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凝固末端电磁搅拌对钢管性能组织影响研究

2014-6-12 9:40:28

刘麒麟
(条钢产品经营部产品技术室)
 
摘要:针对宝钢电炉圆方坯连铸机末端电磁搅拌的投入使用,结合钢水浇铸的过热度、拉速以及二冷工艺对比验证不同末端电磁搅拌工艺对连铸坯内部质量以及轧制钢管后对成品钢管成分均匀性、组织以及性能的影响,结果表明经过复合电磁搅拌的钢管成分均匀性明显优于未使用未末端电磁搅拌的工艺,冶金效果比较理想,对钢管微观组织性能改善起到良好作用。
关键词: 管坯连铸;末端电磁搅拌;铸坯质量
 
 
Abstract:  According to the round billet caster of Baosteel EAF F-EMS were used, in combination with casting molten steel superheat, casting speed and cooling process validation and comparison between two different terminal F-EMS process on the continuous casting billet internal quality and rolling steel pipe to pipe composition uniformity, organization and performance, the results show that after the steel tube composite F-EMS composition uniformity is better than that using an F-EMS process, metallurgical effect is ideal, the steel microstructure performance improvement and play a good role。
Key words: Billet continuous casting; F-EMS; billet quality

1  研究背景
     随着市场竞争日益激烈,用户对产品质量的要求也不断提高,单靠结晶器电磁搅拌的作用已经不能满足某些高档产品的要求。为了进一步改善连铸坯质量以及最终产品的实物质量,在铸机二冷末端增加了末端电磁搅拌装置。二冷区铸坯液芯通过电磁搅拌,在枝晶熔断和增殖作用下可促成铸坯等轴晶区扩大和凝固组织等轴晶化,它比结晶器的电磁搅拌更能改善铸坯的中心质量[1] 。末端电磁搅拌作用的实质是借助在铸坯液芯中的感生电磁力强化钢水运动,以此影响钢水的对流、传热和传质的过程,从而控制钢水的凝固过程[2] 。为了获得最佳的搅拌效果,必须选择合适的安装位置,安装位置处铸坯要有足够的液芯,同时末端电磁搅拌器必须具有足够大的功率搅动凝固末端的糊状区[3] 本文主要研究在一定位置下通过对比不同末搅工艺对连铸坯以及钢管产品质量的影响。

2 宝钢圆方坯铸机的主要参数、工艺
        铸机主要参数(略)
        二次冷却方式:汽雾冷却;
       浇注控制:液面自动控制;
      电磁搅拌:结晶器电磁搅拌+末端电磁搅拌;
     浇注断面: □160mm,Ø 178 mm , Ø195 mm;
      拉速范围:0.6~2.9 m/ min 。
 
3     试验方案
      国外研究认为[4,5] ,采用电磁搅拌后,钢液的凝固界面受到搅拌力的作用,成长中的柱状晶的前端被切断,这样可避免钢液中的夹杂物和气泡被捕捉于凝固界面上的柱状晶中,促使其上浮分离。但只有搅拌参数达到一定要求才能取得比较好的搅拌效果。国内外大多数专家认为中心磁感应强度达到70 mT、凝固前沿液芯达到<35~<55 mm 时的末端电磁搅拌器就可以满足搅拌需要[6] 。为了充分验证不同末端搅拌工艺对产品质量影响,分别从搅拌电流、搅拌频率、搅拌方式进行对比验证。
3.1 炼钢主要工序工艺方案
      鉴于宝钢BG110S抗硫套管的抗硫性能经常出现不稳定现象,经分析天钢、V&M生产的同类产品可知,宝钢BG110S抗硫套管的抗硫性能、硬度均匀性以及微观偏析等指标与同行业存在较大差距,其主要原因之一是由管坯成分偏析所致。
      出钢记号:XM3874   连铸管坯直径:Ø195mm钢种:31Cr1MoVNb
3.1.1    VD工序
表1    VD工序主要工艺参数
VD开始温度
第一炉:1623±5℃
连浇炉:1613±5℃
高真空时间
≥18min
吹氩流量
≥300NL/MIN*2
台盖温度
第一炉:1575±5℃
连浇炉:1565±5℃
VD结束钢水镇静时间大于10分钟。
3.1.2  连铸工序
      开浇炉温度:1560±5℃;连浇炉温度:1550±5℃
表2    连铸浇铸速度控制
浇铸速度
温度(℃)
过热度(℃)
(m/min)
2
1514
 
14
1.9
1514
1519
14
19
1.8
1520
1530
20
30
1.7
1531
1536
31
36
1.6
1537
1542
37
42
1.5
1543
1548
43
48
1.4
1548
 
