连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 连铸控流棋式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 王璞铁占鹂肖红张壮唐海燕苗红生张家泉 Macrostructure and macrosegregation behavior of bloom products under various flow control modes of the casting process WANG Pu,TIE Zhan-peng.XIAO Hong.ZHANG Zhuang.TANG Hai-yan,MIAO Hong-sheng.ZHANG Jia-quan 引用本文： 王璞，铁占鹏，肖红，张壮，唐海燕，苗红生，张家泉.连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响.工程科学学 报，2021,43(8：1081-1089.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.01.27.007 WANG Pu,TIE Zhan-peng.XIAO Hong,ZHANG Zhuang,TANG Hai-yan,MIAO Hong-sheng.ZHANG Jia-quan.Macrostructure and macrosegregation behavior of bloom products under various flow control modes of the casting process[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(8:1081-1089.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.01.27.007 在线阅读View online::htps/ldoi.org/10.13374/.issn2095-9389.2021.01.27.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响 Effect of combining F-EMS and MSR on the segregation and shrinkage cavity in continuously cast high-carbon steel blooms 工程科学学报.2017,39(7)：996 https:ldoi.rg/10.13374.issn2095-9389.2017.07.004 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel 工程科学学报.2020.42(S:102hps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.03.20.s09 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报.2019,41(6：748 https::/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.06.006 超声处理对2219大规格铝锭微观组织与宏观偏析的影响 Effect of ultrasonication on the microstructure and macrosegregation of a large 2219 aluminum ingot 工程科学学报.2017,399：外1347 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.007 连俦流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报.2019,41(2：199 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.02.006 稀土Ce对含磷高强F钢俦轧全过程MnS夹杂物影响 Effect of rare earth Ce on MnS inclusions in high strength IF steel containing phosphorus during a continuous casting and rolling process 工程科学学报.2020,42S:1 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.04.06.s11

连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 王璞 铁占鹏 肖红 张壮 唐海燕 苗红生 张家泉 Macrostructure and macrosegregation behavior of bloom products under various flow control modes of the casting process WANG Pu, TIE Zhan-peng, XIAO Hong, ZHANG Zhuang, TANG Hai-yan, MIAO Hong-sheng, ZHANG Jia-quan 引用本文: 王璞, 铁占鹏, 肖红, 张壮, 唐海燕, 苗红生, 张家泉. 连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响[J]. 工程科学学 报, 2021, 43(8): 1081-1089. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.27.007 WANG Pu, TIE Zhan-peng, XIAO Hong, ZHANG Zhuang, TANG Hai-yan, MIAO Hong-sheng, ZHANG Jia-quan. Macrostructure and macrosegregation behavior of bloom products under various flow control modes of the casting process[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(8): 1081-1089. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.27.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.27.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 凝固末端电磁搅拌和轻压下复合技术对大方坯高碳钢偏析和中心缩孔的影响 Effect of combining F-EMS and MSR on the segregation and shrinkage cavity in continuously cast high-carbon steel blooms 工程科学学报. 2017, 39(7): 996 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.004 连铸工艺参数对SWRH82B高碳钢碳偏析的影响 Effect of continuous-casting parameters on carbon segregation in SWRH82B high-carbon steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 102 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.20.s09 圆坯凝固末端电磁搅拌作用下的流动与传热行为 Melt flow and heat transfer at the crater end of round billet continuous casting using final electromagnetic stirring 工程科学学报. 2019, 41(6): 748 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.006 超声处理对2219大规格铝锭微观组织与宏观偏析的影响 Effect of ultrasonication on the microstructure and macrosegregation of a large 2219 aluminum ingot 工程科学学报. 2017, 39(9): 1347 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.007 连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响 Representation and effect of mushy zone coefficient on coupled flow and solidification simulation during continuous casting 工程科学学报. 2019, 41(2): 199 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006 稀土Ce对含磷高强IF钢铸轧全过程MnS夹杂物影响 Effect of rare earth Ce on MnS inclusions in high strength IF steel containing phosphorus during a continuous casting and rolling process 工程科学学报. 2020, 42(S): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.06.s11

工程科学学报.第43卷，第8期：1081-1089.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1081-1089,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.27.007;http://cje.ustb.edu.cn 连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 王 璞，铁占鹏2)，肖红)，张壮)，唐海燕)，苗红生2)，张家泉)区 1)北京科技大学治金与生态工程学院.北京1000832)西宁特殊钢股份有限公司.西宁8100053)湖南中科电气股份有限公司磁电研究 院，岳阳414000 区通信作者，E-mail:jqzhang@metall..ustb.edu.cn 摘要以中碳结构钢大方坯及其热轧棒材为研究对象，通过对铸坯和轧材进行低倍侵蚀和成分分析，揭示了连铸控流模式 对大方坯凝固组织与宏观偏析分布特征的影响及其铸轧遗传性.研究表明：常规直通水口浇注模式下，结晶器电磁搅拌 Mold electromagnetic stirring,M-EMS)电流由0增加到800A,铸坯等轴晶率由6.06%仅可增加到1l.71%,难以有效避免大方 坯常见的中心缩孔缺陷与突出的中心线偏析.采用新型五孔水口浇注模式，即使不开启MEMS,铸坯中心等轴晶率仍可达 23.1%,大方坯中心缩孔级别可降至1.0级以下，满足后续热轧大棒材探伤要求.同时发现，五孔水口浇注模式下，大方坯铸态 组织中往往会出现较为明显的柱状晶到等轴晶转变(Columnar to equiaxed transition,CET)区，铸坯断面碳偏析指数呈M型分 布，表现为断面1/4位置CET区域碳偏析指数最高.大棒材轧制基本改变不了铸坯断面宏观偏析的分布形态，且可能导致中 心线偏析指数增加.