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轻压下技术对连铸坯中心偏析的影响 |
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作者：田陆 周雄文 陈海云 鲁清远 张玲玲 来源：中国钢铁新闻网 |
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目前国内钢材普遍存在的问题是中心质量较差，而后续工艺也无法使在凝固过程中形成的中心缺陷得到较大的改善。绝大部分连铸坯受到现有冶炼设备及工艺的限制，其化学成分不稳定，导致连铸坯内部偏析、疏松、缩孔等缺陷严重，对产品强度、韧性等指标有很大影响。其中，中心偏析导致的危害尤为严重，例如，铸坯中心偏析区域出现在棒材或线材的中心，将会导致产品在热处理、中间退火过程中呈不均匀转变，并在下一步加工工序中出现脆性区和提前损坏，成为废品。
动态轻压下技术直接作用在连铸坯凝固过程中，能够极大地改善连铸坯的中心缺陷，减少铸坯中心偏析，生产高质量钢材。
中心偏析的形成原理
目前，经实践论证一致认为，中心偏析发生在凝固末端的固液两相区内，是由于两相区也就是溶质元素富集区的浓化液相流动造成的。凝固末端两相区分布如图1：
图1 凝固末端两相区分布图
由图 1可知，从液相区到坯壳，钢液杂质含量越来越大。A区凝固收缩引起的体积变化可以通过左端非浓化液相钢液来补充，B区的凝固收缩引起的体积变化由A区的浓化钢液来补充，C区凝固收缩的体积变化得不到钢液补充，因为C区的相邻枝晶互相“搭桥”阻碍了B区的钢液向C区流动。这样的结果是：A区有非浓化钢液补充体积收缩，均匀了内部组织；B区有A区的浓化钢液的补充体积收缩，造成了B区富集溶质元素，形成中心偏析。
轻压下对中心偏析影响的原理
1 轻压下技术概述
轻压下技术是在容易形成铸坯中心偏析的凝固末端实施一定的压下量，使容易形成偏析及疏松的地方的非浓化钢液均匀流动，一方面消除或减少了因铸坯收缩形成的内部空隙，从而防止晶间富集溶质的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面轻压下所产生的挤压作用还可以促使液芯中心富集溶质的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，达到改善中心偏析的目的。
图2 轻压下的设备示意图
2 轻压下对中心偏析的影响机理
连铸凝固过程中心偏析的形成机理归结于被挤压时产生的变形量。铸坯在凝固初期迅速形成坯壳，视凝固末端为平衡态，则此时固相和液相的含量是可以确定的。当铸坯在瞬间受到外力压缩时，铸坯厚度的减少有向中心紧压残余的液体的作用，使残余的液体在中心部位积累，残余液体的运动发生在压缩过程中，紧挨固相分数最低的地方，因而，流程的减短是最低的。在固相分数在较小的区域实加了一定的压缩量之后，局部积累的液相的量减少了，最终形成的中心偏析的指数也随之下降。
3 轻压下改善铸坯中心偏析的效果
该工艺直接作用在凝固时产生缺陷的过程中，对铸坯中心部位主要有以下三个方面的作用效果：
(1) 破碎“晶桥”
通过施加机械力，将己“搭桥”的树枝晶破碎，改变周期出现“小钢锭”结构的凝固进程，使得铸坯上端的液体可以自由的补充到下端，从而补偿由于液、固两相密度差造成的体积收缩，减少中心偏析程度。
(2) 补偿冷却收缩
考虑到热胀冷缩原理，连铸过程中由于铸坯整体温度下降，会导致体积收缩。由于铸坯各部分的冷却条件很难均匀，铸坯内未凝固区可能会形成负压，吸聚富含溶质的钢液导致中心偏析的产生。通过施加正确的变形力，使铸坯的变形率可以补偿冷却收缩率，就能有效减轻中心偏析的程度。
(3) 减小“鼓肚”量
