大方坯轴承钢中心偏析的成因及预防措施
发布时间：2015-07-07何庆文1，2， 王宝1， 王福明1， 刘青1
（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2.莱芜钢铁股份有限公司特殊钢厂，山东莱芜 271105）
摘 要：对莱钢特钢厂连铸生产的大方坯轴承钢中心偏析的成因进行分析，研究了中间包钢水过热度等因素对中心偏析的影响，并对莱钢特钢厂的生产实践提出了预防措施。改善连铸轴承钢的中心偏析的方法和途径有：降低和稳定过热度，合理选择拉速、二冷强度和电磁搅拌参数等。
关键词：轴承钢；方坯；中心偏析；预防措施
莱钢特钢厂轴承钢生产流程为：50t UHP-EAF（铁水热装比大于50%）+50t LF+60t VD真空脱气+3机3流大方坯全弧形合金钢连铸机+铸坯入坑缓冷、部分连铸坯直接热送轧制成材。连铸机弧形半径为R11m/16m/32m，3点矫直，铸坯断面为180mm×220mm、260mm×300mm，采用全封闭无氧化保护浇注，结晶器液面自动控制，专用轴承钢结晶器保护渣保护浇注，二冷气雾冷却动态配水，结晶器+末端（M+F-EMS）复合式电磁搅拌，连铸坯重接部分切除、头尾坯优化等技术。
连铸工艺生产轴承钢，铸坯表面质量良好，通过LF+VD真空处理和严格的无氧化保护浇注，钢中氧含量降低，平均氧的质量分数达到10×10-6以下，钢材热顶锻一次检验合格率达到100%。轴承钢生产中，中心碳偏析是其主要低倍缺陷。
1 中心偏析形成机制
小钢锭凝固理论认为，钢水过热度高，促使柱状晶增长过快，在凝固后期由于铸坯断面中心柱状晶的搭桥，当桥下面的钢液继续凝固时，得不到上部钢液的补充，下部区域相当于小钢锭凝固，液体向固体转变，伴随着体积收缩和线收缩。随着钢液含碳量的增加，钢锭凝固的收缩量也逐渐增大。因此，与低碳钢相比，中、高碳钢更容易产生中心偏析和中心疏松。根据溶质元素析出与富集理论，铸坯从表层到中心结晶过程中，由于钢水中的一些溶质元素，如碳、磷、硫等，在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出的溶质元素排到尚未凝固的中心部位，从而形成连铸坯中心偏析[1，2]。
2 影响中心偏析因素
2.1钢水过热度
连铸钢水的过热度对高碳铬轴承钢铸坯的质量有重要影响。因为高碳铬轴承钢固液两相区温度达到131℃，故中等过热度的钢液也有其柱状晶强烈增大趋势，在凝固后期由于连铸坯断面中心柱状树枝晶的搭桥而形成小钢锭的凝固结晶现象，铸坯产生中心偏析。过热度越低，中心偏析的评级越低[3]。
中心碳偏析的严重程度与坯心钢水的液相穴深度有关，钢水的液相穴愈深，中心偏析愈严重，降低过热度可以降低液相穴的深度，从而减轻中心偏析。
钢水中元素的偏析是随着凝固前沿的推移而逐渐产生的，影响偏析程度的主要因素为中间包钢水过热度和由过热度而决定的凝固前沿的温度梯度。在较高的温度梯度下，固液相线温差越大，使开始结晶和发生了结晶的固相成分差别愈大，体积收缩比也越大，偏析也愈严重。对轴承钢的低倍组织检验发现，在过热度较高的炉次产生中心增碳现象，该缺陷在钢材热酸蚀后的中心部位出现明显的黑色斑点。由于中间包钢水过热度的控制存在明显差异，导致连铸坯中心碳偏析存在较大差别，如图1所示。
2.2电磁搅拌
凝固过程中，不可避免地存在选分结晶，使部分钢水先凝固，形成偏析。通过搅拌钢水，一方面柱状晶被打断，作为钢水生成等轴晶的核心，另一方面增加钢水流动性，提高凝固相间的热传递，有利于降低过热度，减少凝固前沿的温度梯度，抑制柱状晶的定向生长，促进等轴晶的生成。末端电磁搅拌可以阻止粘稠钢液在等轴晶区域内移动，使铸坯的中心偏析得以分散，中心疏松得到改善。
