断面大方坯连铸40C凝固特性及铸坯质

基于射钉实验对410mm×530mm断面大方坯连铸40Cr凝固特

性及铸坯质量的研究

安航航1，韩传基1，韩丽娜1，钱亮1，李博2，孙彦辉3

（1.中冶连铸北京冶金技术研究院，北京 100028；2.新冶钢炼钢事业部转炉分厂，湖北黄石，435000; 3. 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京，100083）

摘要：以新冶钢410×530mm断面大方坯铸机生产的40Cr为研究对象，采用射钉试验及酸浸低倍试验研究了40Cr的凝固过程，并根据试验结果对在线动态二冷配水和轻压下模型进行了标定。试验结果证明：结合射钉试验与离线大方坯凝固传热数学模型可有效地校正在线动态二冷配水和轻压下模型，并优化二冷配水和凝固末端轻压下工艺，显著地提高铸坯内部质量。

关键词：大方坯，射钉实验，凝固系数，铸坯质量

Study on Solidification Characteristics and Slab Quality of 40Cr of 410mm×

530mm Bloom Continue Casting Based on Pin Shooting Experiment

An Hanghang1, Han Chuanji1, Han Lina1, Qian Liang 1, Li Bo2,Sun Yanhui3

（1.Metallurgical technology research institute of Beijing in CCTEC, Beijing 100028, China,2. Converter Plant Of Steel-making Division in the New Yegang CO LTD, Huangshi of Hubei province, 435000)3. Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 10083, China )

Abstract: Solidification characteristics of 40Cr 410×530mm alloy steel bloom caster producing in the New Yegang Co Ltd was studie by means of pin shooting and acid leaching test . Online dynamic secondary cooling water and soft reduction system was calibrated by test result.Test result showed pin shooting test combined with offline transfer mathematical model on the bloom solidification could revise online dynamic secondary cooling water and soft reduction system effectively and optimze secondary cooling water and soft reduction technology. Finally inner slab quality was improved significantly.

Key Words: bloom, pin shooting test, solidification coefficient, slab quality

1.前言

40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一，调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性，其主要用于制造中速、中载的零件, 如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴等机器零部件[1]。

对于合金钢大方坯连铸机，生产大断面高碳高合金钢时，存在的主要问题是，铸坯更易产生中心偏析与疏松缺陷，在后继轧制过程中会严重影响钢材的性能。降低铸坯中心偏析和中心疏松目前较为成熟的技术有低过热度浇注技术、结晶器和末端电磁搅拌技术以及凝固末端轻压下技术等。其中，凝固末端轻压下技术降低连铸坯中心偏析和中心疏松效果最为显著，

作者简介：安航航（1984-），男，陕西渭南人，硕士研究生，工程师，在中冶连铸北京冶金技术研究院主要从事炼钢连铸工艺的研究。

联系方式：15810117694,anhang333@163.com

该技术已被国内外的许多钢铁企业广泛采用；另外，连铸机的液相穴长度是连铸机生产中的一个重要参数，它直接决定了连铸机拉速的合理程度，反映了铸坯二次冷却的状况。同时，液相穴的长度对连铸机轻压下工艺的制定和实施都有着重要意义，而通过射钉实验可以测量连铸坯凝固坯壳厚度计算出综合凝固系数和液相穴长度，校正动态二冷配水模型和轻压下模型，优化二冷配水工艺和凝固末端轻压下工艺，从而进一步提高铸坯内部质量。

新冶钢410mm×530mm四机四流合金钢大方坯连铸机，是中冶连铸自主设计目前国内最大断面的大方坯连铸机，配备有结晶器电磁搅拌（M-EMS）、末端电磁搅拌（F-EMS）以及二冷动态配水和轻压下技术。表1为铸机的基本参数，由于如此大断面的大方坯铸机在国内没有先例，模型并没有可以借鉴的经验，为了校验的凝固传热模型和为制定凝固末端轻压下工艺提供依据，充分发挥铸机先进的冶金功能，本研究以典型钢种40Cr为研究对象，利用射钉实验的方法测量凝固坯壳的厚度计算出综合凝固系数和液相穴长度。

