收稿日期:2008209226
基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助重点项目(50534010)#
作者简介:董艳伍(1978-),男,辽宁铁岭人,东北大学讲师,博士;姜周华(1963-),男,浙江萧山人,东北大学教授,博士生导师;
李正邦(1934-),男,江苏南京人,钢铁研究总院教授,博士生导师#
第30卷第11期2009年11月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 130,No.11Nov. 2009
电渣重熔工艺参数对钢锭凝固质量的影响
董艳伍1,姜周华1,肖志新1,李正邦2
(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳 110004; 2.钢铁研究总院冶金工艺研究所,北京 100081)
摘 要:应用以前所建立的数学模型,确定了几种渣系重熔冷轧辊用钢的最优工艺,对重熔钢锭的质量进行了分析,研究了工艺制度对重熔钢锭凝固质量的影响#实验表明,通过工艺参数的合理选择,控制重熔过程的局部凝固时间和二次枝晶间距长度,进而控制重熔钢锭的偏析程度的方法是可行的#对于Cr5冷轧辊用钢而言,局部凝固时间越长,对应的二次枝晶间距越长,由于元素偏析所引起的碳化物含量越高#关 键 词:电渣重熔;凝固质量;枝晶间距;局部凝固时间;冷轧辊
中图分类号:TG 244 文献标识码:A 文章编号:100523026(2009)1121598204
Influence of ESR Process Parameters on Solidification Quality of Remelting Ingots
DON G Yan 2wu 1,JI A N G Zhou 2hua 1,XIAO Zhi 2xin 1,LI Zheng 2ba ng 2
(1.School of Materials &Metallurgy,Northeastern Universit y,Shenyang 110004,China; 2.Department of Metallurgical Technology,Central Ir on and Steel Research Institute,Beijing 100081,China.Cor respondent:D ONG Yan 2wu,E 2mail:yanwu -dong @https://www.doczj.com/doc/0c2897082.html,)
Abstr act:Based on the mathematical model developed previously by the authors for ESR process,the optimal process technologies were determined for some slag systems to be used in ESR process from which the steel will be provided for cold rolls.Analyzing the quality of remelting ingots,the influence of technological schedule on the solidification quality of those ingots was investigated.T esting results showed that the reasonable selection of process parameters is actually feasible to control local solidification time and secondary interdendritic spacing and,further,control the segregation in remelting ingots.With regard to the steel Cr5for cold rolls,the longer the local solidification time,the longer the corresponding secondary interdendritic spacing and the higher the content of carbides due to segregated elements.
Key words:ESR;solidification quality;interdendritic spacing;local solidification time;cold roll
由于电渣重熔钢锭具有组织致密、成分稳定、表面光洁、夹杂物细小且分布均匀、材料性能较高等优点,多年来成为生产某些特殊金属材料的重要手段[1-2],而电渣重熔过程对于凝固过程的控制是材料性能提高的重要途径,也是许多研究者多年来致力于研究的一个重要内容[3-6]
#本文在前期所建立数学模型[7]
的基础上,应
用模型对实验室条件下的小型电渣重熔炉采用不同渣系的工艺制度进行了计算,并应用计算结果
在实验室条件下进行了电渣重熔实验,研究了不同工艺制度对凝固质量的影响#
1 模型对工艺制度的计算
电渣重熔过程中采用570mm 的自耗电极,自耗电极材料选择目前普遍采用的Cr5系冷轧辊用钢,选用上口5130mm,下口5150mm,高度800mm 的结晶器#由于渣量过少不易控制重熔过程的稳定性,而渣量过大,会增加能耗,在已有经验基础上,本研究过程中渣量采用315kg #
电渣重熔过程是一个非常复杂的过程,其中存在电磁场、流场以及温度场间的耦合作用,金属熔池和渣池的热量传输则主要依赖于钢水和熔渣
的循环流动,这种循环流动的动力主要是由于电磁力和浮力引起的#
应用从电磁场方程、流体流动方程和对流传热方程出发所建立的数学模型对实验室条件下重熔工艺制度进行了计算分析,模型通过验证,结果是可靠的[8]#具体工艺参数如表1所示#由于采用
表1模型计算的重熔功率
