齐钢10吨级电渣锭的凝固参数及工艺因素分析

D0I:10.13374/j.issn1001-一053x.1987.03.022 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ.of Iron Steel Technol. Vol.9No.31987 齐钢10吨级电渣锭的凝固参数及 工艺因素分析 赵沛朱觉 王雨芳 刘瑞奇 (北京钢铁学院) (齐齐哈尔钢厂) 摘 要 齐钢F850/10一Ⅱ型电渣炉生产的10,5t86 CrMoV7锭是一米七带钢冷轧辊的还 料，婴求具有良好的治金质量， 本文在剖锭工作的基础上，进行了凝固参数和工艺因素的研究，对熔池形状， 二次技品臂间距。结晶形态以及熔化串.渣温.渣成分等因素进行了分析，为全面 了解治金质量和改进重培工艺提供了重要的依据 关键词：电渣重熔，凝固参数，工艺因素 The Investigation on Solidification Parameters and Operating Parameters of 10 Ton ESR Ingot Zhao Pei Zhu Jue Wang yufang Liu Ruiqi Abstract The work roll,with a 610mm diamter and 1700mm length,is a very important comsumptive section in cold rolling mill.High strength and tough- ness,high and homogeneous hardness are required for it.Ten ton 86CrMoV7 ingot forged into the work roll is producted on F850/10-II electroslag fur- nace. 1986一07一26收稍 8

北 京 ’ 钢 铁 学 院 学 报 齐钢 吨级电渣锭的凝固参数及 工 艺 因 素 分 析 赵 沛 朱 觉 气呼 下 军 月去 二二 抖幼夕丁 刘瑞奇 ‘北京钢铁学院 ‘齐齐哈尔钢厂 摘 要 齐钢 八 一 型电渣炉生产的 锭是一米七带钢冷轧辊的坯 料 ， 要求具有 良好的冶金质量 。 本文在剖锭工作的基础上 ， 进行了凝固参数和工艺因素的研究 ， 对熔池形状 ， 二次枝晶臂间距 结 晶形态以 及熔化率 渣温 渣成分等因素进行了分析 ， 为全面 了解冶金质量和改进重熔工艺提供了重要的依据 关 键词 电渣重熔 ， 凝 固参数 ， 工艺因素 尸 “ 班 夕 “ ， 灯 ， ， 。 一 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．03．022

It has been proved that reasonable process of E.S.R.is a key to get excelle nt qualites,In order to improve the ingot qualities and practical electroslag remelting,the investigation are carried out on solidification parameters,such as secondary dendritic arm spacing,temperature gradient, local cooling solidification time,and width of mushy zone.In addition,the relationship between the solidification parameters and crystal structures is investigated as well. Key words:ESR,solidification parameters 前 言 用86 CrMoV7钢种制作的中610×1700mm冷轧工作辊，是一米七带钢冷轧机的重要 部件，必须具有良好的治金质量，经终处理后必须具有高的强韧性和高而均匀的表面硬 度。 