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連鑄方坯中心偏析是指鑄坯中心區域C,Mn,P和S等溶質元素的不均勻分佈,在鑄坯橫剖面上表現為鑄坯中心處溶質元素的濃度出現峰值,而在兩邊濃度最低;在鑄坯縱剖面上則以V形偏析、U形偏析、點狀偏析、線狀偏析以及縮孔等表觀形態存在,溶質元素沿中心線呈近似周期性波動。

1 中心偏析 -介紹

目前國內鋼材普遍存在的問題是中心質量較差,而後續工藝也無法使在凝固過程中形成的中心缺陷得到較大的改善。絕大部分連鑄坯受到現有冶鍊設備及工藝的限制,其化學成分不穩定,導致連鑄坯內部偏析、疏鬆、縮孔等缺陷嚴重,對產品強度、韌性等指標有很大影響。其中,中心偏析導致的危害尤為嚴重,例如,鑄坯中心偏析區域出現在棒材或線材的中心,將會導致產品在熱處理、中間退火過程中呈不均勻轉變,並在下一步加工工序中出現脆性區和提前損壞,成為廢品。動態輕壓下技術直接作用在連鑄坯凝固過程中,能夠極大地改善連鑄坯的中心缺陷,減少鑄坯中心偏析,生產高質量鋼材。

2 中心偏析 -中心偏析的形成原理

目前,經實踐論證一致認為,中心偏析發生在凝固末端的固液兩相區內,是由於兩相區也就是溶質元素富集區的濃化液相流動造成的。從液相區到坯殼,鋼液雜質含量越來越大。A區凝固收縮引起的體積變化可以通過左端非濃化液相鋼液來補充,B區的凝固收縮引起的體積變化由A區的濃化鋼液來補充,C區凝固收縮的體積變化得不到鋼液補充,因為C區的相鄰枝晶互相「搭橋」阻礙了B區的鋼液向C區流動。這樣的結果是:A區有非濃化鋼液補充體積收縮,均勻了內部組織;B區有A區的濃化鋼液的補充體積收縮,造成了B區富集溶質元素,形成中心偏析。

3 中心偏析 -輕壓下對中心偏析影響的原理

1輕壓下技術概述

輕壓下技術是在容易形成鑄坯中心偏析的凝固末端實施一定的壓下量,使容易形成偏析及疏鬆的地方的非濃化鋼液均勻流動,一方面消除或減少了因鑄坯收縮形成的內部空隙,從而防止晶間富集溶質的鋼液向鑄坯中心橫向流動;另一方面輕壓下所產生的擠壓作用還可以促使液芯中心富集溶質的鋼液沿拉坯方向反向流動,使溶質元素在鋼液中重新分配,從而使鑄坯的凝固組織更加均勻緻密,達到改善中心偏析的目的。

2輕壓下對中心偏析的影響機理

連鑄凝固過程中心偏析的形成機理歸結於被擠壓時產生的變形量。鑄坯在凝固初期迅速形成坯殼,視凝固末端為平衡態,則此時固相和液相的含量是可以確定的。當鑄坯在瞬間受到外力壓縮時,鑄坯厚度的減少有向中心緊壓殘餘的液體的作用,使殘餘的液體在中心部位積累,殘餘液體的運動發生在壓縮過程中,緊挨固相分數最低的地方,因而,流程的減短是最低的。在固相分數在較小的區域實加了一定的壓縮量之後,局部積累的液相的量減少了,最終形成的中心偏析的指數也隨之下降。

3輕壓下改善鑄坯中心偏析的效果

該工藝直接作用在凝固時產生缺陷的過程中,對鑄坯中心部位主要有以下三個方面的作用效果:

(1)破碎「晶橋」

通過施加機械力,將己「搭橋」的樹枝晶破碎,改變周期出現「小鋼錠」結構的凝固進程,使得鑄坯上端的液體可以自由的補充到下端,從而補償由於液、固兩相密度差造成的體積收縮,減少中心偏析程度。