表1铸机基本参数

铸机 类型 全弧型 弧半径 16.5m 流数 4 断面规格 设计拉速范围 冶金 长度 35m 轻压下 区间 17.43～31.04m 拉矫机架数 11台 410mm×530mm 0.38－0.54m/min 表2 拉矫机位置

拉矫机台数 拉矫机3 拉矫机4 拉矫机5 拉矫机6 拉矫机7 拉矫机8

距离结晶器弯月面距离（m）

20.13 21.48 22.83 24.18 25.53 26.89

2.射钉实验

2.1 射钉实验方法、设备及原理

射钉法是将以硫为示踪剂的钢钉击打入铸坯，在铸坯相应的位置取样进行分析，由于击入铸坯的钢钉遇到液相钢水被融化，在铸坯的固相和液相区形貌不同，可以通过金相分析，酸洗后测量凝固坯壳的厚度，通过测量铸坯坯壳厚度后可以将铸坯在各种工况条件下的综合凝固系数计算出来[2]。

射钉系统由射钉枪、支座和击发控制器组成，击发时，控制器击发撞针，撞针打在子弹的底火上，子弹撞击射钉，射钉在子弹强大的冲击动能作用下摄入铸坯。射钉枪的中部靠近前端的位置安装射钉专用的钢钉，钢钉的材质是60Si2Mn，钢钉上沿着长度方向在钉子的两侧有硫槽，硫槽中有硫化铁。硫槽的作用为:

１）硫槽中的硫为示踪剂，随射钉进入铸坯，并在铸坯液相区扩散，通过硫印检验可以标记出钉子的熔化位置，从而确定坯壳厚度。

２）确定射钉的位置。在进行低倍试样的锯、刨、磨的过程，确定钉子的位置，防止钉子因加工不当被刨掉后找不到钉子的熔化位置。

射钉的动力由步枪的空包弹的火药提供，子弹安装在钢钉的后部，子弹由射钉枪的后部的激发器激发，射钉过程中要求射钉枪垂直于铸坯表面，射钉枪的枪口到铸坯表面的距离小

于50mm，并且不接触铸坯表面。子弹火药爆炸过程中，由于后坐力的存在，因此射钉枪必须用枪架进行固定。试验中根据铸坯的尺寸和射钉位置，选用了100~200mm不等长度的钢钉。

图1 3#拉矫机与4#拉矫机之间射钉枪及安装支架

液相穴的长度可根据凝固定律[3]计算出来：

（公式1）

式（1）中：K—铸机综合凝固系数，mm/min1/2；L—液相穴长度，m；V—拉速，m/min，d—坯壳厚度，mm。

综合凝固系数可由上式计算：

（公式2）

式（2）中：D：凝固坯壳的厚度，mm；K：铸机综合凝固系数，mm/min1/2；l：射钉位置距离结晶器弯月面的距离，m；V：拉速，m/min 2.2 射钉实验方案

选择在第三和第四拉矫机之间（距弯月面20.8m），第六和第七拉矫机之间（距弯月面24.8m）作为第一和第二射钉的位置。要求拉速稳定，过热度保证在25℃左右，采用弱冷方式。

2.3 实验结果及讨论

试样经过切割，加工刨磨，采用酸洗，为防止酸洗后的铸坯氧化，在铸坯试样取出后快速进行照相，使用工具软件处理图像，并用测量工具量坯壳的厚度。图2为酸洗后钉子在铸坯中的形状示意图。

a v=0.43m/min，第一射钉位置

b v=0.46m/min，第二射钉位置 图2 酸洗后钉子在铸坯中的形状示意图

根据图2的低倍组织，讨论各种工况条件对大方坯的凝固坯壳的影响，射钉实验的浇注工艺条件如表3所示，表4为射钉实验的结果。

表3 射钉实验浇注的工艺条件

钢种 过热度

(℃)