轻压下技术多使用密排小直径分节辊来完成。这种机械结构在客观上减小了辊间距，从而有效的减小了连铸坯产生“鼓肚”的可能性和形成的鼓肚量。
轻压下减少中心偏析的理论计算
假设轻压下时铸坯厚度的减少瞬间完成的，并且已知实施轻压下时两相区的固相率和坯壳厚度，那么就可以计算在实施一定压下量后的铸坯中心偏析量（7）。
在连铸过程中，坯壳内的钢水流动、液相区的湍流扩散和两相区内的枝晶间流动、钢液凝固过程、钢的热物理特性、化学成分、铸坯尺寸、工艺操作参数等都会对铸坯内的溶质元素的再分配产生很大的影响，从而直接影响到中心偏析的形成。因此，在一定设备工艺条件下，我们在对连铸过程中钢液的流动、传热和传质行为进行研究的基础上，分析了实施轻压下时铸坯中心偏析的计算。
假设铸坯的凝固过程是线性变化的（8）。
Ce* Se = Ci *Si - (ρs / ρl) ∑ CSj*△Sj …………………（1）
式中，Ce 中心偏析量，质量百分数；
Se 中心偏析区域，平方厘米；
Ci 凝固区入口溶质的量，质量百分数；
Si 凝固区入口处未凝固区域的面积，平方厘米；
ρs 凝固后固相的密度，克/立方厘米；
ρl 凝固前的液相密度，克/立方厘米；
∑ CSj 凝固区固相内的溶质量，质量百分数；
△Sj 凝固区固相的面积，平方厘米；
CSj = - Aj * Vj +Cj …………………（2）
式中，CSJ 凝固区固相中溶质的量，质量百分数；
Aj 溶质在钢液中的累积因子，质量百分数，分钟/立方厘米；
Vj 凝固区液相的流动速度，立方厘米/分钟；
Cj 进入凝固区J前固相质量百分数。
Vj = Sj * Vc * β – vj …………………（3）
vj = （∑w * ηi * △hi）* Vc …………………（4）
式中，Sj 凝固期液相的面积，平方厘米；
Vc 拉速，厘米 / 分钟；
β 凝固收缩率；
vj 固/液界面轻压下率，立方厘米/分钟；
w 方坯厚度；
ηi 轻压下系数。
Ce * Se = D + (ρs / ρl) ∑ Aj * △Sj * △Vj …………………（5）
式中，D = Ci * Si - (ρs / ρl) ∑ Cj* △Sj …………………（6）
最大偏析尺寸 = α * Ce * Se…………………（7）
式中，Aj 表示凝固期溶质的平均累积速度；
Vj 表示凝固期液相的平均流速；
α 比例常数
通过式(7)可以得到在实施轻压下时铸坯中心偏析量。
生产实践
日本NKK公司，在使用轻压下之前，铸坯中心的碳偏析度为1.54，使用后降低至1.12；韩国浦项钢厂使用轻压下之后铸坯中心偏析指数从1.65降低至1.05；武钢二炼钢采用轻压下技术后B类中心偏析发生率降低54.88%。
大量的生产实践表明，轻压下能够使铸坯中心偏析量降低一个等级。
RAM动态轻压下技术，采用了衡阳镭目公司最新开发的铸坯凝固模型、动态轻压下控制模型和伺服执行系统等，对铸坯的中心偏析进行数值模拟，精确地对铸坯凝固末端实施动态轻压下，从而降低了铸坯中心偏析、疏松的程度，大大提高了铸坯产品质量。
结论
(1) 铸坯凝固末端轻压下过程直接作用在两相区域内，两相区受到压缩，枝晶间富含溶质的液相被挤出，相对于铸坯向液芯方向流动。
(2) 由于富含溶质的液相被挤出， 轻压下之后铸坯中心区域由两相区内被压缩的固相及残留的液相构成。由于固相溶质浓度较低，液相流出引起中心区域偏析指数下降。
(3) 假设轻压下时铸坯厚度的减少瞬间完成的，根据实施轻压下时两相区的固相率和坯壳厚度，可以计算出在实施一定压下量后的铸坯中心偏析量。(end)
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(8/9/2007) |
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