基于射釘實(shí)驗(yàn)對(duì)斷面大方坯連鑄40c凝固特性及鑄坯質(zhì)量的研究報(bào)告

1、-. z基于射釘實(shí)驗(yàn)對(duì)410mm530mm斷面大方坯連鑄40Cr凝固特性及鑄坯質(zhì)量的研究安航航1，韓傳基1，韓麗娜1，錢亮1，李博2，*彥輝31.中冶連鑄冶金技術(shù)研究院， 100028；2.新冶鋼煉鋼事業(yè)部轉(zhuǎn)爐分廠，*，435000;3. 科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，100083摘要：以新冶鋼410530mm斷面大方坯鑄機(jī)生產(chǎn)的40Cr為研究對(duì)象，采用射釘試驗(yàn)及酸浸低倍試驗(yàn)研究了40Cr的凝固過程，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)在線動(dòng)態(tài)二冷配水和輕壓下模型進(jìn)展了標(biāo)定。試驗(yàn)結(jié)果證明：結(jié)合射釘試驗(yàn)與離線大方坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型可有效地校正在線動(dòng)態(tài)二冷配水和輕壓下模型，并優(yōu)化二冷配水和凝固末端輕壓下工藝，顯著地提高

2、鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。關(guān)鍵詞：大方坯，射釘實(shí)驗(yàn)，凝固系數(shù)，鑄坯質(zhì)量Study on Solidification Characteristics and Slab Qualityof 40Cr of 410mm530mmBloom Continue Casting Based on Pin Shooting E*perimentAn Hanghang1, Han Chuanji1, Han Lina1, Qian Liang 1, Li Bo2,Sun Yanhui31.Metallurgical technology research institute of Beijing in CCTEC,Be

3、ijing 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 410530mm

4、alloy steel bloom caster producing in the New Yegang Co Ltd was studie by means ofpin 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 bined with offline transfer mathematical model on

5、the bloom solidification could revise online dynamic secondary cooling water and soft reduction systemeffectively and optimze secondary cooling water and soft reduction technology.Finally inner slab quality was improved significantly.Key Words:bloom, pin shooting test, solidification coefficient,sla

6、b quality1.前言40Cr鋼是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼之一，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性，其主要用于制造中速、中載的零件, 如機(jī)床齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸等機(jī)器零部件1。對(duì)于合金鋼大方坯連鑄機(jī)，生產(chǎn)大斷面高碳高合金鋼時(shí)，存在的主要問題是，鑄坯更易產(chǎn)生中心偏析與疏松缺陷，在后繼軋制過程中會(huì)嚴(yán)重影響鋼材的性能。降低鑄坯中心偏析和中心疏松目前較為成熟的技術(shù)有低過熱度澆注技術(shù)、結(jié)晶器和末端電磁攪拌技術(shù)以及凝固末端輕壓下技術(shù)等。其中，凝固末端輕壓下技術(shù)降低連鑄坯中心偏析和中心疏松效果最為顯著，作者簡(jiǎn)介：安航航1984-，男，*人，碩士研究生，工程師，在中冶連

7、鑄冶金技術(shù)研究院主要從事煉鋼連鑄工藝的研究。該技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外的許多鋼鐵企業(yè)廣泛采用；另外，連鑄機(jī)的液相穴長(zhǎng)度是連鑄機(jī)生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)，它直接決定了連鑄機(jī)拉速的合理程度，反映了鑄坯二次冷卻的狀況。同時(shí)，液相穴的長(zhǎng)度對(duì)連鑄機(jī)輕壓下工藝的制定和實(shí)施都有著重要意義，而通過射釘實(shí)驗(yàn)可以測(cè)量連鑄坯凝固坯殼厚度計(jì)算出綜合凝固系數(shù)和液相穴長(zhǎng)度，校正動(dòng)態(tài)二冷配水模型和輕壓下模型，優(yōu)化二冷配水工藝和凝固末端輕壓下工藝，從而進(jìn)一步提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。新冶鋼410mm530mm四機(jī)四流合金鋼大方坯連鑄機(jī)，是中冶連鑄自主設(shè)計(jì)目前國(guó)內(nèi)最大斷面的大方坯連鑄機(jī)，配備有結(jié)晶器電磁攪拌M-EMS、末端電磁攪拌F-EMS以及二冷