(2)補償冷卻收縮

考慮到熱脹冷縮原理,連鑄過程中由於鑄坯整體溫度下降,會導致體積收縮。由於鑄坯各部分的冷卻條件很難均勻,鑄坯內未凝固區可能會形成負壓,吸聚富含溶質的鋼液導致中心偏析的產生。通過施加正確的變形力,使鑄坯的變形率可以補償冷卻收縮率,就能有效減輕中心偏析的程度。

(3)減小「鼓肚」量

輕壓下技術多使用密排小直徑分節輥來完成。這種機械結構在客觀上減小了輥間距,從而有效的減小了連鑄坯產生「鼓肚」的可能性和形成的鼓肚量。

4 中心偏析 -輕壓下減少中心偏析的理論計算

假設輕壓下時鑄坯厚度的減少瞬間完成的,並且已知實施輕壓下時兩相區的固相率和坯殼厚度,那麼就可以計算在實施一定壓下量后的鑄坯中心偏析量。在連鑄過程中,坯殼內的鋼水流動、液相區的湍流擴散和兩相區內的枝晶間流動、鋼液凝固過程、鋼的熱物理特性、化學成分、鑄坯尺寸、工藝操作參數等都會對鑄坯內的溶質元素的再分配產生很大的影響,從而直接影響到中心偏析的形成。因此,在一定設備工藝條件下,我們在對連鑄過程中鋼液的流動、傳熱和傳質行為進行研究的基礎上,分析了實施輕壓下時鑄坯中心偏析的計算。

假設鑄坯的凝固過程是線性變化的。

Ce*Se=Ci*Si-(ρs/ρl)∑CSj*△Sj…………………(1)
式中,Ce中心偏析量,質量百分數;
Se中心偏析區域,平方厘米;
Ci凝固區入口溶質的量,質量百分數;
Si凝固區入口處未凝固區域的面積,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凝固區固相內的溶質量,質量百分數;
△Sj凝固區固相的面積,平方厘米;

CSj=-Aj*Vj+Cj…………………(2)
式中,CSJ凝固區固相中溶質的量,質量百分數;
Aj溶質在鋼液中的累積因子,質量百分數,分鐘/立方厘米;
Vj凝固區液相的流動速度,立方厘米/分鐘;
Cj進入凝固區J前固相質量百分數。

Vj=Sj*Vc*β–vj…………………(3)

vj=(∑w*ηi*△hi)*Vc…………………(4)
式中,Sj凝固期液相的面積,平方厘米;
Vc拉速,厘米/分鐘;
β凝固收縮率;
vj固/液界面輕壓下率,立方厘米/分鐘;
w方坯厚度;
ηi輕壓下係數。

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表示凝固期溶質的平均累積速度;
Vj表示凝固期液相的平均流速;
α比例常數

通過式(7)可以得到在實施輕壓下時鑄坯中心偏析量。

生產實踐

日本NKK公司,在使用輕壓下之前,鑄坯中心的碳偏析度為1.54,使用后降低至1.12;韓國浦項鋼廠使用輕壓下之後鑄坯中心偏析指數從1.65降低至1.05;武鋼二鍊鋼採用輕壓下技術后B類中心偏析發生率降低54.88%。

大量的生產實踐表明,輕壓下能夠使鑄坯中心偏析量降低一個等級。RAM動態輕壓下技術,採用了衡陽鐳目公司最新開發的鑄坯凝固模型、動態輕壓下控制模型和伺服執行系統等,對鑄坯的中心偏析進行數值模擬,精確地對鑄坯凝固末端實施動態輕壓下,從而降低了鑄坯中心偏析、疏鬆的程度,大大提高了鑄坯產品質量。

結論

(1)鑄坯凝固末端輕壓下過程直接作用在兩相區域內,兩相區受到壓縮,枝晶間富含溶質的液相被擠出,相對於鑄坯向液芯方向流動。

(2)由於富含溶質的液相被擠出,
輕壓下之後鑄坯中心區域由兩相區內被壓縮的固相及殘留的液相構成。由於固相溶質濃度較低,液相流出引起中心區域偏析指數下降。

(3)假設輕壓下時鑄坯厚度的減少瞬間完成的,根據實施輕壓下時兩相區的固相率和坯殼厚度,可以計算出在實施一定壓下量后的鑄坯中心偏析量。



 

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