高碳钢连铸坯碳偏析控制技术

贾建明

（河钢宣钢二钢轧厂，河北 宣化 075100）

高碳钢，如SWRH82B、C72DA等钢种，由于碳含量高，铸坯凝固过程易出现较严重的碳偏析现象，易造成盘条拉拔加工时断裂[1]。本文针对宣钢连铸坯生产的工艺特点，分析了影响铸坯碳偏析指数的因素，并逐一制定了有针对性的措施，提高了高碳硬线类产品的质量。

1 工艺流程及装备特点

1.1 工艺流程

河钢宣钢（以下简称宣钢）目前的高碳钢产品主要是以SWRH82B为代表的的预应力钢绞线产品和以C72DA为代表的胎圈钢丝产品。其生产工艺流程与设备如下：

铁水KR脱硫—150 t转炉（双渣）—LF精炼炉—2号连铸机（结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、150 mm2方坯）—二高线轧制。

1.2 装备特点

转炉出钢量达到195 t，1.8 m/min恒拉速条件下，连铸拉钢周期52 min；铸机为12机12流连铸机，流间距1 200 mm；连铸机初设装备有轻压下设备，配套矩管结晶器。对于高碳钢生产来说，装备的特点也就成为了碳偏析控制的难点，拉钢周期长浇铸过程温降大，平均10℃；流数多，流间距小，设备故障在线处理难度大。

2 降低高碳钢连铸坯C偏析的理论依据

2.1 精准的碳含量

一般以分配系数K来表征元素在液体和固体中溶解度差异。K值小，则为易偏析元素，常见元素的K值见表1。

表1 常见元素K值

由表1可见C元素强偏析的元素。因此若想减轻C元素的偏析程度，需在C元素含量可满足盘条性能要求的前提下，降低C元素含量，即要求做到C元素的精准控制[2]。

2.2 中包钢水过热度

中间包钢水的过热度是影响高碳钢等轴晶区大小的重要参数之一。生产过程中为了扩大铸坯内部等轴晶比例，抑制柱状晶的形成，可以采取中间包低过热度浇铸。中间包过热度较高时，铸坯内部柱状晶区域便会扩大，在中心产生柱状晶搭桥的概率相应增大，容易形成中心疏松和缩孔，同时铸坯内部会产生严重的中心偏析[3]。

2.3 适宜的二冷强度

合适的二冷强度对提高高碳钢的内部质量是有利的。比水量增加，中心碳偏析减轻。这是由于枝晶间距小，富集溶质所占的体积分数小，形成细密的枝晶结构，使枝晶间残余液相被枝晶网格阻隔不易流动，从而减小了中心偏析。但是二次冷却强度过大，铸坯坯壳快速冷却，坯壳内部液态区域向外传热效率有限，导致断面温度梯度增大，铸坯柱状晶区域扩大，易形成中心缩孔和裂纹等缺陷。

2.4 可发挥作用的凝固末端电磁搅拌

F-EMS搅拌固液两相区，通过电磁力打碎的树枝晶碎片可作为等轴晶的核心，增加两相区局部传热，消除搭桥，减轻树枝晶间富集溶质液体的流动，使心部偏析金属趋于均匀，同时产生较多的结晶核。这样能扩大等轴晶区、细化晶粒，形成较宽的细小等轴晶带，获得良好的铸坯内部质量。

3 针对性措施

3.1 精准控碳技术

3.1.1 干式除尘转炉高拉碳技术

为避免静电除尘器卸爆，干式除尘转炉普遍采用冶炼过程不起枪，一枪到底的吹炼方式，而宣钢铁水w（P）普遍在0.120%左右，若想实现高拉碳，必须实现过程起枪，进行双渣操作。

二次下枪过程中，CO+[O]=CO2的冶金反应进程最先进行，当熔池搅拌程度激烈发生时才会产生后继的冶金反应进程，[C]+CO2=2CO。即干式除尘转炉避开泄爆的核心机理是实现吹炼初期的弱搅拌。

实际操作中二次下枪后，首先采用氮气塞原理排除除尘管道内的气体，通过前烧期的氧气流量控制实现熔池弱搅拌，达到前烧期的φ（CO2）由发生逐步上升到15%、φ(CO)保持在小于3%的水平，即可避免卸爆的发生。前烧期熔池弱搅拌控制时CO2、CO及O2的含量对应关系如图1所示。

