曾四宝1,2) 李洪波1,2) 包燕平1) 刘建华1) 韩丽娜1)
1)北京科技大学冶金与生态工程学院; 2）济南钢铁集团石横特殊钢厂
摘 要 本文针对石横特殊钢厂R9m连铸机生产SWRH82B、GCr15等高碳钢连铸坯的偏析问题，分析讨论了钢水过热度、拉速、二次冷却强度和组合式电磁搅拌对连铸坯碳偏析影响，并对中心碳偏析问题提出了改善措施。
关键词 偏析;钢水过热度;二次冷却强度;拉速;电磁搅拌
1 前言
对高碳钢来说，由于碳含量较高造成导热性差、凝固区间大，连铸坯本身容易产生偏析、疏松和缩孔等缺陷。当前轴承钢连铸坯的控制水平普遍要求碳中心偏析指数≤1.15；钢帘线钢对碳偏析有更严格的要求，一般碳中心偏析指数≤1.05，否则在拉丝和扭转过程中容易引起断裂。
最近十几年来，随着钢水二次精炼、保护浇注、二次冷却、电磁搅拌和轻压下等技术的发展，高碳钢连铸技术也相应得到发展。实际上，影响高碳钢连铸坯偏析的因素很多，如钢液过热度、二冷参数、拉速及电磁搅拌方式等。关于钢液过热度对偏析的影响，国内外冶金工作者进行过大量的研究，得出了明确的结论，即随着过热度的降低，连铸坯的偏析逐渐减轻。但是关于电磁搅拌和二冷水量等对偏析的影响目前还有争议。
通过统计分析石横特殊钢厂2006年3~9月份的生产情况和工艺变化情况，探讨了高碳钢(如SWRH82B、 GCr15)连铸坯碳偏析的产生原因以及公司进一步改善碳偏析的途径，为工艺和装备优化、改进提供依据。 2 连铸机基本参数
流数：4流;
铸机半径：R9000/17500mm;
流间距：1250mm;
结晶器长度：850mm;
浇铸断面：150mm×150mm;
最大拉速：2.8m/min;
电磁搅拌方式：M + F—EMS;
二次冷却方式：足辊水冷0段+气雾冷却1、2、3段;
浇铸钢种：碳结钢 20#、45#、40Cr、ML10~35，20CrMo、
高碳钢 70#、80#、72A、82B、GCr15
焊条钢 H08A、H08Mn2SiA等。
3 试生产数据和结果分析
从2006年3月份开始，针对高碳钢(如SWRH82B、GCr15)连铸坯碳偏析的问题，就钢液过热度、二冷参数、拉速及电磁搅拌方式等内容进行了调整，可以从以下几个方面进行对比分析：一是中间包钢液过热度、拉速、二冷强度对比；二是搅拌强度和搅拌方式对比。
众所周知，中间包温度越高，钢液过热度越大，钢液的凝固时间越长，选分结晶时间越长，P、S、C元素的偏析倾向越严重。一旦遇到高过热度钢液，即使降低拉速也难以使偏析合格。从最近几个月SWRH82B的温度控制情况如下（见图1）：
图1 2006年7-9月份SWRH82B中间包温度分布图
表1 2006年7-9月份SWRH82B中间包温度与偏析情况
月 份 | 电触点7 | 8 | 数字光纤直放站9 | 备注 |
中间包温度 ℃ | 1485~1505 1495 | 1485~1505 1495 | 1485~1500 1493 | 分子为控制范围，分母为平均值 |
碳偏析合格率% | 67.5 47.5 | 53.58 36.0 | 56.0 61.0 | 0.96~1.08比例，分子为二流，分母为四流 |
| | 钢帘线 | | |
马铃薯馒头
与图1对应月份的温度水平和碳偏析合格率见表1
从图1和表1可见：
（1）7、8、9月份的温度控制范围相当，平均水平基本一致，但是分布规律大相径庭，8月份的中间包温度没有体现“两头小，中间大”的分布特点，说明集中度偏低，温度控制被动因素多，造成前期温度偏高、后期温度偏低，这与8月份的生产、设备不顺行有密切关系，这些因素使偏析合格率下降。
（2）其次，9月份的中间包温度分布集中度高，表明全流浇注率高，过程处于受控状态。同时也证明，边流与中间流的拉速适当差异可以在一定程度上改善中间包温度场。这使得二流、四流的偏析合格率差异缩小。