同时指出，基于连铸控流模式的作用规律和铸-轧遗传性特征，以及特殊钢长材热加工对中心致密度和 偏析分布与程度的要求，实际生产中应从连铸工艺源头合理地控制铸态组织与宏观偏析分布形态 关键词水口注流模式：电磁搅拌：拉速：凝固组织形态：碳偏析分布：铸轧遗传性 分类号TF777.2 Macrostructure and macrosegregation behavior of bloom products under various flow control modes of the casting process WANG Pu.TIE Zhan-peng2).XIAO Hong ZHANG Zhuang,TANG Hai-yan,MIAO Hong-sheng,ZHANG Jia-quan 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Xining Special Steel Co.,Ltd.,Xining 810005,China 3)Magnetoelectric Research Institute,Hunan Zhongke Electric Co.,Ltd.,Yueyang 414000,China Corresponding author,E-mail:jqzhang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Owing to the large cross-section and wide solidification-temperature zone,bloom castings of medium-and high-carbon steels are prone to severe central shrinkage and macrosegregation defects.Flow control technologies such as nozzle injection mode and electromagnetic stirring,together with the casting speed,play a key role in the as-cast macrostructure and macrosegregation distribution in bloom castings achieving soundness and compositional homogeneity of the final as-rolled products.Based on the production process of a medium-carbon-steel bloom casting and its heavy section bars,various flow control modes have been adopted in the casting production to study their effects on the semiproduct solidification structure and the carbon distribution across the bloom section and the following rolled bars.The conventional nozzle with a single straight port shows that the equiaxed crystal ratio in the casting process can only increase from 6.06%to 11.71%with the M-EMS intensity changes from 0 to 800 A,in which a shrinkage cavity and 收稿日期：2020-01-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1860111,51874033):国家重点研发计划资助项目(016YEB0601302):湖南省科技计划资助项目 (2019RS2065)

连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 王    璞1)，铁占鹏1,2)，肖    红1,3)，张    壮1)，唐海燕1)，苗红生2)，张家泉1) 苣 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 西宁特殊钢股份有限公司，西宁 810005    3) 湖南中科电气股份有限公司磁电研究 院，岳阳 414000 苣通信作者，E-mail：jqzhang@metall.ustb.edu.cn 摘    要    以中碳结构钢大方坯及其热轧棒材为研究对象，通过对铸坯和轧材进行低倍侵蚀和成分分析，揭示了连铸控流模式 对大方坯凝固组织与宏观偏析分布特征的影响及其铸轧遗传性. 研究表明：常规直通水口浇注模式下，结晶器电磁搅拌 (Mold electromagnetic stirring, M-EMS) 电流由 0 增加到 800 A，铸坯等轴晶率由 6.06% 仅可增加到 11.71%，难以有效避免大方 坯常见的中心缩孔缺陷与突出的中心线偏析. 采用新型五孔水口浇注模式，即使不开启 M-EMS，铸坯中心等轴晶率仍可达 23.1%，大方坯中心缩孔级别可降至 1.0 级以下，满足后续热轧大棒材探伤要求. 同时发现，五孔水口浇注模式下，大方坯铸态 组织中往往会出现较为明显的柱状晶到等轴晶转变 (Columnar to equiaxed transition, CET) 区，铸坯断面碳偏析指数呈 M 型分 布，表现为断面 1/4 位置 CET 区域碳偏析指数最高. 大棒材轧制基本改变不了铸坯断面宏观偏析的分布形态，且可能导致中 心线偏析指数增加. 同时指出，基于连铸控流模式的作用规律和铸‒轧遗传性特征，以及特殊钢长材热加工对中心致密度和 偏析分布与程度的要求，实际生产中应从连铸工艺源头合理地控制铸态组织与宏观偏析分布形态. 