图1 前烧期气体含量对应关系

通过优化转炉装料和前期造渣制度，选择适宜的开吹枪位和流量，解决了留渣发前期烟气中CO上升较快，静电除尘器泄爆的难题；基于转炉供氧流量与转炉烟气中CO含量数学模型的建立，发明出干式除尘转炉二次下枪吹炼的方法；实现了干式除尘转炉双渣留渣操作零泄爆，吨钢白灰消耗降低5 kg，在确保终点低w（P）≤0.012%的同时，出钢w（C）达0.35%以上。

3.1.2 精炼精确控制出站C含量

精确控制精炼出站C含量，主要包括以下措施：

1）精1样取样时钢水温度确保1 520℃以上，严禁低于此温度取样，在吹氩点处取样，取样深度≥300 mm，确保精1成分具有代表性。

2）加合金、碳粉时，必须开大氩气4 min，并小氩气送电3 min后才可取样，出站w（C）控制精度±0.005%。

3）精2后不加任何渣料、合金料及脱氧剂，以保证钢水净化度。

4）软吹开始后，严禁补碳，避免钢包内钢水C含量不均，软吹必保20 min，软吹开始后严禁随意调整氩气量。

转炉高拉碳配合精炼精确控C措施，以SWRH 82B钢种为代表，精炼出站w（C）可精准控制在0.805%~0.815%之间，如图2所示。

图2 SWRH82B精炼出站C含量分布

3.2 全流程精确控温技术

3.2.1 钢包全程加盖技术

钢包的运行状态直接影响到冶炼工艺操作和钢水冶金质量，尤其是钢包的温度，而通过在钢包上实现全程加盖，辐射热损失可显著减少。由于目前二钢轧厂厂房布局的限制，二钢轧厂无法采用插齿式钢包加盖结构，因此开发了一种新型钢包全程加盖技术。具体设备包括：移动小车、电液推杆、卷扬装置、钢丝绳、定滑轮组、动滑轮组、车轮、轨道、包盖专用吊具、包盖。其加揭盖吊运原理为：电机、减速机、卷筒、定滑轮安装于移动小车上，移动小车通过电液推杆进行前后移动，包盖专用吊具通过传动装置和钢丝绳进行上下移动，从而实现专用吊具的上下前后移动进行包盖的加揭盖，专用吊具上下升降限位依靠安装于卷筒轴端的限位器控制。钢包加揭盖设备示意图如图3所示。

图3 钢包加揭盖设备

解决了由于现场空间限制不能使用传统插齿式钢包加盖设备的问题，开发了适合宣钢条件下的卷扬提升式钢包加盖技术，项目实施后，钢包加盖率完成率100%，浇铸过程钢水温降降低3℃。

3.2.2 开发温度查询系统

在原二级数据采集平台基础上，采用VS2010的C#编程语言，采用C/S模式，建立精炼温度查询系统和连铸钢水过热度和恒拉速管理系统，具有用户登陆、权限管理、温度管理、包况管理、温度报表管理等功，为降低过热度和实现恒拉速提供信息化管理平台。精炼温度查询系统和连铸钢水过热度管理系统界面图如图4。

图4 精炼温度查询系统界面

精炼温度管理查询系统连铸钢水过热度和恒拉速管理系统的开发，极大的方便了岗位操作人员随时了解各节点测温数据，可及时根据钢包情况及温度流变化趋势，精确调整精炼出站温度，从而严格控制过热度，保证恒拉速，降低铸坯偏析指数。生产高碳硬线时过热度按20～30℃，连铸机恒拉速率由之前的86%提升至95%。

3.3 连铸机设备升级改造

3.3.1 矩管结晶器改方管结晶器

之前2号连铸机生产高碳硬线系列钢种时，使用的结晶器铜管仍是开产时所设计的适用于动态轻压下的矩形铜管，铜管上口尺寸153 mm×157 mm，该铜管使用到后期极易出现铸坯脱方甚至漏钢现象，根据鼓肚理论，坯壳鼓胀，造成枝晶间富集溶质液体的流动，从而导致中心偏析。

因此，在2018年4月，将结晶器上口尺寸为153 mm×157 mm的矩管结晶器，全部更换为结晶器上口尺寸为152 mm×153 mm的方管结晶器。

改造完成后，铸坯外观形状规矩，未出现脱方、漏钢现象，铸坯内部质量也有所改善。使用矩管结晶器和方管结晶器生产的铸坯低倍如图5、图6所示。

使用矩管结晶器时，高碳钢碳偏析指数均值为1.12，更换为方管结晶器后，碳偏析指数下降至1.09，使用两种结晶器时铸坯碳偏析的分布情况如图7所示。

3.3.2 增加3段全水冷却

提高冷却强度，降低过热度，小方坯中心可以获得精细的显微组织，由于增大了冷却率，局部凝固次数减少，改善了宏观偏析。适当增大二冷比水量，会使二次枝晶间距减小，形成细密的枝晶结构，阻碍枝晶间残余液相的流动，从而降低中心碳偏析。