3.2不同温度下拉速匹配对偏析的影响
低过热度、慢注速已经成为冶金行业浇注高碳钢的共识，但是各企业的工艺装备和工艺流程不同使得各企业不得不考虑生产节奏的匹配、铸坯规格和质量的保证。在生产过程中，往往需要注温和注速的结合，但是也不宜在一炉钢浇注过程中拉速频繁调整，实际上，只要中间包前中后期温度差异小，拉速才能实现稳定。所以各钢厂都在加强大包、中间包的保温，上钢五厂、杭钢电炉厂、无锡华润的保温都堪称典范。石横特殊钢厂在生产GCr15时从7月份以来也实行了双重保温，从制定工艺卡时明确了温度与拉速的匹配关系，取得了
明显效果，见表2、3。
表2 连铸生产GCr15中间包温度与拉速匹配关系
区 间 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | 备注 |
中间包温度℃ | 1489~1495 | 1481~1488 | 1475~1480 | 区间Ⅰ主要针中间包对第1包 |
拉速m/min | 1.45~1.54 | 1.55~1.64 | 1.65~1.70 | |
| | | | |
在采取加强钢包、中间包保温和VD工序稳定精确控制温度的措施下，降低钢液过热度，稳定拉速成为可能。从表3可见2006年6~9月份生产GCr15的结果：与6月份对比大包温度降低了5.6℃，中间包温度降低了6.2℃，浇注过程温差越来越小，整炉钢水浇注过程拉速波动±0.10m/min。
表3 2006年7-9月份生产GCr15大包、中间包温度与拉速匹配对偏析影响
月 份 | 6月底 | 7月底 | 9月初 | 备注 |
大包温度℃ | 1510~1529 1523 | 1515~1528 1520 | 1510~1527 1517.4 | 第一包除外，分子为控制范围，分母为平均值 |
中间包温度 ℃ | 1491.1 5~12 | 1490.6 3~10 | 1484.9 1~7 | 第一包除外，分子为平均值，分母为前中后期温差 |
拉速 m/min | 1.40~1.75 1.56 | 1.45~1.65 1.53 | 1.5~1.7 1.56 | 第一包除外，分子为控制范围，分母为平均值 |
碳偏析合格率% | 31.58 31.58 | 39.13 33.33 | 58.33 29.17 | 分子为0.96~1.08比例，分母为1.09~1.15比例 |
| | | | |
当然，如果中间包后期温度很低，单纯提高拉速，会来不及补缩，产生缩孔。取样分析表
明，生产GCr15时，中间包温度低于1475℃，拉速1.80 m/min情况下浇注，会使铸坯产生大量的缩孔超级。
图2、图3对比了2006年6~9月份生产GCr15偏析的变化情况
图2 2006 年6、7、9 月份GCr15碳偏析各级比例
图3 2006 年6、7、9 月份GCr15碳偏析统计指标
3.3 二次冷却强度对偏析的影响
二次冷却的主要任务：（1）控制坯壳出结晶器后继续降温、长厚，确保不漏钢、不产生裂纹、不鼓肚、不脱方，保持规范良好的外部质量；（2）控制连续致密的内部质量，要求偏析、疏松级别合格，不得有缩孔、裂纹。高碳钢因其导
热性差，过强的冷却容易产生裂纹，一般强调弱冷。但并非冷却强度越小越好，对于没有轻压下设备的连铸机一般要求进入拉矫机前完成凝固，否则不利于补缩；为了获得更大面积的等轴晶区，通常讲究“热行”。二炼钢的水质经历了3个
月的治理过程，水质逐步好转，优化了喷嘴选型，加强维护水冷系统，考虑到铸坯的低倍综合质量，配水曲线逐步调整。石横特殊钢厂在2006年3~9月份已经试验了不同的二次冷却强度，归纳为表4。
表4 连铸生产SWRH82B时不同二冷比水量的偏析情况
比水量 L/kg | 0.35 | 0.40 | 0.45 | 备注 |
SWRH82B偏析合格率 % | 55.26/12.5 | / | 76.32/75 | 最大/最小 |