齐钢用F850/10一Ⅱ型电渣炉生产冷轧工作辊的辊坯。该电渣炉是西德L一H公司 生产的单相，单支臂，填充比高(0,8)，计算机控制，最大锭重10.5t。辊坯的质量在 很大程度上取决于重熔工艺的合理性。为了全面了解电渣重熔生产辊坯的治金质量，进 而探讨重熔工艺的改进，对10.5t86 CrMoV7钢锭进行了解剖，本文着重于凝固参数的 讨论和工艺因素的分析。 实 验 (1)二次枝晶臂的显示 在86 CrMoV7大型锭的整个剖面上显示二次枝晶臂是 相当困难的。由于合金碳化物的析出，枝晶臂和枝品间的耐腐蚀程度差别不大，采用通常 显示枝晶的腐蚀剂（如盐酸、王水、Stead试剂等）效果均不理想，后来采用特制成的 腐蚀剂，满足了大面积显示的要求。 (2)二次枝晶臂间距的测量考虑到对称性，将半个钢锭的纵向剖面划分为 450个小方块，每个面积为15×15mm2。每个方块内至少选择测量5根晶轴，然后取其 平匀值。总测数据量为6750个。 (3)熔池形状的显示在重熔过程中，当钢锭生长至三个不同高度时，向熔池撒人 FS粉420g。剖锭后上部硫印效果较清楚，中下部不理想。为此，根据一次晶轴垂直于 熔池等温线的原理，实测各部位的结晶角，从而绘制出熔池的基本轮廓。 (4)工艺因素分析为了研究凝固参数与工艺因素的关系，测试了渣温，渣成分， 渣的熔点及两相区深度等。渣熔点用变形法测定。两相区深度用两根钢棍同时插入熔池 中心处，一根轻轻插下，另一根用力插到不动为止，两者差值为两相区深度的近值。似 ⊙

一 兀 。 凭 ， ， ， ， ， ， 。 ， 目‘ ‘ 月 吕 用 钢 种制 作的小 冷轧 工作辊 ， 是一米 七带 钢冷轧 机的 重 要 部件 ， 必须 具 有 良好 的冶 金质量 ， 经终处理后必须具 有高的强 韧性和 高而 均匀 的表面 硬 度 。 齐钢 用 。 一 型 电渣炉生 产冷轧工 作辊的辊坯 。 该电渣炉是西德 一 公司 生产的单相 ， 单支臂 ， 填充比高 ， 计算机控制 ， 最大锭 重 。 辊坯 的质量在 很大程 度上取决于重 熔工艺 的合 理性 。 为 了全面 了解电渣 重熔生 产辊坯 的冶 金质量 ， 进 而 探讨 重熔工艺 的改进 ， 对 钢 锭进行 了解剖 ， 本文着 重 于凝 固参数的 讨论 和 工艺 因素 的分 析 。 实 验 二 次枝 晶臂的 显示 在 大型 锭 的 整个剖 面上 显示二 次 枝 晶臂是 相 当 困难的 。 由于合 金碳 化物的析 出 ， 枝 晶臂 和 枝 晶间的耐腐蚀 程 度差别不 大 ， 采 用通 常 显示枝 晶的腐蚀剂 如 盐酸 、 王水 、 试剂 等 效果 均不 理想 ， 后 来采 用 特制 成的 腐蚀 剂 ， 满足 了 大面积 显示 的要求 。 二 次 枝晶 臂 间距的测量 考虑 到对称性 ， 将 半个钢 锭 的纵 向剖 面 划 分 为 个小 方块 ， 每 个面 积 为 “ 。 每 个方块 内至 少 选 择测 量 根 晶轴 ， 然后取其 平 匀值 。 总 测 数据量 为 个 。 熔池形 状的 显 示 在 重 熔过 程 中 ， 当钢 锭生 长至 三个不 同高度 时 ， 向熔池撒 人 粉 。 