关键词    水口注流模式；电磁搅拌；拉速；凝固组织形态；碳偏析分布；铸轧遗传性 分类号    TF777.2 Macrostructure and macrosegregation behavior of bloom products under various flow control modes of the casting process WANG Pu1) ，TIE Zhan-peng1,2) ，XIAO Hong1,3) ，ZHANG Zhuang1) ，TANG Hai-yan1) ，MIAO Hong-sheng2) ，ZHANG Jia-quan1) 苣 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Xining Special Steel Co., Ltd., Xining 810005, China 3) Magnetoelectric Research Institute, Hunan Zhongke Electric Co., Ltd., Yueyang 414000, China 苣 Corresponding author, E-mail: jqzhang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT    Owing to the large cross-section and wide solidification-temperature zone, bloom castings of medium- and high-carbon steels are prone to severe central shrinkage and macrosegregation defects. Flow control technologies such as nozzle injection mode and electromagnetic stirring, together with the casting speed, play a key role in the as-cast macrostructure and macrosegregation distribution in bloom castings achieving soundness and compositional homogeneity of the final as-rolled products. Based on the production process of  a  medium-carbon-steel  bloom  casting  and  its  heavy  section  bars,  various  flow  control  modes  have  been  adopted  in  the  casting production to study their effects on the semiproduct solidification structure and the carbon distribution across the bloom section and the following rolled bars. The conventional nozzle with a single straight port shows that the equiaxed crystal ratio in the casting process can only  increase  from  6.06% to  11.71% with  the  M-EMS  intensity  changes  from  0  to  800  A,  in  which  a  shrinkage  cavity  and 收稿日期: 2020−01−27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1860111, 51874033）；国家重点研发计划资助项目（016YEB0601302）；湖南省科技计划资助项目 （2019RS2065） 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1081−1089，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1081−1089, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.27.007; http://cje.ustb.edu.cn

·1082 工程科学学报，第43卷，第8期 macrosegregation exist along the centerline on the strand casting.While the novel five-port nozzle has been adopted,the equiaxed crystal ratio can reach 23.1%even with the M-EMS power off,and the center cavity index drops down to grade 1.0 or below,meeting the requirement of microvoid flaw detection for the bar products.Additionally,the carbon segregation across the bloom cross-section is observed to resemble an M-shaped curve with a maximum carbon segregation index in the columnar to equiaxed transition zone instead of the popular center region.For the heavy section bars rolled from bloom casting,a similar carbon distribution pattern as the cast is observed after hot working but with an even higher centerline segregation index.Therefore,considering the special quality requirements for the subsequent hot processing,the macrostructure and pattern and intensity of macro-segregation should be regulated from the beginning of casting with a reasonable flow control mode as mentioned in the study. KEY WORDS nozzle injection modes;electromagnetic stirring;casting speed;pattern of macrostructure;carbon segregation distribution:cast-rolling heredity 特殊钢长材是机械制造用轴类零件加工的重 下，提高拉速不利于扩大铸坯中心等轴晶率，且会 要基料，多采用连铸方坯热轧棒材工艺生产.