Table1Re me lting power ca lcula te d a ccording to
the mode l deve lope d pre viously
渣系
功率/kW
123
L0114.5108.5103.6 L1114.2108.3103.5 L2106.6104.198.4 L3104.4101.896.5不同的渣系进行重熔,而渣系电导率、密度等参数的不同,计算得到的重熔功率都有一定的差别# 2实验研究方法
在上述模型计算的基础上,应用模型计算结果在实验室小型电渣炉上进行了试验研究#由于实验室电渣重熔过程中,电压大小不能随时调节,因此采用重熔电压恒定(44V),而用控制重熔电流大小的方法来控制重熔功率,并选择L0,L1, L2和L3四种渣系进行了相关的研究#由于模型计算得到的L0和L1渣系,L2和L3渣系的功率相差不大,因此实际重熔时采用基本相同的工艺制度,L2和L3渣系采用相同的工艺制度,重熔控制电流及枝晶间距情况如表2所示#
表2电渣重熔冷轧辊用钢的工艺参数
Table2ESR pa rameter s for re me lting roll ste e l
渣系控制参数段熔化长度*/mm电流**/kA熔速**/h中心LST*/s中心d*?/L m中心d*ò/L m L01630 2.656.7238146.659.9 2600 2.583.1599192.584.1
3570 2.485.5665198.587.4
L11630 2.640.5236146.259.6 2600 2.568.0596192.284.0
3570 2.478.9652197.386.8
L21735 2.542.7251148.960.4 2700 2.474.1604192.984.4
3665 2.385.5660198.087.2
L31630 2.559.7258150.161.6 2600 2.483.1601192.684.2
3570 2.385.5671199.087.7 *:计算值;
**:实际采用数值或者测量值,LST为局部凝固时间#
3实验结果及分析
3.1重熔钢锭表面质量的分析
钢锭的表面质量主要取决于两个方面,一是重熔工艺制度及过程的稳定性,二是所使用渣系的黏度随温度的变化情况#一般来说,长渣系有利于形成良好的表面质量,而实验过程中所用渣系基本都为长渣渣系,均有利于形成良好的表面质量,同时,渣系在一定程度上决定了钢中夹杂物的含量#分析表明,在四种渣系中L0渣系具有最佳的去夹杂物的能力,其次是L2渣系,而L1和L3渣系稍差[8]#
由于自耗电极是在实验室采用真空感应炉进行熔炼的,为了尽量模拟大工业生产中自耗电极的氢体积分数水平(2@10-6~3@10-6),在采用感应熔炼过程中,真空感应炉炉内气氛压力控制在200Pa左右,因此自耗电极中氧含量稍高#重熔过程中以吨钢1kg的标准加入铝粒进行脱氧,坚持勤加少加的原则,使脱氧反应不致过于剧烈,这样有利于形成良好的表面质量#各渣系重熔后钢锭的表面质量如图1所示,从图中可以看出, L0钢锭上部出现一些圆环型的渣沟,这主要是由于重熔后期一次性加入的脱氧剂过多造成的,除此以外,其他的各部位都是比较光滑的#L0钢锭上部所出现的渣沟进一步证明,坚持脱氧剂勤加少加的原则是非常必要的#
3.2钢锭的内部质量分析
3.2.1工艺制度对枝晶间距的影响
Ballantyne[9]研究指出,电渣重熔钢锭组织决定于局部凝固时间,而不是决定于金属熔池的形状,而长期以来冶金工作者都是试图通过控制金属熔池形状控制铸锭的结晶组织#Ballantyne 认为局部凝固时间与熔化速率之间并不存在线性关系#
1599
第11期董艳伍等:电渣重熔工艺参数对钢锭凝固质量的影响
图1 电渣钢锭的形貌
Fig.1 A ppe ar ance of remelting ingots via ES R (a))L0;(b))L1;(c))L2;(d))L3#
Flemings 对金属的凝固理论进行过大量的研究[10]
,提出局部凝固时间与枝晶间距之间的关系#局部凝固时间是生产中无法测量得到的,而枝晶间距是可以后期测量得到的#本文依据局部凝固时间与枝晶间距的关系,用所建立的模型[6-7],计算出电渣重熔铸锭凝固过程的局部凝固时间,进而计算出铸锭凝固的枝晶间距,以枝晶间距大小作为衡量铸锭的凝固质量的依据之一#
由于使用L0和L1渣系的重熔功率相近、L2和L3渣系的重熔功率相近,因此随后选取了L0和L1中的L1,L2和L3中的L2渣系重熔后的电渣钢锭进行了对比分析#在两个钢锭的中上部边缘、1/2半径和中心处取样,测量二次枝晶间距,由于重熔过程中实际采用的工艺制度的影响,使得实际重熔速度存在较大的差别,因此实测的二次枝晶间距大小与计算数值有些偏差,具体结果如表3所示,枝晶形貌如图2所示#由于L2渣系重熔过程中熔速较高,因此二次枝晶间距较大,相反L1渣系对应的二次枝晶间距较小#
表3 二次枝晶间距测定结果
Table 3 Re sults of se condary inte rde ndritic spa cing
L m 渣系边缘1/2半径中心L158.876.684.6L2
61.8
85.2
89.2
图2 枝晶形貌
Fig.2 A ppea rance of interdendritic
研究发现[7-
8]
,电渣重熔过程中熔速越高,
渣池的温度越高,则对应的金属熔池深度越大,两相区宽度越大,两相区的温度梯度越小,从而使得铸锭凝固的局部凝固时间增大,最终导致枝晶间距的增大#
3.2.2 枝晶间距与钢中碳化物的关系
由于铸锭的凝固组织取决于局部凝固时间,而枝晶间距与局部凝固时间存在着定量的关系,因而枝晶间距的大小在一定程度上体现着钢锭的凝固质量#对于Cr5系冷轧辊用钢来说,铸锭的枝晶间距越小,元素的偏析程度就越低,从而由于偏析所引起的碳化物含量就越低#
在上述实验基础上,对各样品中的碳化物质量分数采用CARL #ZEISS AxioImagerA1m 型金相显微镜进行了分析,表4是分析得到的结果,从
表4 碳化物相质量分数分析及尺寸分布
Ta ble 4 A na lysis of conte nt of ca rbide s and the ir size distribution