结晶器电磁搅拌对铸坯的凝固组织产生良好的影响，由于过热度较快降低、温度分布均匀，等轴晶区扩大，因而对改善中心缩孔和疏松起到良好作用。在钢液低过热度浇铸时，结晶器电磁搅拌对改善缩孔的效果不明显，高过热度（大于35℃）时，结晶器电磁搅拌对改善缩孔的效果明显。大量的铸坯低倍组织证明了这一点，如图2、3所示。从低倍组织对比可以看出：电磁搅拌后，心部的等轴晶区域明显增大；无明显的柱状晶，柱状晶粒被打断，很细小；整个面的组织明显均匀，说明偏析程度大大减轻；连铸坯心部组织得到改善，晶粒细小而均匀。
2.3冷却强度
适当提高二次冷却强度除了能细化组织晶粒外，还能缩短液相深度，增加坯壳厚度。但是，二冷区冷却强度过大，造成断面上温度梯度过大，会促进柱状晶的生长、减少等轴晶的比例，铸坯的角部裂纹严重，同时将加快铸坯中心树枝晶搭桥现象，使中心偏析更加严重。
一般采用弱冷。但是，冷却过弱，会造成凝固壳太薄，铸坯表面温度过高，铸坯在高温度下强度低，在钢水静压力作用下，坯壳会发生鼓肚。
一般采用弱冷。但是，冷却过弱，会造成凝固壳太薄，铸坯表面温度过高，铸坯在高温度下强度低，在钢水静压力作用下，坯壳会发生鼓肚。
2.4拉速
拉速与连铸坯中心偏析评级有关。一般来讲，连铸坯的等轴晶区面积越大，中心偏析评级越低。
降低拉速对铸坯质量有利，尤其是大方坯轴承钢，当铸坯在离开结晶器时，坯壳有足够的厚度以承受内部钢水的静压力，否则易产生鼓肚、致使枝晶间富集溶质的钢液向液相穴移动形成中心偏析。当断面和钢种一定时，增大拉速会使液相穴延伸，从而增加了搭桥和形成小钢锭结构的机率，钢水补缩能力差形成缩孔和中心偏析。
3 中心偏析的控制措施
3.1中间包钢水过热度控制
采用轻压下技术可以降低碳偏析指数，但由于液相穴位置随中间包钢水过热度的变化而迁移，在实际生产中，轻压下很难控制，同时末端电磁搅拌对改善中心偏析的效果也很难保证，因此，控制中间包钢水过热度成为控制轴承钢碳偏析的Z有效的措施之一。
由于影响铸坯低倍组织的主要因素为钢液的过热度，而铸坯低倍质量直接影响着钢材的生产规格和质量，因此，可以通过连铸过程钢水过热度的高低和稳定性确定Z终生产钢材规格，指导生产组织。由于钢水过热度决定着连铸坯的低倍组织，而一些低倍缺陷如钢的内部裂纹、疏松及缩孔等可以通过轧制过程的大压缩比得以改善或消除，因此，当钢水过热度偏高，生产不稳定时，为保证产品质量，连铸坯轧制小规格钢材。
连铸生产过程中，钢水过热度决定了连铸坯的内在质量和连铸机的拉速。轴承钢浇注过程中，在保证钢水可浇性的前提下，应采用低过热度浇注，实际生产表明，轴承钢的过热度应控制在10～20℃之间为宜。
在多炉连浇的情况下，保证连铸过程温度稳定，不仅在于一炉钢水的温度稳定，而且更重要的在于各连浇炉次之间的温度稳定，才能保证连铸过程的全程温度恒定，此稳定主要依靠生产过程中电炉、LF精炼炉、VD炉、连铸各工序间的相互协调和合理调度。
3.2碳、磷、硫的控制
碳、磷、硫3种元素的偏析系数均较高。钢中硫含量高，会降低钢的延展性，增加钢的热脆，容易引起铸坯的中心偏析和内部裂纹。大幅度降低硫含量，既减轻了钢的热脆性，也有利于减少中心偏析和内部裂纹等缺陷。
3.3二冷工艺控制
轴承钢的裂纹敏感性强，高温导热系数小。若加大二冷区冷却强度，会增大铸坯断面内的温度梯度，增加中心偏析和热裂倾向。因此，采用弱的二冷配水工艺，且保证二冷配水均匀，以达到减少中心偏析和裂纹的目的。
3.4拉速稳定
控制升降拉速幅度，做到升降平稳，提高浇铸稳定性。保证合适的结晶器水口浸入深度，结晶器液面自控系统稳定，避免结晶器液面紊乱，保证结晶器液面稳定。
制定合适的温度拉速制度，通过降低钢水过热度、稳定拉坯速度，缩短并稳定液相穴长度，减轻因拉速不稳定造成连铸坯液相穴钢液补缩不充分。生产中，轴承钢钢水过热度在10～20℃之间时，拉速控制在0.60～0.70m/min，对控制中心偏析效果明显。
3.5采用结晶器和末端电磁搅拌