铸坯 造成中心致密度变差从而降低后续热轧圆钢的探 的均质性对棒材产品质量及其成品热处理性能有 伤合格率.可见，恒温恒拉速浇铸以保证合理有效 重要影响，诸如中心缩孔和宏观偏析等铸态缺陷 的凝固末端搅拌位置十分重要 往往在后续热加工过程中难以消除，从而直接影 近年来，利用不同结构形式浸入式水口的连 响轧材的探伤合格率和产品的热处理性能.当前， 铸注流模式对大方坯凝固与铸态组织的影响受到 连铸生产中主要基于在炉机匹配条件下的合适钢 日益重视.孙海波等6设计提出适用于方、圆 水过热度与拉速，并组合运用结晶器电磁搅拌 坯连铸使用的四分切向旋流水口，该浇注模式可 (Mold electromagnetic stirring,.M-EMS)、末端电磁搅 在结晶器内产生水平旋流而达到类似M-EMS促 拌(Final electromagnetic stirring,.F-EMS)和/或凝固 进钢水过热耗散的冶金作用.程晓文等)开展了 末端轻压下手段来寻求一个较佳的浇铸工艺窗口 大方坯生产实践中直通水口和旋流水口的应用效 以获得满足轧材质量要求的大方坯铸态组织-) 果对比，发现旋流水口可明显提升铸坯中心等轴 长期以来，人们对连铸过程不同部位电磁搅 晶率，改善中心线偏析和缩孔.王璞等！发现通 拌对铸态组织的作用规律已有一定的认识.比如， 过改变四分径向水口的出流方向也可在结晶器区 Ayata等通过实验发现过热度越高的铸坯其等 域获得水平旋流，并有利于初凝坯壳的均匀生长 轴晶率越低，但在相同过热度下，使用M-EMS可 及弯月面附近的液面稳定性.同时，许伟阳等 明显提高铸坯的等轴晶率.Wu等)研究对比M- 实验研究了铸态偏析的遗传性，发现一般的压缩 EMS搅拌强度对中碳45钢凝固组织的影响发现， 比下轧材中的碳偏析分布与铸坯碳偏析分布大致 M-EMS不仅有利于铸坯等轴晶率的提高，铸态组 相同.另一方面，Ji和李博等0-2在研究调控石油 织中一次和二次枝晶间距也随其搅拌强度的增大 套管钢铸态组织中发现，铸坯中心等轴晶区域分 而明显减小，并通过原位分析证实铸坯中心凝固 布着尺寸不同、形状不规则的点状半宏观偏析，且 组织致密度提高也可明显改善中心线偏析.但过 铸坯中心等轴晶区和半宏观偏析的数量、尺寸往 强的M-EMS也会对浇铸与质量控制产生不利影 往都随M-EMS强度增加而增大.在后续热轧管材 响.如液面波动、铸坯皮下5~15mm内负偏析带 中，点状偏析经压延塑性变形发展为管坯内壁附 以及内部分散型正偏析程度增加等6-)关于F-EMS, 近的带状缺陷，二者在形貌、尺寸、分布及元素偏 Ayata等提出其效果较好的安装位置应在铸坯中 析比等方面都具有遗传一致性. 心固相分率0.1~0.2范围.大量工业实验也表明， 可见，连铸铸态组织控制应该要满足后续轧 安装在铸坯中心固相分率大于0.4的位置因难以 材的热加工性能，乃至产品的服役性能要求，深入 破坏枝晶搭桥而不利于改善铸坯内部致密度：这 认识浇铸技术对铸态形貌与组织的作用规律具有 也与F-EMS在铸坯中心的搅拌力矩相对较小有 十分重要的意义.然而，如何基于水口注流模式 关.Li等I通过多元多场全铸流模型揭示了F-EMS 与M-EMS和F-EMS以及拉速的组合匹配、通过 安装位置在中心固相率0.1左右可较好减轻中心 控制流动来控制凝固并考察其对铸坯与轧材致密 偏析.此外，陈亮等对360mm×450mm大方坯 性与成分均匀性的综合影响，相关研究至今鲜有 连铸45钢的生产试验表明，一定的F-EMS位置 报道.本文以常见中碳45结构钢大方坯连铸与热

macrosegregation exist along the centerline on the strand casting. While the novel five-port nozzle has been adopted, the equiaxed crystal ratio can reach 23.1% even with the M-EMS power off, and the center cavity index drops down to grade 1.0 or below, meeting the requirement  of  microvoid  flaw  detection  for  the  bar  products.  Additionally,  the  carbon  segregation  across  the  bloom  cross-section  is observed to resemble an M-shaped curve with a maximum carbon segregation index in the columnar to equiaxed transition zone instead of the popular center region. For the heavy section bars rolled from bloom casting, a similar carbon distribution pattern as the cast is observed after hot working but with an even higher centerline segregation index. Therefore, considering the special quality requirements for  the  subsequent  hot  processing,  the  macrostructure  and  pattern  and  intensity  of  macro-segregation  should  be  regulated  from  the beginning of casting with a reasonable flow control mode as mentioned in the study. KEY  WORDS    nozzle  injection  modes； electromagnetic  stirring； casting  speed； pattern  of  macrostructure； carbon  segregation distribution；cast-rolling heredity 特殊钢长材是机械制造用轴类零件加工的重 要基料，多采用连铸方坯热轧棒材工艺生产. 