渣系
位 置碳化物个数mm -2
质量分数%碳当量直径百分比/%
0
D max /L m 边缘11.00.03977.8
22.20 2.26L1
1/2半径8.60.06081.416.3 2.310.68中心19.90.15667.627.0 5.415.85边缘16.70.05982.516.70.8 4.27L2
1/2半径25.80.10175.920.5 3.619.64中心
38.1
0.187
68.8
23.2
8.0
28.44
1600东北大学学报(自然科学版) 第30卷
结果中可以明显地看出,由于L2渣系重熔时实际采用的功率较模型计算稍大,因而对应的钢锭的二次枝晶间距较大,析出的碳化物含量较高,同时所析出的碳化物尺寸也有所增大#而L1渣系重熔时功率与模型计算结果相近,熔速控制较好,因而二次枝晶间距较小,所析出的碳化物含量也较低#
图3是两种渣系重熔后钢中碳化物总量的变化,从中可以明显看出,由于枝晶间距的不同,L2渣系重熔后的钢中碳化物含量远高于L1渣系重熔后的钢中碳化物含量#碳化物含量的增高,尤其是大颗粒碳化物的增多在后期的热处理过程中不容易吸收和溶解,不利于得到高均匀性的组织,影响轧辊的抗事故能力#
图3钢中碳化物含量变化
Fig.3Change in carbide c ontent in ingot 在电渣重熔冷轧辊用钢时,钢中碳化物含量越高,说明偏析越严重,越不利于最终产品质量的
提高#从以上的分析结果可以看出,通过控制工艺参数的方法控制二次枝晶间距,进而控制电渣钢锭的凝固偏析程度的方法是可行的#
通过合理地控制工艺制度,就可以尽量降低铸锭凝固的二次枝晶间距,从而减少由于元素偏析所析出的碳化物,尤其是可以尽量避免大颗粒的碳化物的析出,这对于后期的热处理过程,以及最终的产品质量都是非常有益的#
4结语
综上所述,电渣重熔用渣系的选择对于控制钢的表面质量是非常重要的,应优选黏度随温度变化平缓的长渣渣系#对于Cr5冷轧辊用钢而言,二次枝晶间距越长,即铸锭凝固的局部凝固时间越长,由于元素偏析所析出的碳化物含量越高,颗粒度越大#采用合理的电渣重熔工艺制度,控制铸锭中心的局部凝固时间,进而控制二次枝晶间距长度,可以有效地控制凝固过程中所析出的碳化物含量,这对于控制最终产品质量是非常重要的#
参考文献:
[1]李正邦#电渣熔铸[M]#北京:国防工业出版社,1979:
17-24#
(Li Zheng2bang.Electroslag casing[M].Beijing:National
Defense Industry Press,1979:17-24.)
[2]姜周华#电渣冶金的物理化学及传输现象[M]#沈阳:东
北大学出版社,2000:8-15#
(Jiang Zhou2hua.Physical chemis try and transmission
phenomena during electroslag metallurgy[M].Sh enyang:
Northeastern University Press,2000:8-15.)
[3]Kou S D,Poirier D R,Flemings M C.Macrosegregation in
rotated remelted ingots[J].Met T rans,1978,12(9B):711
-719.
[4]Ri dder S D,Reyes F C,Chakravorty S,et al.Steady state
segregation and heat flow in ESR[J].Met T rans B,1978,9
(9):415-425.
[5]Cefalu S A,Vanevery K J,Kran e M J M.Modeling of
electroslag remelting of Ni2Cr2Mo alloys[C]M Mul tiphase
Phenomena and CFD Modeli ng and Simul ation in Materi als
Processes.Charlotte:CSA,2004:279-288.
[6]H oyle G.Electroslag process principles an d practice[M].
London:Applied Science Publishers,1983.
[7]Dong Y W,J i ang Z H,Li Z B.Mathematical model for
electroslag remelting process[J].J ournal o f Ir on and Ste el
Res earch,International,2007,14(5):7-12,30.
[8]董艳伍#电渣重熔过程凝固数学模型及新渣系研究[D]#
沈阳:东北大学,2008#
(Dong Yan2wu.Mathematical modeling of solidification
during electroslag remelting process and development of new
slags[D].Shenyang:Northeas tern University,2008.) [9]Hernandez M B,Mitchell A.Review of mathematical models
of fluid flow,heat transfer,and mass transfer in electros lag
rem elting proces s[J].I ron making and Ste elmaking,1999,
26(6):423-438.
[10]Flemings M C#凝固过程[M]#北京:冶金工业出版社,
1981#
(Flemi ngs M C.Solidificati on process[M].B eiji ng:Metal lurgical
Industry Pre ss,1981.)
1601
第11期董艳伍等:电渣重熔工艺参数对钢锭凝固质量的影响