剖 锭 后 上部硫 印效果 较清楚 ， 中下部不 理想 。 为此 ， 根据 一 次 晶轴垂 直 于 熔池 等温线 的原 理 ， 实 测 各 部位 的结 晶角 ， 从而 绘制 出熔池 的基本轮 廓 。 工艺 因素分 析 为 了研究 凝 固参 数与 工艺 因素 的关 系 ， 测试 了渣温 ， 渣 成分 ， 洗的熔 点及两 相 区深度等 。 渣熔 点 用变形 法测 定 。 两 相 区深度 用两 根钢棍 同时 插 人熔池 中心 处 ， 一根轻轻插下 ， 另 一 根 用 力插到 不动 为 止 ， 两者差 值 为两 相 区深 度 的近 值 。 似

2凝固参数的计算和分析 2.1二次枝晶臂间距的分布 根据6750个实测的二次枝晶臂间距值，对整个锭上的二次枝晶臂间距的分布有了较 全貌的了解：由上至下，由中心至表面，二次枝晶臂间距逐渐变小，如图1所示。 目前，人们已经认识到晶粒尺寸并非是反 映微观结构细化的有效指标，更合理的方法是 500 用二次枝晶臂间距作为衡量组织细化的数量 400 值，伴随二次枝晶臂间距的减小，强度、延伸 300 率和断面收缩率等性能指标会显著增加。对于 200L 中850×2400mm的10t锭而言，实测的二次枝 205080110140170200230260 Distance from ingot surface,mm 晶臂间距数值在230~430μm之间，且其分布 也比较理想。 图1二次枝晶臂间距的分有(1,2,3为测盘高度) Fig.1 Distribution of dendrite arm opacing along radin 2.2凝固参数的分布 在二次枝晶臂间距和结晶角的实测基础之上，进行了凝因参数的计算。采用的计算 公式如下： R=vcos0 (1) 其中 R一结晶速度cm.min', v-熔池上升速度，cm.min1 0一一结晶角 Sx=a(GR) (2) 其中 Sm一一二次枝晶间距，μm, a,n一与成分有关的常数，该钢种选用a=849,n=0.441),G一温度梯 度，℃/mm, GR一当地平均冷却速度，℃/min。 △t=△T/GR (8) 其中，△t一当地凝固时间 △T一液固相线温度差值，该钢种选120℃。根据钢锭上、中、下三个典型位置 的计算结果，分别作出该处平均冷却速度，温度梯度，与至锭表面距离的关系曲线，分 别见图2、3。 从图中可以着出，钢锭表层区的冷却速度变化较大，向锭心延伸时，平均冷却速度 变化平缓。这台电渣炉的结晶器冷却强度大，锭与结晶器壁之间形成的渣皮薄，因此使 得钢锭的激冷区较宽，约15~30mm。 径向温度梯度逐渐减少，在1/2半径处温度梯度有很小的变化，二次枝晶臂间距 值也出现双峰现象，即1/2半径处与锭心处的数值接近。这种现象，其他厂剖锭检查 时亦有发现。由于大电极中电流的“趋肤效应”，在半径1/2附近单位体积渣池上输人 10

凝固 参数的计算和分析 二 次枝晶臂间距的分布 根据 个实测 的二次 枝晶臂 间距值 ， 对整个锭 上的二次枝晶臂间距的分布有 了较 全貌的 了解 由上至 下 ， 由中心 至 表面 ·， 二次枝 晶臂 间距逐渐 变小 ， 如 图 所示 。 ‘ 性代口力 ︺八 曰八 瞥的口， 目前 ， 人们 已经认识到 晶粒尺寸并非是 反 映微观结构细化的有效指标 ， 更合理的方法是 用二 次枝 晶臂 间距作为衡量 组织细 化 的 数 量 值 ， 伴随二 次枝 晶臂 间距的减小 ， 强度 、 延伸 率和断面收缩率等性能指标会显著增加 。 对于 小 锭 而 言 ， 实测 的二 次枝 晶臂 间距数值在 件 之 间 ， 且其 分 布 也 比较理想、 · 日 。 ， 三 ，曰 ︶八八八 、 自一口‘口 图 二次枝晶臂间距 的分布 口 ， ， 为测盆高度 凝 固参数的 分 布 在 二次枝 晶臂 间距和结 晶角的实测 基础 之 上 ， 进行 了凝 固参数的计算 。 采用 的计算 公式如下 二 其中 一 结 晶速度 · 一 ’ 一熔池 上升速度 ， · 一 ‘ － 结 晶角 一 ” 其中 － 二次枝 晶间距 ， 卜 ， －与成分 有关的常数 ， 该钢 种选用 二 众 ， 二 〔 〕 一 温 度 梯 度 ， ℃ 多 － 当地平均冷却速度 ， ℃ 。 △ △ 其中 △ － 当地凝 固时 间 △ － 液 固相线温 度差值 ， 该钢 种选 ℃ 。 根据钢 锭 上 、 中 、 下 三个典型位置 的计算结果 ， 分别 作 出该处平均冷 却速度 ， 温度梯度 ， 与至锭 表面距离的关 系 曲线 ， 分 别 见图 、 。 从 图中可 以看 出 ， 钢 锭 表层 区的冷却速度 变化较大 ， 向锭心延伸时 ， 平均冷却速度 变化平缓 。 这 台电渣 炉的结 晶器冷却强度 大 ， 锭与结 晶器壁 之 间形 成的渣皮 薄 ， 因此 使 得钢锭的激冷 区较宽 ， 约 。 径 向温度梯度逐渐 减少 ， 在 半径处温度梯度有很小的变化 ， 二次枝 晶臂 间 距 值也 出现双 峰现象 ， 即 半径处与锭心 处的数值接近 。 这 种现象 ， 其他厂剖 锭 检 查 时亦有发现 。 由于 大 电极 中电流的 “ 趋肤 效应 ” ， 在半径 附近 单 位体积渣池 上输 人

50 10 5 30 6090120150180200240270300 Distanee from ingot surface,.mm 图？当地冷却速度的变化 Fig,2 Changes of local cooling rate with distances from ingot surface. 功率较大，加之对流作用的存在，致使这一区 55 1 域热量传递加剧，因此温度梯度，二次枝晶臂 50 间距等凝固参数出现异常。这种现象，是大锭 40 型、大填充比所特有的。两相区最大宽度约60 30 ~80mm,与实测结果(70~80mm)较为一 2 致。对于直径850mm的大型钢锭，这样的两相。 10 区宽度值是相当小的。钢锭的各种缺陷绝大多 306090120150180210240270300 Distance from ingot surface,mm 数是冷却经过两相区时产生的。两相区宽度越 小，对提高锭子结品质量越有利。 图3温度梯度的变化 2.3结晶速度、温度梯度与二次枝晶臂间 Fig.3 Changes of temperature graient with distance from ingot surface. 距的关系 根据剖锭实测结果得到G,R与Sπ的关系曲线。温度梯度G对二次枝品臂间距影响 如图4所示。二次枝晶臂间距主要受温度梯度和结晶速度的影响。温度梯度和结晶速度 愈大，二次枝晶臂间距愈小。故可以通过控制工艺参数来控制凝固参数，使二次枝晶臂 间距达到理想的数值。 2.4凝固过程的结晶形态变化 根据剖锭结果，绘出G/W√R与至锭表面的关系，如图5所示。 120 600 100 300 % 400 60 300 詹 200 40 100叶 3 4 5 0 4080.120160200240280320 Log G Distanee,from surface,mm 图4二次枝晶臂间距与温度梯度的关系 图5结晶形态数随至锭表面距离的变化 Fig.4 Relationship between dendrite arm spacing Fig.5 Change of G/R1/awith distances from and temperature gradieat. ingot surface 11