铸坯 的均质性对棒材产品质量及其成品热处理性能有 重要影响，诸如中心缩孔和宏观偏析等铸态缺陷 往往在后续热加工过程中难以消除，从而直接影 响轧材的探伤合格率和产品的热处理性能. 当前， 连铸生产中主要基于在炉机匹配条件下的合适钢 水过热度与拉速 ，并组合运用结晶器电磁搅拌 (Mold electromagnetic stirring, M-EMS)、末端电磁搅 拌 (Final electromagnetic stirring, F-EMS) 和/或凝固 末端轻压下手段来寻求一个较佳的浇铸工艺窗口 以获得满足轧材质量要求的大方坯铸态组织[1−3] . 长期以来，人们对连铸过程不同部位电磁搅 拌对铸态组织的作用规律已有一定的认识. 比如， Ayata 等[4] 通过实验发现过热度越高的铸坯其等 轴晶率越低，但在相同过热度下，使用 M-EMS 可 明显提高铸坯的等轴晶率. Wu 等[5] 研究对比 M￾EMS 搅拌强度对中碳 45 钢凝固组织的影响发现， M-EMS 不仅有利于铸坯等轴晶率的提高，铸态组 织中一次和二次枝晶间距也随其搅拌强度的增大 而明显减小，并通过原位分析证实铸坯中心凝固 组织致密度提高也可明显改善中心线偏析. 但过 强的 M-EMS 也会对浇铸与质量控制产生不利影 响，如液面波动、铸坯皮下 5～15 mm 内负偏析带 以及内部分散型正偏析程度增加等[6−8] . 关于 F-EMS, Ayata 等[4] 提出其效果较好的安装位置应在铸坯中 心固相分率 0.1～0.2 范围. 大量工业实验也表明[9−12] ， 安装在铸坯中心固相分率大于 0.4 的位置因难以 破坏枝晶搭桥而不利于改善铸坯内部致密度；这 也与 F-EMS 在铸坯中心的搅拌力矩相对较小有 关. Li 等[13] 通过多元多场全铸流模型揭示了 F-EMS 安装位置在中心固相率 0.1 左右可较好减轻中心 偏析. 此外，陈亮等[14] 对 360 mm×450 mm 大方坯 连铸 45 钢的生产试验表明，一定的 F-EMS 位置 下，提高拉速不利于扩大铸坯中心等轴晶率，且会 造成中心致密度变差从而降低后续热轧圆钢的探 伤合格率. 可见，恒温恒拉速浇铸以保证合理有效 的凝固末端搅拌位置十分重要. 近年来，利用不同结构形式浸入式水口的连 铸注流模式对大方坯凝固与铸态组织的影响受到 日益重视. 孙海波等[15−16] 设计提出适用于方、圆 坯连铸使用的四分切向旋流水口，该浇注模式可 在结晶器内产生水平旋流而达到类似 M-EMS 促 进钢水过热耗散的冶金作用. 程晓文等[17] 开展了 大方坯生产实践中直通水口和旋流水口的应用效 果对比，发现旋流水口可明显提升铸坯中心等轴 晶率，改善中心线偏析和缩孔. 王璞等[18] 发现通 过改变四分径向水口的出流方向也可在结晶器区 域获得水平旋流，并有利于初凝坯壳的均匀生长 及弯月面附近的液面稳定性. 同时，许伟阳等[19] 实验研究了铸态偏析的遗传性，发现一般的压缩 比下轧材中的碳偏析分布与铸坯碳偏析分布大致 相同. 另一方面，Ji 和李博等[20−21] 在研究调控石油 套管钢铸态组织中发现，铸坯中心等轴晶区域分 布着尺寸不同、形状不规则的点状半宏观偏析，且 铸坯中心等轴晶区和半宏观偏析的数量、尺寸往 往都随 M-EMS 强度增加而增大. 在后续热轧管材 中，点状偏析经压延塑性变形发展为管坯内壁附 近的带状缺陷，二者在形貌、尺寸、分布及元素偏 析比等方面都具有遗传一致性. 可见，连铸铸态组织控制应该要满足后续轧 材的热加工性能，乃至产品的服役性能要求，深入 认识浇铸技术对铸态形貌与组织的作用规律具有 十分重要的意义. 然而，如何基于水口注流模式 与 M-EMS 和 F-EMS 以及拉速的组合匹配、通过 控制流动来控制凝固并考察其对铸坯与轧材致密 性与成分均匀性的综合影响，相关研究至今鲜有 报道. 本文以常见中碳 45 结构钢大方坯连铸与热 · 1082 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期

王璞等：连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 ·1083 轧棒材实际生产条件为对象，通过工业实验揭示 机基本参数及所浇铸的中碳45钢主要化学成分 组合控流技术对大方坯铸态结构与宏观偏析的影 分别如表1和表2所示，热轧圆棒直径为250mm. 响，同时分析相关铸态缺陷在轧制过程中的演变 铸机与水口形貌如图1所示，其中传统直通式水 规律，以期为连铸流程特殊钢长材生产综合质量 口和新型五孔水口并匹配不同电流与频率的M- 的提升提供实验与理论依据. EMS和F-EMS及拉速等都有控制钢液流动进而 1试验内容与方法 影响大方坯连铸凝固过程的作用.在现行二冷强 度下基于控制变量法设计工业试验，方案如表3 某特钢厂生产45钢的主要工艺流程为：110t电 所示.然后采用低倍侵蚀、钻屑分析等手段对不 弧炉→LF钢包精炼→VD真空脱气→3流410mm× 同控流模式下45钢铸坯和轧材中的疏松、缩孔及 530mm断面大方坯弧形连铸机→热轧大棒材.铸 偏析进行对比研究 表1大方坯连铸机及生产工艺基木参数 Table 1 Bloom continuous casting machine and its basic production parameters Number of Spacing of each Cross-section/ Radius of continuous Mold length/ Maximum metallurgical Electromagnetic stirring castings strand/mm (mm×mm） caster/m mm length/m technology 3 strands 2200 410×530 16.5 780 34 M-EMS+F-EMS 表245钢主要化学成分（质量分数） 位置如图2所示.将各浇铸工况下取得试样的横、 Table 2 Chemical composition of 45 steel 纵截面用车、铣、磨加工制备，使检验面不存在影 Si Mn Cr Ni P 响观察效果的加工痕迹.