| | | | |
实验室用振荡器2006年3月份以来实践表明，并不是二冷水量越小越好；在过热度控制较低的条件下，在
保证低倍的缩孔、疏松级别合格的前提下，尽量缩短凝固时间，对减轻偏析是有利的。例如在2006年3、4、6月份分别生产的43炉、49炉、46炉SWRH82B，统计的结果来看，应用5#配水曲线，虽然温度、拉速较高（如表5），但偏析的合格率却也高，见图2、图3。
表5 连铸生产SWRH82B时不同月份的温度拉速匹配
不同月份 | 中间包温度℃ | 拉速m/min | 备注 |
3月份 | Ⅰ、1501~1510 Ⅱ、1494~1500 Ⅲ、1488~1493 | Ⅰ、1.60~1.70 Ⅱ、1.71~1.80 Ⅲ、1.81~1.90 | Ⅰ类通常为中间包第一包，以Ⅱ类为主(下同) |
4月份 | Ⅰ、1501~1515 Ⅱ、1494~1500 Ⅲ、1483~1493 | Ⅰ、1.55~1.65 Ⅱ、1.66~1.75 Ⅲ、1.76~1.85 | 同上 |
6月份 | Ⅰ、1501~1510 Ⅱ、1494~1500 Ⅲ、1488~1493 | Ⅰ、1.50~1.60 Ⅱ、1.61~1.70 Ⅲ、1.71~1.80 | 同上 |
| | | |
图4 2006 年3、4、6 月份SWRH82B碳偏析各级比例
从图4、图5可见，3月份由于温度偏高、拉速较快，出现了21.05%的负偏析超标（偏析指数≤0.95），因而使整批平均偏析指数水平为0.99。4月份同样温度水平、拉速较3月份降低了0.05m/min，使负偏析超标比例降低到6.12%，但正偏析超标比例增加，出现了18.36%
的正偏析超标（偏析指数≥1.09），因而使整批平均偏析指数水平为1.05。6月份基本稳定了各级偏析比例。
图5 2006 年3、4、6 月份SWRH82B碳偏析统计指标
图5从统计衡量指标比较了偏析的极值、平均值和标准偏差，3～6月份总体上是改进趋势。
从2006年7月份开始，采用了3#曲线，拉速也降低到1.50～1.70m/min，铸坯碳偏析合格率降低, 从图6、图7可见：
图6 2006 年7、8 月份SWRH82B碳偏析各级比例
图7 2006 年7、8月份SWRH82B碳偏析统计指标
尤其是8月份生产不顺,前期温度合适的时候拉速还能保持,后期低温提拉速,冷却强度偏低使偏析加重。因此，只要能保证内部质量的缩孔、疏松级别合格、没有裂纹，应当尽可能缩短凝固时间，来实现减轻碳偏析。
3.4组合式电磁搅拌对偏析的作用
电磁搅拌对偏析的重要影响是不言而喻的，现在绝大多数炼钢厂已经把电磁搅拌作为连铸机的基本配置。二炼钢2004年安装（M + F）—EMS组合式电磁搅拌以来，对结晶器地磁搅拌应用比较正常，但对末端电磁搅拌应用一直效果欠佳，主要原因在于：（1）凝固末端定位缺乏足够的依据；（2）由于供货厂家原因，功能开发应用不全面。
3.4.1凝固末端定位
波速测试仪F-EMS的应用效果取决于（1）凝固末端的准确定位；（2）搅拌参数的优化。凝固末端定
位首先要完成：钢材品种、规格、档次定位，断面和拉速定位，冷却方式和强度定位。理论上通常依据式（1）、（2）计算：
(1)
(2)
式中：e为凝固壳厚度；K为凝固系数；t为时间；TL为液相线温度；TS为铸坯表面温度；λm为钢的导热系数；Lf为结晶潜热；ρm为钢的密度。
由(1)式可求出钢液从结晶器弯月面进入末端搅拌区时凝固的坯壳厚度。
一般炼钢厂都要通过科学试验和生产实践确定每台连铸机的分钢种综合凝固系数，来最终确定分钢种的浇注温度、拉速、冷却强度和末端电磁搅拌器的位置。末端电磁搅拌器通常设计安装在液芯长度的3/4～3/5处，并且有一定范围的可调整性。
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