连铸坯中，等轴晶率越高，则偏析越轻。结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌均可有效降低钢液过热度对铸坯凝固组织的影响，提高连铸坯的等轴晶率。结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌共同使用，并采用合理的工艺参数，对减轻连铸坯的中心偏析有利。
4 结论
（1）260mm×300mm大方坯轴承钢生产中，主要质量问题是中心偏析。
（2）中心偏析受钢水过热度、拉速、电磁搅拌、二冷区温度和连铸机的设备状况等因素影响。
（3）增加铸坯等轴晶率，减少柱状晶率，是改善轴承钢中心偏析Z有效途径。
参考文献：
[1]张家雯，李正邦，薛正良.高碳钢连铸方坯中心偏析[J].炼钢，2000，16（1）：56.（ZHANG Jia-wen， LI Zheng-bang，XUE Zheng-liang.Centerline Segregation in Continuous Cast High-Carbon Steel Billet[J].Steel making，2000，16（1） ：56.）
[2]钱刚，阮小江，蔡燮鳌.连铸轴承钢大方坯中心偏析的成因及对策[J].钢铁，2002，37（5）：16.（QIAN Gang， RUAN Xiao-jiang，CAI Xie-ao.Cause for Central Segregation of CC Bloom From Bearing Steel and Countermeasures[J].Iron and Steel，2002，37（5） ：16）
[3]周德光，傅杰，王平，等.轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及影响因素[J].北京科技大学学报，1999，21（2）：131.（ZHOU De-guang，FU Jie，WANG Ping，etal.Formation Mechanism of Carbon Segregation for Bear Steel Concasting Billet and Its Inluence Factors[J].Journal of University of Science and Technology Beijing ，1999 ，21（2）：131.）
参考文献：
[1]张家雯，李正邦，薛正良.高碳钢连铸方坯中心偏析[J].炼钢，2000，16（1）：56.（ZHANG Jia-wen， LI Zheng-bang，XUE Zheng-liang.Centerline Segregation in Continuous Cast High-Carbon Steel Billet[J].Steel making，2000，16（1） ：56.）
[2]钱刚，阮小江，蔡燮鳌.连铸轴承钢大方坯中心偏析的成因及对策[J].钢铁，2002，37（5）：16.（QIAN Gang， RUAN Xiao-jiang，CAI Xie-ao.Cause for Central Segregation of CC Bloom From Bearing Steel and Countermeasures[J].Iron and Steel，2002，37（5） ：16）
[3]周德光，傅杰，王平，等.轴承钢连铸坯碳偏析的形成机理及影响因素[J].北京科技大学学报，1999，21（2）：131.（ZHOU De-guang，FU Jie，WANG Ping，etal.Formation Mechanism of Carbon Segregation for Bear Steel Concasting Billet and Its Inluence Factors[J].Journal of University of Science and Technology Beijing ，1999 ，21（2）：131.）
来源：《钢铁》2009年8月