选用容积比例1：1的工 0.42-0.500.17-0.370.5-0.8≤0.25≤0.25≤0.035≤0.035 业盐酸水溶液作为侵蚀剂，将表面加工后的试样 浸泡在侵蚀剂中，并处于水浴温度70℃的环境下 1.1低倍样制备 侵蚀20min.侵蚀结束后立即用清水冲刷表面后 45钢连铸大方坯及热轧棒材横、纵截面取样 用高压气流吹干，拍照记录并对中心缺陷进行观 Tundish M-EMS Zone I Water sptay Zone 2 Air mist spra A=A 022 Ze4 Air misgay Signle-port pozzle Five-port nozzle 10700 000 Unit mm 田☒ ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ F-EMS ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ 图1大方坯铸机和两种水口示意图 Fig.I Schematic diagram of the bloom casting machine and the two kinds of nozzles

轧棒材实际生产条件为对象，通过工业实验揭示 组合控流技术对大方坯铸态结构与宏观偏析的影 响，同时分析相关铸态缺陷在轧制过程中的演变 规律，以期为连铸流程特殊钢长材生产综合质量 的提升提供实验与理论依据. 1    试验内容与方法 某特钢厂生产 45 钢的主要工艺流程为：110 t 电 弧炉→LF 钢包精炼→VD 真空脱气→3 流 410 mm× 530 mm 断面大方坯弧形连铸机→热轧大棒材. 铸 机基本参数及所浇铸的中碳 45 钢主要化学成分 分别如表 1 和表 2 所示，热轧圆棒直径为 250 mm. 铸机与水口形貌如图 1 所示，其中传统直通式水 口和新型五孔水口并匹配不同电流与频率的 M￾EMS 和 F-EMS 及拉速等都有控制钢液流动进而 影响大方坯连铸凝固过程的作用. 在现行二冷强 度下基于控制变量法设计工业试验，方案如表 3 所示. 然后采用低倍侵蚀、钻屑分析等手段对不 同控流模式下 45 钢铸坯和轧材中的疏松、缩孔及 偏析进行对比研究. 表 1 大方坯连铸机及生产工艺基本参数 Table 1   Bloom continuous casting machine and its basic production parameters Number of castings Spacing of each strand/ mm Cross-section/ （mm×mm） Radius of continuous caster/m Mold length/ mm Maximum metallurgical length/m Electromagnetic stirring technology 3 strands 2200 410×530 16.5 780 34 M-EMS+F-EMS 表 2  45 钢主要化学成分（质量分数） Table 2   Chemical composition of 45 steel % C Si Mn Cr Ni S P 0.42–0.50 0.17–0.37 0.5–0.8 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.035 ≤0.035 1.1    低倍样制备 45 钢连铸大方坯及热轧棒材横、纵截面取样 位置如图 2 所示. 将各浇铸工况下取得试样的横、 纵截面用车、铣、磨加工制备，使检验面不存在影 响观察效果的加工痕迹. 选用容积比例 1∶1 的工 业盐酸水溶液作为侵蚀剂，将表面加工后的试样 浸泡在侵蚀剂中，并处于水浴温度 70 ℃ 的环境下 侵蚀 20 min. 侵蚀结束后立即用清水冲刷表面后 用高压气流吹干，拍照记录并对中心缺陷进行观 Tundish M-EMS F-EMS Signle-port nozzle Five-port nozzle 1900 780 350 1800 2200 3500 7490 2000 10700 Unit: mm Zone 1 Water spray Zone 2 Air mist spray Zone 3 Air mist spray Zone 4 Air mist spray ϕ90±3 ϕ95 ϕ40 23 36 ϕ141 ϕ115 ϕ45 ϕ106 ϕ12 25 35 150 3 mm 15 1120 300 245 95 70 55 90 &=3 mm ϕ141±1 175±2 1080±2 200±10 ϕ106±1 ϕ115 ϕ45ϕ40 30° 70 A A==A 图 1    大方坯铸机和两种水口示意图 Fig.1    Schematic diagram of the bloom casting machine and the two kinds of nozzles 王    璞等： 连铸控流模式对大方坯及棒材组织结构与宏观偏析影响 · 1083 ·

1084 工程科学学报，第43卷，第8期 表3试样编号及浇铸试验工况 点外，每个方向均等间距选取8个取样位置，分别 Table 3 Sample numbers and casting conditions 记为1/8r、2/8r、3/8r、4/8r、5/8r、6/8r、7/8r及r.其 (Current intensity/A)\ 中r表示工件表面距钻样中心点距离，数字0表示 Sample Injection Superheat Casting speed/ (Frequency/Hz) number mode degree/℃ (m-min) 钻样中心点.