BG420CL车轮钢板坯连铸参数的优化

关键词：BG420CL；连铸；参数优化

中图分类号：TF777 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2008)09—0023—06

BG420CL是本钢近年来自主研制的汽车车轮专用钢种，是冲压用热轧钢板，控制板坯夹杂物和裂纹缺陷是保证钢板质量的关键。本文结合本钢在线生产的双机2流、2×175万t／a，直弧、连续弯曲、连续矫直型大板坯连铸机的性能，采用生产试验和物理模拟相结合方法，对该钢种连铸过程的主要参数进行了研究和优化。

1 拉坯速度的确定

拉坯速度是连铸生产工艺的重要参数，既决定连铸机生产能力，又影响板坯质量。适宜的拉坯速度是控制BG420CL钢板坯质量的关键。

碳含量对拉坯速度的影响。钢种的化学成分(质量分数，下同)见表1，[P]、[S]含量较低、ω([Mn])0．90％～1．10％，ω([Mn])／ω([S])>25、ω([Al])控制在0．03％附近，上述成分量对拉坯速度影响不显著。但是钢种含微量Nb特别是碳当量在包晶区内，用M Wolf／A A Howe^[1]提出的碳当量计算公式：

C_ep＝[C]＋0．04[Mn]＋0．07[N]－0．14[Si]＋0．1[Ni]－0．04[Cr]－0．1[Mo]－0．24[Ti] (1)

计算结果碳当量C_ep是0．11％～0．12％，钢液凝固时会发生δ＋L液体→γ相变，体积收缩量增加3．8％，弯月面处，在钢液静压力的作用下坯壳会变得薄而不均，表面粗糙，易形成裂纹源^[2]。图1、2是从本钢在线生产中抽取碳含量在0．11％～0．16％的2万t铸坯，进行调查统计的结果，分析了碳含量、拉坯速度与角横裂纹的关系。BG420CL车轮用钢化学成分恰在易出现裂纹区间，显然拉坯速度既要与碳含量相匹配，又要满足低合金钢的要求。参照连铸低强度级别石油管线钢参数，工艺过程是：高炉铁水→铁水预处理→转炉→炉外精炼→连铸加RE试验设计了3个拉坯速度见表2。从坯断面是230 mm×l 510 mm、拉坯速度为1．0 m／min的3个炉号6个批次中取6块铸坯样进行检验。横向截取1／2试验板坯，对其作对角线在焦点处沿拉坯方向横向取试样做高、低倍检验。表3为BG420CL钢的低倍检验结果：无角裂，有轻微的中心偏析及三角区裂纹。用户反馈意见，冲压成形无分层、裂纹等废品。金相组织是铁素体加少量珠光体，见图3。非金属夹杂物按GB10561中ASTM评级为A类0．5～1级、B类0～0．5级、C类0级、D类0～0．5级。

2 板坯高温面缩率和临界应变量测定

(1)700～1 300℃面缩率的测定。取样部位、数量和方法同上，试样加工成Φ10 mm×120 mm，圆棒以Gleeble一2000型热模拟试验机做高温塑性和零强温度模拟试验。试验以10℃／s加热到1 450℃，出现8～10 mm的液相区，保温10 s，以2℃／s的速度拉伸到断同时测定断面收缩率和临界应变量。钢在高温状态下均存在3个脆性温度区，Ⅰ区T_m～1200℃、Ⅱ区1 200～900℃、Ⅲ区900～600℃。

不同钢种，3个脆性温度区问不同，其临界应变量也不同。连铸过程中，铸坯凝固前沿一直处于因鼓肚、矫直、支撑辊不对中而产生拉应变，一旦施加凝固前沿的总应变超过某一临界应变，凝固前沿就会沿柱状晶问开裂，形成内裂纹。从力学角度分析，内裂纹形成是凝固前沿过量拉应变结果口]。从凝固特点分析，凝固前沿的微观偏析导致杂质元素在枝晶间液相中富集，形成低熔点的液相薄膜，减弱了凝固前沿抵抗变形能力。因此，凝固前沿的微观偏析也是造成内裂纹的一个主要因素。拉坯速度一定，板坯表面温度是产生裂纹的敏感参数。由图4说明当温度≥900℃时断面收缩率≥60％，参考铝镇静低碳钢的连铸图^[4]，当高温拉伸测得的断面收缩率大于60％时，此温度条件连铸坯塑性较好，而小于60％时铸坯的裂纹敏感性显著。

(2)应变量的测定。试样取得的数量、方法和加工形状同上。用Gleeble一2000型热模拟试验机分别对试样做700～1 300℃的热拉伸试验。如图5所示，找出温度对时间的变化特点即试验在740～750 s，试样温度急速下跌出现断裂，定义该点为临界断裂点，通过在该点所测得的试样长度方向的变形量计算出的应变量为临界应变。在此同时测试和计算时间与应力、时间与应变及应力与应变曲线，如图6所示。同理可测定750～1 300℃条件下的时间、应变、应力曲线。再用上述曲线确定700～1300℃条件下拉伸时的临界应变，见图7。

