弹簧钢55SiCrA-1连铸坯碳分布改善研究

弹簧钢55SiCrA-1连铸坯碳分布改善研究

和红杰  郭键  叶凡新  赵彦领

（邢台钢铁有限责任公司，河北邢台054027）

摘  要：国内某厂生产的Φ13mm55SiCrA-1在拉拔过程中出现异常断裂，断口心部有黑点，断面收缩率低。对异常断口进行金相分析，发现盘条心部存在明显的黑点，且中心相邻区域出现负偏析现象，盘条通条碳分布均匀性差，影响客户的正常使用。通过调整二冷比水量、电磁搅拌以及轻压下参数，使碳在铸坯横截面上分布趋于均匀，整个截面上的碳极差由0.14%降低到0.08%，盘条通调均匀性问题得到大幅改善。

关键词：碳极差  电磁搅拌  轻压下  动态配水

Study on the Improvement of Carbon of 55SiCrA-1 Continuous Cast Blade in Spring Steel

He Hongjie ，Guojian，Yefanxin，Zhao yanling

（Xing tai Iron & Steel Corp .Ltd，Xing tai Hebei 054027）

Abstract：The abnormal fracture occurred in the pulling process in a domestic factory production of 13 mm 55 SiCrA-1, and the shrinkage rate of the section is low. The abnormal fracture was analyzed by metallographic analysis, and it was found that there were obvious black spots in the center of the plate, and negative segregation occurred in the adjacent area of the center, and the carbon distribution of the plate was poor, which affected the normal use of customers. By adjusting the water ratio, electromagnetic stirring, and the parameters under light pressure, the distribution of carbon on the cross section of the cast billet tends to be uniform, and the carbon difference on the entire cross section is reduced from 0.13 % to 0.08 %, and the uniformity of the disc tone is greatly improved.

Key Words：Carbon extremely poor  Electromagnetic stirring  Take it easy  Dynamic water distribution

弹簧钢主要用于制造汽车、拖拉机减震板簧、阀门簧等［1-10］。近几年我国弹簧行业发展规模不断的扩大，弹簧品种日益增加，气门弹簧、膜片弹簧、减震弹簧、高温弹簧、油泵弹簧等品种不断扩冲，迄今为止我国已经拥有1600多个弹簧产品。弹簧用途巨大，在汽车、机械以及电子电气等行业都会使用弹簧，为其生产带来巨大的便利［11］。某厂是国内弹簧钢主要生产厂家，大部分产品供宝通、慕贝尔等高端客户且质量稳定可靠。最近客户反馈该厂55SiCrA-1盘条存在严重的碳偏析,碳在盘条截面上的极差达0.13%, 影响热处理效果。

该厂生产工艺如下：脱S铁水→80吨转炉→LF炉→RH炉→大方坯（280×325mm）→初轧开坯→高线轧制的工艺路线，全程采用硅脱氧，具体成分如表1所示。连铸机是四机四流12米全弧形连铸机，配有电磁搅拌、动态二冷配水、轻压下等。

表1 55SiCrA-1化学成分/%

Table1 Chemical composition of SWRH82B stainless steel／％

1  55SiCrA-1盘条金相检验

对客户反馈的盘条进行金相检验，试样横截面加工制样，用4%的硝酸酒精侵蚀后，断口样中心出现黑点，黑点周围出现白色负偏析带，金相组织如图1所示：

从图1可以看出，盘条心部存在中心偏析，而中心偏析周围存在严重的负偏析现象。

2 低倍现状分析

对厂内留存在55SiCrA-1低倍样进行检验，采用Φ5mm钻头在低倍样上钻样取屑，每10mm距离钻一个点，具体如图2所示：

钻点后，收集铁屑做C、S分析，具体如图3所示：

连铸坯断面为280*325mm，通过检验情况来看，碳在连铸坯整个断面上分布不均匀，碳最高值在中心区域达到0.64%，最低值在紧邻中心区域的达到0.47%，碳极差达到0.17%。从图3数据来看，碳在距表皮40-90mm范围内出现正偏析带，在距表皮90-100mm范围内碳正、负偏析交错存在，在距表皮100-130mm范围内出现明显的负偏析带，130-140mm中心区域为正偏析带。

为便于分析，按照距铸坯表面的距离对铸坯断面进行分区，0-40mm为C1区、40-90mm为C2区、90-100mm为C3区、100-130mm为C4区、中心区域为C5区。C2为正偏析区、C5为中心正偏析区、C4为紧邻中心的负偏析带，降低C2、C5区的碳含量，增大C4区碳含量，是确保连铸坯整个断面碳均匀分布的基础。

3 C2、C5碳正偏析区、C4碳负偏析区产生的原因

3.1 C2碳正偏析区产生的原因

在结晶器急冷的条件下，连铸坯表面形成温度梯度极大的过冷区，以壁面形核为基底，附加电磁搅拌及结晶器震动，快速形成细小的等轴晶，再向内，同样先产生高温铁素体，接着高温铁素体向奥氏体转变，由于先生成的高温铁素体碳含量本来就低，在温度梯度降低的情况下，就更易向液相中扩散，如果保持这种扩散，那么连铸坯从细晶区向中心的碳含量将依次提高，但接着生成柱状晶，形成一次枝晶及二次枝晶，一次枝晶继续将夹杂及碳溶质驱赶到液相，二次晶晶臂阻挡了夹杂及碳溶质继续向液相流动或扩散，这样在柱状晶区形成众多的杂质及溶质较少的晶臂，而枝晶间有较多的杂质及碳溶质，具体如图4所示，从而形成正偏析带。