根据检测结果由式(1)计算该点处的 M-EMS F-EMS 碳偏析指数，并将3个对称轴方向(1+4、2+5、3+6) 115-S3B Normal 0.38 00 7007.5 nozzle 的偏析指数分别绘制在一张图上进行成分分布特 115-S3 .Normal 20 0.38 8001.5 7007.5 nozzle 性分析 536-S1B Five-port 33 0.38 00 70017.5 Ci nozzle Ri= (1) 536-S2B Five-port 33 0.38 3001.5 7007.5 Ciln nozzle El 578-S2A Five-port 28 0.38 50011.5 66017.5 nozzle 式中，R:为当地碳偏析指数；C为钻屑点处化学分 579-S1A Five-port 28 0.38 5001.5 8005 nozzle 析测定的碳质量分数；n为钻屑点的个数 579-S3B Five-port 28 0.40 5001.5 800八5 nozzle 2实验结果与讨论 579-S2B Five-port 28 0.42 5001.5 800八5 nozzle 2.1结晶器不同控流模式对凝固组织的影响 察评级 图3为结晶器不同控流模式下45钢大方坯横 1.2偏析检测 截面宏观组织结构对比.其中可见，大方坯中心等 通过碳硫分析仪测定取样点处的碳含量，取 轴晶区明显地向下面的外弧侧偏离.由于二冷水 样方式如图2所示.钻屑时，先在取样点处预钻 喷淋在铸流内弧上的冗余量容易沉积，而外弧冷 2mm左右，清除钻出的屑样以消除表面氧化层对 却水打击在铸坯表面后直接掉落，内弧冷却强度 检验效果的影响.考虑到弧形连铸大方坯凝固组 比外弧大；此外，铸坯液相穴中的晶核或游离枝 织可能存在的不对称性，在每块铸坯及轧材横截 晶在重力作用下向外弧侧沉积，也将抑制外弧侧 面3个几何对称轴上选取6个方向.除工件中心 柱状晶的生长.这两种效应导致了所揭示的铸态 (a) (b) 6J 6s● 6时 ●，号888888 ●5 ◆5 图2大方坯铸坯(a)与热轧棒材(b)截面取样及钻屑示意图 Fig.2 Schematic diagram for section sampling and drilling of the as-cast bloom (a)and hot-rolled bar(b)

察评级. 1.2    偏析检测 通过碳硫分析仪测定取样点处的碳含量，取 样方式如图 2 所示. 钻屑时，先在取样点处预钻 2 mm 左右，清除钻出的屑样以消除表面氧化层对 检验效果的影响. 考虑到弧形连铸大方坯凝固组 织可能存在的不对称性，在每块铸坯及轧材横截 面 3 个几何对称轴上选取 6 个方向. 除工件中心 点外，每个方向均等间距选取 8 个取样位置，分别 记为 1/8r、2/8r、3/8r、4/8r、5/8r、6/8r、7/8r 及 r. 其 中 r 表示工件表面距钻样中心点距离，数字 0 表示 钻样中心点. 根据检测结果由式（1）计算该点处的 碳偏析指数，并将 3 个对称轴方向（1+4、2+5、3+6） 的偏析指数分别绘制在一张图上进行成分分布特 性分析. Ri = Ci ∑n i=1 Ci/n （1） 式中， Ri 为当地碳偏析指数； Ci 为钻屑点处化学分 析测定的碳质量分数；n 为钻屑点的个数. 2    实验结果与讨论 2.1    结晶器不同控流模式对凝固组织的影响 图 3 为结晶器不同控流模式下 45 钢大方坯横 截面宏观组织结构对比. 其中可见，大方坯中心等 轴晶区明显地向下面的外弧侧偏离. 由于二冷水 喷淋在铸流内弧上的冗余量容易沉积，而外弧冷 却水打击在铸坯表面后直接掉落，内弧冷却强度 比外弧大；此外，铸坯液相穴中的晶核或游离枝 晶在重力作用下向外弧侧沉积，也将抑制外弧侧 柱状晶的生长. 这两种效应导致了所揭示的铸态 表 3    试样编号及浇铸试验工况 Table 3    Sample numbers and casting conditions Sample number Injection mode Superheat degree/℃ Casting speed/ (m·min−1) (Current intensity/A) \ (Frequency/Hz) M-EMS F-EMS 115-S3B Normal nozzle 20 0.38 0\0 700\7.5 115-S3Z Normal nozzle 20 0.38 800\1.5 700\7.5 536-S1B Five-port nozzle 33 0.38 0\0 700\7.5 536-S2B Five-port nozzle 33 0.38 300\1.5 700\7.5 578-S2A Five-port nozzle 28 0.38 500\1.5 660\7.5 579-S1A Five-port nozzle 28 0.38 500\1.5 800\5 579-S3B Five-port nozzle 28 0.40 500\1.5 800\5 579-S2B Five-port nozzle 28 0.42 500\1.5 800\5 30 mm 410 mm 30 mm 410 mm 530 mm 530 mm A B Casting direction 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 3-8 3-7 3-6 3-5 3-4 3-3 3-2 3-1 4-14-24-34-44-54-64-74-8 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 2-8 2-7 2-6 2-5 2-4 2-3 2-2 2-1 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 0 (a) 6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 3-8 3-7 3-6 3-5 3-4 3-3 3-2 3-1 5-1 5-2 5-3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 2-8 2-7 2-6 2-5 2-4 2-3 2-2 2-1 4-1 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 4-24-34-44-54-64-74-8 0 (b) 图 2    大方坯铸坯（a）与热轧棒材（b）截面取样及钻屑示意图 Fig.2    Schematic diagram for section sampling and drilling of the as-cast bloom (a) and hot-rolled bar (b) · 1084 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期