力－位移曲线转化为应力－应变曲线：

式中，S为试样的截面积；σ为应力，MPa；M为力，N；ε为应变；g为重力加速度，m／s²，一般取9．8；△l为试样长度方向的蛮形量，mm；l为试样的原长度，mm。

上述各温度条件下所测得的临界应变，为研究该钢种热缩性及预测连铸生产时因鼓肚、矫直、辊子不对中等引起的应变提供了试验数据。

3 结晶器和二冷却段的冷却水量分配

结晶器的传热和钢液的凝固，是非常复杂的过程。但是，在生产实际中结晶器的结构参数一般相对固定，本文仅依据钢种和过热度来匹配水量。钢种属裂纹敏感的包晶钢，以生产的2万t SS400钢坯为样本，对因角横裂而判废的板坯，统计碳含量、比水量、过热度对产生角裂纹、横裂纹的影响，见图8、9。依据上述1 m／min的拉坯速度和过热度<30℃的条件来匹配一冷和二冷的水量。

结晶器冷却水量设计主要是为了适应高拉坯速度，结晶器长度为900 mm，不同钢种的最大拉坯速度是1．35～1．80 m／min、最大断面250 mm×1 600mm。所以，冷却强度取上限，宽面水量是4 250L／min、流速为16 m／s；窄面水量是750 L／min、流速是10．16 m／s。

二冷区冷却水量的设计。带着液芯的铸坯从结晶器出来进入二冷区，冷却水直接喷洒在铸坯表面，铸坯继续凝固。由于热应力及其它应力作用易产生内部裂纹，与比水量相关，如表4所示。在二冷却区采用弱冷却制度，使板坯在二冷却区保持相对高温运行，对预防内裂纹敏感的钢种产生内裂纹是非常重要的。BG420CL钢板坯是含Nb钢，经验指出应采用弱冷却制度。图10表示当拉坯速度是1 m／min时，强、中、弱冷却水量分配的3个水表。总水量分别是2 280、1 796、1 743 L／min；比水量分别是0．89、0．77、0．68 L／kg。用上述3个比水量，断面为1510 mm×230 mm，拉坯速度是1 m／min做试验，结果表明采用弱冷却制度为宜。

4 保护渣的筛选

BG420CL钢连铸保护渣既要适应中碳钢凝固特点，还要同结晶器喂RE元素相结合。由于RE元素熔点低，喂丝过程极易氧化形成高熔点化合物，上浮至液面被保护渣吸收，改变渣的性能，使液面流动性变差，消耗量减少，表层结块、结层，严重导致粘结漏钢。连铸RE处理的钢种，筛选保护渣见表5。BG420CL板坯加入RE量是以ω([RE])／ω([s])分别是0、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0的比例加入，试验结果当ω([RE])／ω([S])＝2时为好，RE喂入量约为200 mg／t(钢)，检验RE在钢和渣中的分配比为9比1，钢种消耗保护渣吨钢约是0．5 kg，由此推算RE氧化物约占保护渣的3％。

试验发现含RE的保护渣熔点和熔速均有变化，保护渣黏度较小时RE溶解速度快，反之亦然，操作时定期捞渣，捞出渣的化学成分(质量分数)与原渣比较见表6，捞出渣的熔点与原渣相比增加了38℃，黏度明显增加。故保护渣应高碱度、低黏度。高碱度能有效地抑制Si ⁴O^-2离子团积聚，降低渣黏度，低黏度利于RE氧化物扩散提高溶解速度^[5]。

RE在试验板坯分布。试验表明RE在板坯中的分布起到示踪剂作用，抽取炉号为DL335669的板坯2块，在1／2板坯横断面上，1／3板坯高度分上、中、下3部分，取样点分布见图11。以各取样点含RE量的算术平均值表示RE在板坯的分布，详见图12，平均含量为0．016％，极差仅是0．006％。对于同一浇次不同炉号，每炉抽取板坯试样2块，分别在板坯的头中尾部取样进行化学分析，取算数平均值作为该炉号RE的含量，然后计算在同一浇次中的分布，见图13，平均含量为0．016％，极差是0．008％；板坯内RE无偏析，显微组织是铁素体加少量珠光体；板卷开平板检测头、中、尾RE含量，在0．012％～0．020％之间。

定义钢中夹杂物球化率来说明RE处理钢液效果，球化率等于在60个视场中，球状夹杂物的个数占各种形貌夹杂物的总个数的百分数。SEM检验夹杂物球化率见图14和表7。板坯没有出现偏析和内部裂纹。生产时没有因为保护渣产生漏钢事故，保护渣性能是适宜的。

5 结论

(1)BG420CL是中碳、低合金、RE处理的冲压用热轧钢板。生产试验结合铸机特性、钢种性质及用途对连铸工艺主要参数进行了优化。优选1m／min拉坯速度，以温度为目标函数，二冷却段采用弱冷却制度，保护渣为高碱度、低黏度、较低熔点，全程保护浇铸。生产的板坯，经检验满足热轧工序要求。

(2)采用热模拟测试不同温度下钢种的面缩率和断裂时的应变，为研究该钢种的热塑性提供了试验数据。

(3)结晶器喂RE丝利于夹杂物的球化，由表7可见当ω([RE])／ω([S])＝2时效果较佳，RE在钢坯中没有出现偏析。