48
3.1.3     二冷比水量设定
表3    连铸二次冷却主要参数
 
K1
K2
K3
%
第一区
5.50
0
40.00
27
第二区
13.00
0
60.00
47
第三区
4.00
0
20.00
15
第四区
2.50
0
14.00
10
总计(L/min)
 
100
3.1.4  结晶器电磁搅拌参数设定         
表4    方案一F-EMS参数和铸坯跟踪标
对比试验
电流(A)
频率
(Hz)
搅拌方式
铸坯标识
轧批号
工艺号
1、2、3流
530
50
交替
管坯头部端部用白色油漆标识“白色环”
483763
A
4、5、6流
690
50
交替
管坯头部端部用黄色油漆标识“蓝色环”
485081
B

 
表5    方案二F-EMS参数和铸坯跟踪标志
对比试验
电流(A)
频率
(Hz)
搅拌方式
铸坯标识
轧批号
工艺号
1、2、3流
530
50
连续
管坯头部端部用白色油漆标识“白色环”
483763
C
4、5、6流
600
50
连续
管坯头部端部用黄色油漆标识“蓝色环”
485081
D

 
4  不同末端电磁搅拌对连铸管坯内部质量的影响
4.1铸坯低倍宏观照片
      图1、图2 为在相同搅拌电流、搅拌频率下,分别采用交替式与连续式铸坯低倍对比,由图可见在采用交替式搅拌方式处理条件下的整个铸坯断面上结晶组织明显优于连续式搅拌方式。显然, 在相同搅拌电流与频率处理条件下,采用交替式复合电磁搅拌铸坯的低倍组织致密度较高, 铸坯质量好。
4.2 连铸坯纵剖试验
      为了进一步了解F-EMS工艺对铸坯内部质量差异,在不同工艺连铸管坯加取1m连铸坯沿中心线纵剖,分别抛光热酸腐蚀,观察铸坯内部质量差异以及柱状晶、等轴晶分布变化。

      由图3、图4 所示, 铸坯试样的低倍组织可分为:① 激冷区,2种工艺下的组织宽度均为6-10 mm; ②定向生长的柱状晶区, D 条件下的组织宽度为50-70 mm, 而B条件下的铸坯组织宽度为35-58 mm;③柱状晶等轴晶混合区;D条件下的组织宽度为28-32 mm, 而B条件下的铸坯组织宽度为34-50 mm;④中心等轴晶区,D条件下其宽度为60-80 mm,B条件下其宽度为65- 85mm。可见, 采用交替式末端电磁搅拌处理条件下铸坯的中心等轴区约占铸坯断面面积的26.4%, 而混合区约占铸坯断面面积的10%;采用连续式末端电池搅拌处理下铸坯的中心等轴晶区约占铸坯断面面积的17.7%,见图5所示。

 
5  末端电磁搅拌对钢管成分均匀性、组织性能的影响
5.1钢管成分均匀性分析
      取VM110S、天钢、宝钢连铸坯生产的BG110S(3874)成品管,对其内外壁的成分波动进行分析。取样方法:在不同牌号的硬度样上的内外壁钻孔取屑样(为保证定位准确,钻孔直径2mm),并采用湿法成分分析,结果见表6。

              表6 不同牌号抗硫管内外壁成分含量
牌号
规格
位置
C
Mn
S
Nb
Cr
Mo
VM110S
177.8*11.51
内壁
0.33
0.35
0.0007
0.03
0.91
0.78
外壁
0.33
0.36
0.0009
0.03
0.9
0.78
TP110S
177.8*12.65
内壁
0.26
0.43
0.0009
0.027
0.47
0.74
外壁
0.26
0.42
0.0007
0.027
0.46
0.74
宝钢原工艺(未使用F-EMS)
193.68*12.7
内壁
0.35
0.44
≤0.0005
0.033
0.96
0.85
外壁
0.31
0.42
≤0.0005
0.03
0.99
0.85
试验工艺(使用F-EMS)
193.68*12.7
内壁
0.34
0.44
≤0.0005
0.036
1.01
0.85
外壁
0.32
0.44
≤0.0005
0.035
0.99
0.84

