轴承钢连铸圆坯内部质量控制

勾淼　孙东宁
（特钢公司）

　　摘　要：本文主要分析了轴承钢连铸过程中内部缺陷的形成原理及对铸坯质量的影响，研究了轴承钢连铸圆坯内部质量的控制措施，包括连铸拉速与钢水温度优化控制、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌、和二冷控制等核心工艺技术，天津钢管集团特钢公司通过这些技术的应用，轴承钢中心偏析、中心疏松及缩孔等内部质量缺陷得到了有效的控制。

　　关键词：轴承钢；中心偏析；电磁搅拌；二冷控制；中心疏松

　　由于轴承钢碳含量高，固液两相区的宽度比低碳合金钢宽很多，从而使其在相同凝固速率的情况下，更易产生低倍缺陷，使轴承钢连铸坯的表面和内部易产生裂纹、中心疏松、轴心碳偏析等质量缺陷如图1所示。

图1 GCr15低倍样片

　　为消除这些缺陷，我们从中包过热度、拉速、二冷控制、电磁搅拌等几个方面进行优化，经过一段时间的生产实践，取得了良好的效果。

　　1　生产工艺流程及主要设备参数

　　天津钢管集团特殊钢有限公司三炼钢投产于2009年5月，生产工艺流程为：EAF——LF——RH——CC。主要设备参数见表1、表2、表3、表4。

　　2　轴承钢圆坯内部质量缺陷产生的原因

　　轴承钢圆坯内部质量缺陷主要是中心疏松和轴心碳偏析。钢液在凝固过程中，溶质元素在固液相间发生再分配，柱状晶的生长使枝晶间未凝固钢水的溶质元素得到了富集。而钢坯的鼓肚和液相穴末端的凝固收缩使中心产生强大的抽吸力。根据小钢锭理论，上部钢水受晶桥阻隔不能对下部凝固收缩进行及时补充，致使柱状晶枝晶间富集溶质的残液向中心流动形成中心偏析^[1、2]，对方坯而言，在凝固区域末端的铸坯鼓肚量小于铸坯的凝固收缩量^[3]。因此，方坯的中心偏析主要起因于铸坯凝固末端固液两相区（也称糊状区）的凝固收缩。

　　连铸坯的中心偏析和中心疏松等宏观缺陷可以通过增加铸坯断面上等轴晶比例来避免或改善，大量研究表明，当铸坯断面上等轴晶率达到35%～40%以上才能基本消除中心偏析^[4、5]。生产中获得等轴晶常用的方法有电磁搅拌技术和低过热度浇铸技术，并适当降低浇铸速度。

　　3　控制轴承钢圆坯内部质量缺陷的措施

　　三炼钢连铸主要从工艺参数控制即过热度、拉速、二次冷却、电磁搅拌几个方面采取措施优化工艺参数，以达到控制轴承钢圆坯内部质量缺陷的目的。

　　3.1过热度

　　过热度是轴承钢生产的一个关键因素，其对铸坯的内部质量起着重要的作用。由于轴承钢的碳含量高，其传热快。过高的过热度在凝固前形成很大的温度梯度，结晶过程中其柱状晶快速发展，中心未凝固的固液相混合物黏度高，在铸坯中心很容易发生“搭桥”现象形成缩孔。但过低的过热度导致拉速过快，也不利于铸坯形成良好的结晶组织，稍有疏忽会造成水口冻结。因此，过热度的控制对铸坯的内部质量非常重要。过热度增加，柱状晶发达，中心偏析严重。

　　如图2所示过热度在35℃以上时中心偏析明显增加，根据实际生产情况在过热度低于20℃时增加了水口冻结的危险，特钢公司在浇注轴承钢时中包过热度控制在20℃到35℃。

图2 钢水过热度—中心碳偏析指数

　　3.2拉速

　　拉速是连铸工艺的一个非常重要的参数，它直接决定了连铸机的生产能力，同时又是影响铸坯质量的重要因素。

　　铸坯的拉速越快，结晶器的坯壳就越薄，结晶器的热流密度就越大，铸坯表面温度就越高，结晶器的内钢水停留时间就越短，结晶器内钢水过热度升高，铸坯润滑效果就越好。但对轴承钢而言，铸坯内部质量对拉速特别敏感，拉速越快，铸坯液芯长度越长，铸坯中心的C、S等元素富集越严重，从而导致铸坯中心疏松、缩孔加剧。

　　铸坯拉速越慢，铸坯表面温度就越低，在铸坯表面容易发生横向或网状裂纹，铸坯表面质量降低。对于轴承钢而言，降低拉速对改善铸坯中心疏松、缩孔的效果非常显著。如果拉速过低，则会使结晶器内的钢水温度下降快，铸坯表面温度就低，如果进入拉矫机时温度低于900℃，则极易产生矫直裂纹，严重影响铸坯内部质量。

　　拉速的调整不仅仅是根据过热度来调整，它的Z终决定依据是铸坯质量，在满足铸坯质量的前提下，追求Z大拉速，把Z佳铸坯质量的拉速称为典型拉速，对轴承钢而言，为了连续稳定生产高质量铸坯，必须努力控制典型拉速。通过上述理论及大量的生产实践，摸索出了轴承钢过热度—拉速对照表。

　　3.3轴承钢二次冷却控制

　　二次冷却对铸坯质量起着决定性的作用，影响二次冷却效果的因素主要有冷却方式、冷却强度、水量配比、控制模式等。如果二次冷却不均匀，铸坯表面温度就会呈现周期性升降，导致铸坯产生中间裂纹；如果冷却强度过大，铸坯表面与中心温度梯度加大，铸坯柱状晶发达，等轴晶减小，铸坯的疏松和内部裂纹增加。合适的二次冷却就是要防止铸坯表面发生急剧的温度波动，产生合适的结晶组织，减少铸坯的疏松、缩孔和内部裂纹。

　　特钢公司三区连铸机二次冷却采用气雾冷却的方式具有强、中、弱三种冷却强度，根据不同钢种设计不同配水量。生产GCr15、GCr15SiMn等碳含量在1.00%的轴承钢时，使用弱冷，比水量控制在0.15~0.20L/Kg。

　　3.4电磁搅拌

　　轴承钢连铸普遍采用电磁搅拌技术来改变连铸内部质量，三炼钢采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。使用电磁搅拌后可明显改善铸坯表面质量，纵裂纹、皮下气孔明显减少，壮大了铸坯内部等轴晶区，细化了晶粒减少了中心疏松，降低了中心偏析。

　　4　结论

　　在生产轴承钢连铸圆坯时要从下面几个方面控制：

　　1）在保证浸入式水口不“絮死”的情况下，尽量降低过热度，减少中心偏析；

　　2）通过生产实践确定典型拉速，在保证矫直温度的同时，做到低温慢速，这样即不会出现矫直裂纹同时减少中心偏析；

　　3）合理的二冷控制防止铸坯表面产生较大的温度波动，产生合理的晶相组织，减少铸坯的中心疏松、缩孔及裂纹；

　　4）通过结晶器电磁搅拌及末端电磁搅拌技术细化晶粒减少中心疏松，降低中心偏析。