， 。 砰一 ︸占‘，︸ 尸已脚匀曰一 ﹃弓工。﹄招比。田。 国口叭 八曰︸ ， 飞 图 当地冷却速度的变化 了 巴 功 率较大 一勺︺︸。司﹄助尸。﹄口利川﹄。色任。 ， 加之对流作用 的存在 ， 致使这一 区 域热量 传递加 剧 ， 因此温 度梯度 ， 二 次枝 晶臂 间距等凝 固参数 出现异常 。 这 种现象 ， 是 大锭 型 、 · 大填充 比所特有的 。 两相区最 大宽度约 ， 与实测 结果 较 为 一 致 。 对于直径 的 大型钢锭 ，这样的两 相 区宽度值是 相 当小的 。 钢锭的各种缺陷绝大多 数是 冷却经过 两相 区时产生的 。 两相区宽度越 小 ， 对提 高锭子结 晶质量越有利 。 结晶速度 、 温度梯度与 二次枝 晶臂间 闪 、 一…践二 图 温度梯度 的变化 一 ‘ 比 ， 仁 。 距 的关系 根 据剖 锭实测 结果得到 ， 与 的关 系 曲线 。 温 度梯度 对二 次枝 晶臂 间距 影 响 如 图 所 示 。 二次枝 晶臂 间距主要受温 度梯度和结 晶速度 的影响 。 温 度梯度 和结 晶速 度 愈大 ， 二次枝 晶臂 间距愈小 。 故可 以通过 控制 工艺参数来控制 凝 固参数 ， 使 二次 枝晶臂 间距达到理想 的数值 。 凝 固 过程的结 晶形态变化 根据剖锭结果 ， 绘 出 、 豆与至锭 表面 的关 系 ， 如 图 弓所示 。 ，山，止 甘行‘ 曰 加 川 心、。国 口 图 二次枝晶臂间距与温度梯度的关系 连 ， 三 ‘ 一 一 。 了 ， 图 一 结晶形态数随至锭表面距离的变化 ‘ ， ， ‘

G/√R值随至锭表面距离的增加而减少，逐渐趋于定值。 从表面到中心，晶体形态由完全的柱状树枝晶过渡到柱状树枝晶+自由树枝晶，当 G/√R值接近30时，自由树枝晶的生成趋势大大增加。利用G/√R值的分布可以大致 确定86 CrMoV7电渣锭的宏观结晶组织， 晶体生长的形态主要与传热和传质有关，即与“温度过冷”和“成分过冷”有关。 凡是影响成分过冷的因素，都必然影响晶体生长的形态。结晶前沿液相的温度梯度和结 晶速度是影响成分过冷的主要因素，因而也是影响合金结晶形貌的主要因素。随着G/ √R值的降低，成分过冷度增加，如果在凝固前沿的液体中出现大范围的成分过冷，熔 体内部热流方向性又不明显，这时晶体形态由柱状树枝晶向自由树枝晶过渡。 在实际观测中，在钢锭心部未见完全的自由树枝晶区，而是柱状树枝晶+自由树枝 晶。在一般铸锭过程中，柱状树枝晶在生长时可能被熔断，游离至锭心部形成自由树枝 品，但是在电渣重熔的顺序凝固条件下，这种游离受到限制。这台电渣炉结晶器的冷却 强度大，渣量较大(360kg)，输入功率较小，创造了有利于柱状晶发展的条件，因此， 即使在锭心和补缩区也得到的是柱状树枝晶+自由树枝晶。可见，通过控制工艺参数， 使G/√R值全都大于30，可以明显地扩大10t级86 CrMoV7钢锭的柱状晶区，使很少显 微疏松等缺陷的柱状树枝晶结构遍布整个钢锭。 3 工艺因素分析 (1)熔池形状的控捌 ,三个典型位置的熔池形状如图6所示。可以看出，随着 重熔时间的推移，熔池由200mm→300mm→350mm逐渐变深，说明工艺参数对熔池形 状有直接的影响。 目前生产中为了获得浅平熔池，消除质点 850 偏析，将熔化率控制得偏低，从725kg/h到 680kg/h分作11个档次。 金属熔池中温度梯度和熔池形状都影响着 钢锭的结晶结构。过分浅平的熔池会造成金属 熔池中温度梯度较大，导致结晶速度的波动和 层状结构出现的可能性增加(2)。在决定工艺 参数时，不必要追求过分浅平的熔池。 