8、動(dòng)態(tài)配水和輕壓下技術(shù)。表1為鑄機(jī)的根本參數(shù)，由于如此大斷面的大方坯鑄機(jī)在國(guó)內(nèi)沒有先例，模型并沒有可以借鑒的經(jīng)歷，為了校驗(yàn)的凝固傳熱模型和為制定凝固末端輕壓下工藝提供依據(jù)，充分發(fā)揮鑄機(jī)先進(jìn)的冶金功能，本研究以典型鋼種40Cr為研究對(duì)象，利用射釘實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量凝固坯殼的厚度計(jì)算出綜合凝固系數(shù)和液相穴長(zhǎng)度。表1鑄機(jī)根本參數(shù)鑄機(jī)類型弧半徑流數(shù)斷面規(guī)格設(shè)計(jì)拉速范圍冶金長(zhǎng)度輕壓下區(qū)間拉矯機(jī)架數(shù)全弧型16.5m4410mm530mm0.380.54m/min35m17.4331.04m11臺(tái)表2 拉矯機(jī)位置拉矯機(jī)臺(tái)數(shù)距離結(jié)晶器彎月面距離m拉矯機(jī)320.13 拉矯機(jī)421.48 拉矯機(jī)522.83 拉矯機(jī)62

9、4.18 拉矯機(jī)725.53 拉矯機(jī)826.89 2.射釘實(shí)驗(yàn) 2.1 射釘實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)備及原理射釘法是將以硫?yàn)槭聚檮┑匿撫敁舸蛉腓T坯，在鑄坯相應(yīng)的位置取樣進(jìn)展分析，由于擊入鑄坯的鋼釘遇到液相鋼水被融化，在鑄坯的固相和液相區(qū)形貌不同，可以通過金相分析，酸洗后測(cè)量凝固坯殼的厚度，通過測(cè)量鑄坯坯殼厚度后可以將鑄坯在各種工況條件下的綜合凝固系數(shù)計(jì)算出來2。射釘系統(tǒng)由射釘槍、支座和擊發(fā)控制器組成，擊發(fā)時(shí)，控制器擊發(fā)撞針，撞針打在子彈的底火上，子彈撞擊射釘，射釘在子彈強(qiáng)大的沖擊動(dòng)能作用下攝入鑄坯。射釘槍的中部靠近前端的位置安裝射釘專用的鋼釘，鋼釘?shù)牟馁|(zhì)是60Si2Mn，鋼釘上沿著長(zhǎng)度方向在釘子的兩側(cè)有硫

10、槽，硫槽中有硫化鐵。硫槽的作用為:硫槽中的硫?yàn)槭聚檮?，隨射釘進(jìn)入鑄坯，并在鑄坯液相區(qū)擴(kuò)散，通過硫印檢驗(yàn)可以標(biāo)記出釘子的熔化位置，從而確定坯殼厚度。確定射釘?shù)奈恢?。在進(jìn)展低倍試樣的鋸、刨、磨的過程，確定釘子的位置，防止釘子因加工不當(dāng)被刨掉后找不到釘子的熔化位置。射釘?shù)膭?dòng)力由步槍的空包彈的火藥提供，子彈安裝在鋼釘?shù)暮蟛?，子彈由射釘槍的后部的激發(fā)器激發(fā)，射釘過程中要求射釘槍垂直于鑄坯外表，射釘槍的槍口到鑄坯外表的距離小于50mm，并且不接觸鑄坯外表。子彈火藥爆炸過程中，由于后坐力的存在，因此射釘槍必須用槍架進(jìn)展固定。試驗(yàn)中根據(jù)鑄坯的尺寸和射釘位置，選用了100200mm不等長(zhǎng)度的鋼釘。圖1 3#拉矯

11、機(jī)與4#拉矯機(jī)之間射釘槍及安裝支架液相穴的長(zhǎng)度可根據(jù)凝固定律3計(jì)算出來：公式1式1中：K鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)，mm/min1/2；L液相穴長(zhǎng)度，m；V拉速，m/min，d坯殼厚度，mm。綜合凝固系數(shù)可由上式計(jì)算：公式2式2中：D：凝固坯殼的厚度，mm；K：鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)，mm/min1/2；l：射釘位置距離結(jié)晶器彎月面的距離，m；V：拉速，m/min2.2 射釘實(shí)驗(yàn)方案選擇在第三和第四拉矯機(jī)之間距彎月面20.8m，第六和第七拉矯機(jī)之間距彎月面24.8m作為第一和第二射釘?shù)奈恢?。要求拉速穩(wěn)定，過熱度保證在25左右，采用弱冷方式。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論試樣經(jīng)過切割，加工刨磨，采用酸洗，為防止酸洗后的

12、鑄坯氧化，在鑄坯試樣取出后快速進(jìn)展照相，使用工具軟件處理圖像，并用測(cè)量工具量坯殼的厚度。圖2為酸洗后釘子在鑄坯中的形狀示意圖。av=0.43m/min，第一射釘位置b v=0.46m/min，第二射釘位置圖2酸洗后釘子在鑄坯中的形狀示意圖根據(jù)圖2的低倍組織，討論各種工況條件對(duì)大方坯的凝固坯殼的影響，射釘實(shí)驗(yàn)的澆注工藝條件如表3所示，表4為射釘實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。表3 射釘實(shí)驗(yàn)澆注的工藝條件鋼種過熱度()拉速m/min結(jié)晶器水量m3/h二冷比水量L/Kg內(nèi)外弧側(cè)面40Cr140.431201000.240Cr140.461201000.24表4 射釘實(shí)驗(yàn)結(jié)果鋼種距彎月面長(zhǎng)度L(m)拉速V(m/min)平