图5 矩管结晶器生产的铸坯低倍

图6 方管结晶器生产铸坯低倍

图7 使用两种结晶器时碳偏析的分布情况

将3段水流量分别设定为0，1.97 m3/h，3.3 m3/h，对应比水量分别为0.52 L/kg，0.63 L/kg，0.70 L/kg。对相应比水量条件下的铸坯凝固组织进行模拟，结果如下页图8所示。

由图8可知，随着比水量的提高，铸坯凝固组织柱状晶区增大，等轴晶区减小。对各比水量条件下的铸坯进行碳偏析分析，结果表明0.63 L/kg比水量下，铸坯碳偏析指数最小。各比水量条件下铸坯碳偏析的分布情况如下页图9所示。

碳偏析指数先降低后又上升。是因为增大二冷比水量，会使二次枝晶间距减小，形成细密的枝晶结构，阻碍枝晶间残余液相的流动，从而降低中心碳偏析。比水量由0.52 L/kg升至0.63 L/kg时，二次枝晶间距减小对中心碳偏析的改善作用要大于中心等轴晶区比例下降对中心碳偏析的不良影响，因而总体上呈现中心碳偏析下降的趋势；比水量由0.63 L/kg升至0.70 L/kg时等轴晶区二次枝晶间距减小所引起中心碳偏析的下降已不能满足中心等轴晶区比例下降造成中心碳偏析的增大程度，因而碳偏析情况又加剧。因此在当前的连铸工艺条件下，0.63 L/kg的二冷比水量是最佳的。

3.3.3 末搅线圈上移

利用Procast软件计算得知，在拉速1.8 m/min，比水量0.62 L/kg，过热度30℃时，在距弯月面6.4 m处，铸坯中心固相率为0.2，该位置最适合末搅线圈的安置，因此将末搅线圈位置由目前的距弯月面7.2 m处，上移800 mm。

图8 各比水量条件下的铸坯凝固组织模拟图

国内外专家研究发现，对于140~160 mm断面高碳钢小方坯，铸坯凝固前沿液芯一般厚度在35~55 mm时，末端电磁搅拌才能满足需要。模拟结果显示液芯厚度为50 mm，如图10所示。末搅位置上移后，进行射钉试验，实测液芯厚度为48 mm，如图11所示。

图9 各比水量条件下铸坯碳偏析分布情况

图10 液芯厚度模拟图

图11 液芯厚度实测图

以C72DA钢种为例，末搅线圈上移前和上移后铸坯内弧、中心、外弧处的C元素含量分布二维等高原位分析如图12所示，上移前，中心处w(C）最高0.82%，上移后，中心处w（C）最高0.77%由图可知末搅线圈上移后，C偏析程度减轻。

末搅线圈上移和增加3段水前后，铸坯的碳偏析分布情况如图13所示，可见末搅线圈上移和增加3段水的改造完成后，碳偏析指数由1.09下降至1.06。

图12 末搅线圈上移前后C元素含量分布

图13 末搅线圈上移和增加3段水前后，铸坯的碳偏析分布

4 结论

以上高碳钢连铸坯碳偏析控制措施实施后，高碳钢生产的各项指标均得到显著提高：

1）在确保终点低w（P）≤0.012%的同时，出钢w（C）达0.35%以上，以SWRH82B钢种为代表，精炼出站w（C）可精准控制在0.805%~0.815%之间。

2）生产高碳硬线时过热度按20~30℃，连铸机恒拉速率由之前的86%提升至95%。

3）经过实施结晶器由矩管改为方管，末搅线圈上移，增加3段冷却水等一系列优化措施后，高碳钢碳偏析指数从最初的1.12，下降至目前的1.06。

4）宣钢的SWRH82B硬线盘条产品在天津市场口碑良好，多家企业指定使用宣钢的产品；宣钢生产的C72DA，SWRH82A等产品每月稳定供应巨力集团、衡水永利等企业，并同巨力索具股份有限公司进行了战略合作签约，每月高碳硬线产量达到5万t以上。