3.2  C4碳负偏析区、C5碳正偏析区产生原因

随着凝固的进行坯壳不断地收缩，凝固收缩产生的压力梯度会造成钢水沿着图5所示的黑色箭头强制流动，钢水流动会冲刷凝固前沿的枝晶，枝晶脱落沿着钢液流到铸坯心部，在铸坯心部做为形核核心逐步长大，导致中心部分先出现凝固相。由于碳选分结晶的原因，凝固相周围充满着浓化的富碳液相，该部分液相碳含量高，液相线相对较低，钢水流动性好。凝固末端收缩产生的压力梯度产生泵吸效应，将该部分浓化钢水沿着图5红色箭头吸到心部产生碳的正偏析，而被吸走碳的部分出现明显的负偏析。

4 工艺改进

从分析来看，C2碳正偏析区产生的原因主要是柱状晶发达，尤其是柱状晶二次枝晶发达，阻止高碳液相向中心区域移动，从而形成C2高碳区。铸坯中心区域的C4低碳区、C5高碳区是相伴产生，主要产生的原因是铸坯凝固收缩产生压力梯度具有“泵吸”作用，凝固末端轻压下压下量不合适，不能够消除铸坯凝固收缩产生压力梯度，就会将枝晶间以及中心凝固相之间的浓化钢水吸到中心区域，从而相伴产生C4低碳区、C5高碳区。

4.1 C2正偏析区柱状晶解决方案

从相关文献来看，柱状晶生长和长大主要在二冷区域，柱状晶生长与钢水过热度、电磁搅拌、二冷水强度因素有密切相关的关系，采用单因素进行实验验证。

4.1.1钢水过热度对C2区域碳偏析的影响

过热度对铸坯的凝固组织起着至关重要的作用，在相同的拉速下采用低的过热度浇铸能够降低凝固前沿的温度梯度，从而降低柱状晶以及二次枝晶的发达强度，降低该区域选分结晶时间，抑制该区域出现高碳区。结合现场的实际生产条件，在不同的过热度下取样10块，进行分析检验，通过实验发现过热度15-25℃时，该区域碳含量最低，具体如图6所示：

4.1.2电磁搅拌电流对C2区域碳分布影响

电磁搅拌可以促进钢水的运动将柱状晶打断，减弱柱状晶的生长，影响C2区域碳的分布。结合现场的实际生产条件，在不同的电磁搅拌电流下，取样10块进行分析检验，通过实验发现电流300A时，该区域碳含量最低，具体如图7所示：

4.1.3二冷强度对C2区域碳含量的影响

280*325mm断面的连铸坯一般采用弱冷的方式，二冷强度过大，会造成凝固前沿出现大的温度梯度，促进柱状晶的生长，减少等轴晶的比例^［12］，二冷强度过低，该区域选分结晶的时间延长，造成该区域碳含量浓度过大，不利于C2区域碳含量的控制。结合现场的实际生产条件，在不同的二冷强度下，取样10块进行分析检验，通过实验发现比水量0.25L/kg时，该区域碳含量最低，具体如图8所示：

4.1.4效果对比

将试验出的3种最佳方案进行合并实验，具体如图9所示：

通过统计的数据来看，电磁搅拌300A、二冷强度0.25l/kg、过热度15-25℃，C2区的碳含量由0.589%降低到0.564%，碳含量降低了0.025%。

4.2 C4负偏析区与C5正偏析区解决方案

C4负偏析区与C5正偏析区是相伴产生的，应该采用同一个方案解决。C4负偏析区与C5正偏析区产生的根本原因是凝固收缩产生压力梯度，凝固末端产生泵吸作用，影响了该区域碳的分布。通过调整轻压下不同辊的压下量，抵消凝固收缩产生的压力梯度，减缓该区域碳分布不均匀问题，具体方案如表2所示：

表2 55SiCrA-1实验方案表

Table2  Experiment Proposal Opening Report of 55SiCrA-1

生产过程中，在每个方案进行一次实验，均取样10块，对C4、C5碳分布进行钻样评价，具体如图10所示：

通过轻压下压下量的调整，C5、C4区碳进行重新分布，该区域碳偏差由原来的0.14%降低到0.09%。

5 效果对比

通过轻压下压下量、二冷强度、电磁搅拌、二冷水比水量调整来看，均对连铸坯整个截面的碳分布起到良好的促进作用。结合实际生产现状，对轻压下压下量、二冷强度、电磁搅拌、二冷水比水量进行综合调整，取样20块碳分布情况如下：

铸坯断面为280*325mm，140mm位置为铸坯正中心。从对比来看，现工艺碳的分布更加均匀，整个断面上碳极差为0.08%，明显低于原工艺的0.14%。

6 结论

（1）分析来看，C2区碳正偏析区碳含量高的原因主要是柱状晶发达，柱状晶二次枝晶阻止高碳液相向铸坯中心扩散，从而形成高碳区。通过调整电磁搅拌强度、二冷比水量以及过热度，可以将C2区域碳含量由0.589%降低到0.564%，降低0.025%；

（2）C4低碳负偏析区与C5高碳正偏析区是相伴产生，主要是由于凝固收缩产生压力梯度，造成浓化钢水向中心区域汇集，从而产生C4低碳负偏析区与C5高碳正偏析。通过调整轻压下压下量，补充铸坯凝固收缩产生的压力梯度，使中心区域碳分布更加均匀。

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