13、均坯殼厚度d(mm)液芯長(zhǎng)度m鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)Kmm/min1/240Cr20.80.4319025.427.340Cr24.80.4620027.327.2a拉速0.43m/minb 拉速0.46m/min圖5 40Cr鋼不同拉速的凝固歷程根據(jù)大方坯溫度場(chǎng)離線模擬軟件計(jì)算，由圖5可知， 對(duì)于410530mm斷面，拉速為0.43m/min時(shí)液芯長(zhǎng)度約為25m，拉速為0.46m/min時(shí)液芯長(zhǎng)度約為27m。通過對(duì)表4的實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果和圖5的模擬結(jié)果得出的凝固終點(diǎn)比照、兩者很接近，相差大約0.30.4m，通常的拉速情況下，凝固終點(diǎn)的判斷有0.30.4m的偏差，對(duì)生產(chǎn)影響不大，但是在拉速提高時(shí)采用模型

14、給的沒有經(jīng)過修正的凝固系數(shù)來計(jì)算凝固終點(diǎn)，存在著巨大的隱患。對(duì)本鑄機(jī)來說，具有動(dòng)態(tài)輕壓下，可能會(huì)影響到輕壓下的壓下位置，進(jìn)而影響輕壓下的效果。由于本斷面在國(guó)內(nèi)沒有先例，并沒有可以借鑒的經(jīng)歷，所以模型投入使用后，通過射釘試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)展了標(biāo)定和微調(diào)，圖6是標(biāo)定結(jié)果4。圖6根據(jù)射釘結(jié)果修正模型3.應(yīng)用效果試驗(yàn)比照了采用MEMS結(jié)晶器電攪+FEMS末端電攪和MEMS+FEMS+DSR動(dòng)態(tài)輕壓下兩種工藝配置時(shí)的低倍結(jié)果和C偏析結(jié)果包括光譜分析和化學(xué)分析)，其中鉆樣格式如圖7所示，C偏析指數(shù)如公式1所示C0取中包成分。圖7化學(xué)分析鉆樣示意圖 公式33.1鑄坯低倍1動(dòng)態(tài)輕壓下改善中心縮孔及中心裂紋如圖8所示

15、：根據(jù)GB/1979構(gòu)造鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，40Cr采用MEMS+FEMS工藝時(shí)無中心縮孔比例到達(dá)60%，中心縮孔0.5級(jí)比例25%，甚至出現(xiàn)中心縮孔3.0級(jí)，而采用MEMS+ FEMS+DSR工藝可以顯著改善鑄坯中心縮孔及伴生的中心裂紋，采用輕壓下后，無中心縮孔的比例提高到90%。圖8DSR改善40Cr中心縮孔及伴生裂紋橫2動(dòng)態(tài)輕壓下改善中心疏松如圖9所示：40Cr采用MEMS+FEMS工藝中心疏松1.5級(jí)比例85%，甚至出現(xiàn)中心疏松2.5級(jí)，采用MEMS+FEMS+DSR工藝可使中心疏松穩(wěn)定控制在1.0-1.5級(jí)。圖9DSR改善40CrMo中心疏松低倍結(jié)果3DSR消除V型偏析如圖10所

16、示：40Cr采用MEMS+FEMS工藝仍存在明顯點(diǎn)狀斷續(xù)中心線偏析和V型偏析，采用MEMS+FEMS+DSR工藝，中心線偏析和V型偏析變得不明顯。圖10 DSR改善40Cr V型偏析縱3.2光譜分析結(jié)果圖11是光譜分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從中可以看出：采用MEMS+FEMS工藝，40Cr中心C最大偏析指數(shù)的平均值保持在1.18水平，采用MEMS+FEMS+DSR工藝后，中心C最大偏析指數(shù)的平均值為1.08左右。圖11DSR改善40Cr中心C偏析橫4. 結(jié)論本文通過射釘實(shí)驗(yàn)和離線大方坯凝固傳熱數(shù)學(xué)模型研究了40Cr的凝固傳熱過程，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)在線動(dòng)態(tài)配水和輕壓下模型進(jìn)展校正，優(yōu)化動(dòng)態(tài)二冷配水和凝固末端輕壓下工藝，可得出以下結(jié)論：140Cr拉速在0.430.46m/min時(shí)得到鑄機(jī)綜合凝固系數(shù)K為27.3mm/min1/2，液相穴長(zhǎng)度約為25.427.3m。2采用動(dòng)態(tài)配水和凝固末端輕壓下技術(shù)可改善40Cr中心疏松、中心縮孔和伴生裂紋，以及使中心線偏析和V型