208 (2)渣温和渣成分的控制 在重熔末 期，对渣池温度进行了实际测量，测量位置在 中心，测量号N0.141303、141305、141312、 141313相应的温度分别为，1506、1449、1445 和1454℃。重熔过程的渣成分变化如下表。 从测量结果可以看出，渣温控制得偏低， 图6不同锭高时的金属熔池形状 对于直径1000mm的大锭，合适渣温为1700℃ Fig.6 The shape of liquid steel pool 左右，渣皮厚度≤3mm(3)。 during different period 12

侧 面谊至锭 表面 距 离的增加而减少 ， 逐渐趋于定值 。 从表面 到 中心 ， 晶体形 态 由完全的柱状树 枝 晶过渡到柱状树 枝 晶 十 自由树 枝 晶 ， 当 了豆飞直接近 叨寸 ， 自由树 枝 晶的生 成趋势 大大增加 。 利 用 训 值的分 布可 以 大 致 确 定 电渣锭 的 宏 观结 晶组织 ， 晶体生 长的形 态主要与传 热和传 质 有关 ， 即与 “ 温 度过冷 ” 和 “ 成分过 冷 ” 有关 。 凡是 影响 成分过 冷的 因素 ， 都 必 然影响 晶体生 长的形 态 。 结 晶前 沿液 相 的温 度梯度和结 晶速 度是 影响 成分过 冷的 主 要 因素 ， 因而 也是 影响合 金结 晶形貌 的主要 因素 。 随 着 侧贾值的 降低 ， 成分过 冷度增加 ， 如果 在 凝 固前 沿 的液体 中 出现大范 围的成分过 冷 ， 熔 体 内部热流 方 向性又 不 明显 ， 这 时 晶体形 态 由柱状树 枝 晶 向 自由树 枝 晶过渡 。 在 实际 观测 中 ， 在钢 锭 心 部未 见完 全的 自由树 枝 晶区 ， 而是 柱状树枝 晶 干 自由树 枝 晶 。 在 一般 铸锭 过 程 中 ， 柱状树 枝晶在 生 长时可 能被 熔断 ， 游 离至锭心 部形 成 自由树枝 晶 ， 但是 在 电渣重 熔的顺 序凝 固条件下 ， 这种游 离受到 限制 。 这 台电渣 炉结 晶器的冷却 强度 大 ， 渣量 较大 ， 输入功率较小 ， 创 造 了有利 于柱状 晶发展 的条件 ， 因此 ， 即使在锭 心 和 补缩 区也 得到 的是 柱状树 枝 晶 自由树 枝 晶 。 可 见 ， 通过控制 工艺参数 ， 使 侧 值全 都大 于 ， 可 以 明显地扩 大 以级 钢锭 的柱状 晶区 ， 使很 少 显 微疏 松 等缺陷的柱状树 枝 晶结 构 遍布整个钢 锭 工艺因 素分析 熔池形 状的控制 三个典型 位置 的熔池形 状如 图 重熔时 间的推移 ， 熔池 由 ” ‘ 逐 渐 变深 ， 状 有直接 的影响 。 目前生 产 中为 了获得浅 平熔池 ， 消除质点 所 示 。 可以看出 ， 随着 说 明工艺参数对熔 池 形 仍的 偏 析 ， 将 熔化率控制 得 偏 低 ， 从 到 分作 个 档 次 。 金属熔池 中温 度梯度和熔池形 状都影响着 钢 锭 的结 晶结 构 。 过 分 浅 平的熔池 会造成金属 熔池 中温 度 梯度较大 ， 导致结 晶速 度的波 动 和 层状结构 出现的 可 能性增 加 〔 “ 〕 。 在 决定工艺 参数 时 ， 不 必 要追 求过分 浅平的熔 池 。 渣温 和 渣 成分 的控制 在重 熔末 期 ， 对渣池温 度进行 了实 际测量 ， 测量 位置 在 中心 ， 狈吐量 号 、 、 、 相 应的温 度分别 为 ， 、 理 、 和 七 。 重 熔过 程 的渣成分变化如下表 。 从测 量结果 可 以看 出 ， 渣温 控制 得偏低 ， 对于直径 的 大锭 ， 合适 渣温 为 ℃ 左 右 ， 渣皮 厚度《 〔 〕 。 些 民 币 畏 图 不 同锭高时的金属熔池形状