      从以上数据可以看出,VM和天钢的成品管内壁和外壁各合金元素均差异很小,C、Mo元素完全一致,而宝钢生产的套管内壁和外壁C含量有所差异,未采用末端搅拌工艺差值达到0.04%,采用末端搅拌工艺后连铸坯为0.02%。宝钢的BG110S内外壁Nb含量也有一定的差异,而天钢和VM完全无差异。其他元素内壁和外壁的波动很小,基本一致。在硫含量方面,宝钢的BG110S(≤0.0005%)低于VM和天钢的抗硫管。对比宝钢采用不同工序生产的BG110S内外壁成分波动情况,采用大方坯生产的套管成分差异较连铸坯大。
5.2  带状偏析分析
      带状评级考虑到的一些因素:①考虑到热轧管的组织为粗大的上贝氏体,晶粒太大,无法进行有效的带状组织评级,故取调质后的材料进行带状组织评级;②一次调质和两次调质的管子带状组织评级差异情况;③大生产与试验室热处理存在的差异;④由于未有对调质处理后材料带状组织评定标准,故只能参照GB/T 13299-91,钢的显微组织评定方法-评级珠光体钢中带状组织-B系列。依据原则:偏析带的贯通性、连续性、间距、带宽。
    根据上述情况的评定结果见表7。从中可以看出,优化工艺和原工艺两次调质管的带状组织评级没有本质差异,其近内园的带状偏析见图6和图7。偏析带硬度检测见表7。

表7    BG110S大规格抗硫套管带状组织分析结果
试验工艺
原工艺
编号
实验室一次调质
实验室二次调质
大生产两次调质
大生产两次调质
心部
内壁
心部
内壁
心部
内壁
心部
内壁
32-1
0
3
0
2
 
 
1
2.5
0
3
2
2.5
 
 
1
3
32-2
2
3
1
3
1
3
1
2.5
1
3
1
2.5
1
3
1.5
3
37-1
2
3
1
2.5
 
 
1
2
1
3
1
2.5
1
3
 
 
37-2
3
3
2
2.5
 
 
 
 
2
3
2
2.5
 
 
 
 
      表8   不同工艺下偏析带硬度
优化工艺(大生产两次调质-140)
原工艺(大生产两次调质-烟宝)
编号
深色
浅色
编号
深色
浅色
32-1
31-34
28-30
372647
32-34
27-29
32-2
30-35
27-30
372649
32-33
28-29
37-1
 
 
372903
 
 
37-2
 
 
372904
 
 
 
5.3钢管机械性能
      表9  成品钢管机械性能
编号
批号
F-EMS
位置
σ0.6
MPa
σb
MPa
δ50.8
冲击
J
硬度
HRC
32-1
81110
A
804 794
867 866
24.5 24.5
157
25.3-26.9
81110
A
西
813 807
890 881
21.0 21.0
152
25.7-27.3
32-2
81111
B
794 795
870 872
22.5 23.0
156
25.3-26.8
81111
B
西
805 795
876 868
24.0 23.5
161
25.7-26.9
37-1
81497
C
788 787
848 866
24.5 24.0
159
26.9-27.6
81497
C
西
799 790
875 867
23.5 22.0
167
26.9-27.8
37-2
81108
D
779 780
852 857
23.0 24.5
143
26.1-27.3
81108
D
西
785 793
849 850
24.5 24.5
164
26.4-27.4
要求:758≤ BG110SS≤827   HRC≤29
   冲击性能:尺寸-10*10*55      温度-0℃     横向
 
5.4   钢管抗硫性能对比
表10     钢管抗硫性能
编号
批号
F-EMS
位置
溶液
断裂时间
32-1
81110
A
A
10.1:80%-67无√√  85%-√ √ √
81110
A
西
A
10.1:80%-67无√√   85%-99有 79有√
37-1
81497
C
A
10.8:80%-237无√√  85%-103有 72无 √ 
81497
C
西
A
10.8:80%-√√√     85%-96有  96 无 √
37-2
81108
D
A
10.16:80%-102无√√ 85%-89无  √ √
81108
D
西
A
10.16:80%- √ √ √  85%-√  √  √ 

6   结论
( 1) 对于抗硫耐蚀管在相同连铸工艺条件下,采用交替式末端电池搅拌工艺比采用连续式搅拌工艺更能改善铸坯缩孔、中心疏松。
(2)采用交替式末端电池搅拌相对于连续式搅拌方式其更有利于提高铸坯等轴晶比率。
(3)采用复合式电磁搅拌工艺是钢管成分均匀性得到一定改善。
(4)从成品钢管显微硬度以及带状组织分析表明,采用末端电池搅拌工艺更更有利于改善耐蚀管微观带状组织,提高钢管抗硫性能。

参考文献
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[4]  Kollberg S. Cont ribution to t he Theory and Experience of E2 lect romagnetic Stirring in Continuous Casting [ J ] . Iron and  Steel Engineer , 1980 , (3) : 46254.
[5]  Flemings M C. Behavior of Metal Alloys in t he Semisolid State [J ] . Metallurgical Transactions A , 1991 , 22 (4) : 9572981.
[6]  Kirkwood D H. Semisolid Metal Processing[J ] . International Materials Review , 1994 , 39 (5) : 1732180.




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