40Cr 40Cr

14 14

拉速 （m/min） 0.43 0.46

结晶器水量（m3/h） 二冷比水量 内外弧 120 120

侧面 100 100

（L/Kg） 0.2 0.24

表4 射钉实验结果

钢种 40Cr 40Cr

距弯月面长度L 拉速V

(m) 20.8 24.8

(m/min) 0.43 0.46

平均坯壳厚度d 液芯长度 铸机综合凝固系数K

(mm) 190 200

（m） 25.4 27.3

（mm/min）

27.3 27.2

1/2

a 拉速0.43m/min b 拉速0.46m/min

图5 40Cr钢不同拉速的凝固历程

根据大方坯温度场离线模拟软件计算，由图5可知， 对于410×530mm断面，拉速为0.43m/min时液芯长度约为25m，拉速为0.46m/min时液芯长度约为27m。通过对表4的实测计算结果和图5的模拟结果得出的凝固终点对比、两者很接近，相差大约0.3~0.4m，通常的拉速情况下，凝固终点的判断有0.3~0.4m的偏差，对生产影响不大，但是在拉速提高时采用模型给的没有经过修正的凝固系数来计算凝固终点，存在着巨大的隐患。对本铸机来说，具有动态轻压下，可能会影响到轻压下的压下位置，进而影响轻压下的效果。

由于本断面在国内没有先例，并没有可以借鉴的经验，所以模型投入使用后，通过射钉试验对模型进行了标定和微调，图6是标定结果[4]。

图6 根据射钉结果修正模型

3.应用效果

试验对比了采用MEMS（结晶器电搅）+FEMS（末端电搅）和MEMS+FEMS+DSR（动态轻压下）两种工艺配置时的低倍结果和C偏析结果（包括光谱分析和化学分析)，其中钻样格式如图7所示，C偏析指数如公式1所示（C0取中包成分）。

图7化学分析钻样示意图 CSI?Ci （公式3） C03.1铸坯低倍

1）动态轻压下改善中心缩孔及中心裂纹

如图8所示：根据GB/1979结构钢低倍组织缺陷评级标准，40Cr采用MEMS+FEMS工艺时无中心缩孔比例达到60%，中心缩孔0.5级比例25%，甚至出现中心缩孔3.0级，而采用MEMS+ FEMS+DSR工艺可以显著改善铸坯中心缩孔及伴生的中心裂纹，采用轻压下后，无中心缩孔的比例提高到90%。

图8 DSR改善40Cr中心缩孔及伴生裂纹（横）

2）动态轻压下改善中心疏松

如图9所示：40Cr采用MEMS+FEMS工艺中心疏松1.5级比例85%，甚至出现中心疏松2.5级，采用MEMS+FEMS+DSR工艺可使中心疏松稳定控制在1.0-1.5级。

图9 DSR改善40CrMo中心疏松低倍结果

3）DSR消除V型偏析

如图10所示：40Cr采用MEMS+FEMS工艺仍存在明显点状断续中心线偏析和V型偏析，采用MEMS+FEMS+DSR工艺，中心线偏析和V型偏析变得不明显。

图10 DSR改善40Cr V型偏析（纵）

3.2光谱分析结果

图11是光谱分析的统计结果，从中可以看出：采用MEMS+FEMS工艺，40Cr中心C最大偏析指数的平均值保持在1.18水平，采用MEMS+FEMS+DSR工艺后，中心C最大偏析指数的平均值为1.08左右。

图11 DSR改善40Cr中心C偏析（横）

4. 结论

本文通过射钉实验和离线大方坯凝固传热数学模型研究了40Cr的凝固传热过程，根据试验结果对在线动态配水和轻压下模型进行校正，优化动态二冷配水和凝固末端轻压下工艺，可得出以下结论：

（1）40Cr拉速在0.43~0.46m/min时得到铸机综合凝固系数K为27.3mm/min1/2，液相穴长度约为25.4~27.3m。

（2）采用动态配水和凝固末端轻压下技术可改善40Cr中心疏松、中心缩孔和伴生裂纹，以及使中心线偏析和V型偏析不明显，显著提高铸坯内部质量。

参考文献

[1] 陈淑玲. 40Cr钢强韧化处理后的力学性能[J].热处理,2005, Vo .l 20( 4): 48~ 49. [2] 川和高穗,佐藤秀树等,铁と钢,60(1974),206.

[3] 蔡开科, 程士富. 连续铸钢原理与工艺. 北京: 冶金工业出版社, 1994: 337~340. [4] 钱亮,韩丽娜，陶金明等410mm×530mm断面合金钢大方坯工程实践. 2012年全国炼钢-连铸生产技术会,2012

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