CN101733376A - 车轴钢连铸方法 - Google Patents

Abstract

一种车轴钢连铸方法，该方法包括将钢水从中间包浇注至结晶器，形成未完全凝固的车轴钢铸坯，然后将该未完全凝固的车轴钢铸坯以拉速v从结晶器中拉出并依次经过二冷区和空冷区，得到完全凝固的车轴钢铸坯，其中，该方法还包括使用依次设置在空冷区的多个轻压下机架中的至少一个对所述未完全凝固的车轴钢铸坯实施轻压下的轻压下过程，所述未完全凝固的车轴钢铸坯在所述轻压下过程中的中心固相率fs保持在0.2-0.95。对中心固相率为0.2-0.95的未完全凝固的车轴钢铸坯进行轻压下，可以消除或减少因铸坯收缩形成的内部空隙来防止晶间富集溶质的钢液向铸坯中心横向流动；并促使液相中心富集溶质的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，改善中心偏析。

Description

车轴钢连铸方法

技术领域

本发明涉及连铸方法，尤其涉及车轴钢连铸。

背景技术

连铸是目前普遍采用的钢铁铸造工艺，具体地，将炼好的钢水倒在中间包中(可装几十吨钢水)，液态的钢水通过中间包下的小孔垂直地流到不停振动的结晶器中。结晶器外用高压水不停冷却，钢水在结晶器中形成外部是固态，内部还是液态的形态。结晶器外是一段弧形的冷却辊道，铸坯在该冷却辊道上移动，通常依次经过水冷区和空冷区而得到全部成固态的铸坯。

车轴是铁道车辆走行的重要部件，其质量状态直接关系到车辆的承载能力和运输安全。世界各国铁路部门都非常重视车辆用车轴钢的生产工艺技术和实物质量的提高，而决定车轴的质量关键在于轴坯的质量。由于车轴钢属于中碳钢，连铸时，凝固过程中树枝晶发达，容易在铸坯芯部形成树枝晶“搭桥”，凝固过程因选分结晶的作用使枝晶间富集了大量低熔点的溶质，在凝固末期铸坯凝固末端固液两相区的凝固收缩产生的强大抽吸力引起树枝晶间富集杂质的残余液体向中心流动并充填于其中，进而产生中心偏析、中心疏松、中心缩孔和中心裂纹等内部缺陷。铸坯的后续生产工艺中虽然经过了轧制、锻造等机械加工，但压缩比一般为3-5，难以在后续的机械加工过程中消除铸坯中心的缩松和裂纹，经超声波探伤可得到铸坯中心偏析、中心疏松、中心缩孔和中心裂纹等内部缺陷的级别和指数，结果很难满足车轴钢铸坯标准的要求，因此，模铸工艺一直是生产车轴铸坯的首选方式。但模铸不能适应快速发展的铁路交通的需要，生产量有限，因此，制定合理的连铸方法，解决车轴钢连铸坯的中心疏松、中心缩孔和中心裂纹问题，是生产出优质车轴钢的关键。

在连铸过程中施加力学加工，如轻压下技术，可以有效改善铸坯的成分偏析、疏松和裂纹等缺陷。如图1所示，轻压下即是在凝固末端(完全凝固)之前的铸坯部分上，使用轻压下机架对心部未完全凝固的铸坯部分施加轻压处理，以增加未凝固的液相流动，使该液相填充铸坯中的疏松和缩孔，从而消除成分偏析、疏松和中心缩孔等缺陷，防止形成中心裂纹。但是，轻压下技术的关键在于控制轻压下区域，即各压下机架的位置(即压下位置)、各机架的压下量和总压下量。

发明内容

为了减轻连铸车轴铸坯的中心疏松、中心缩孔等内部缺陷，防止中心裂纹，并提高铸坯产量，实现车轴钢的连铸方法转变，本发明提供一种车轴钢连铸方法。

该方法包括将钢水从中间包浇注至结晶器，形成未完全凝固的车轴钢铸坯，然后将该未完全凝固的车轴钢铸坯以拉速v从结晶器中拉出并依次经过二冷区和空冷区，最后得到完全凝固的车轴钢铸坯，其中，该方法还包括使用依次设置在空冷区的多个轻压下机架中的至少一个对所述未完全凝固的车轴钢铸坯实施轻压下的轻压下过程，所述未完全凝固的车轴钢铸坯在所述轻压下过程中的中心固相率fs保持在0.2-0.95。

对中心固相率为0.2-0.95的没有完全凝固的车轴钢铸坯进行轻压下，可以一方面消除或减少因铸坯收缩形成的内部空隙，从而防止晶间富集溶质的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面轻压下所产生的挤压作用还可以促使液芯中心富集溶质的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，达到改善中心偏析的目的。通过中心固相率确定总压下量和各机架分配的压下量可以更好地控制车轴钢大方坯的质量。对本发明的连铸方法得到的车轴铸坯进行探伤，在车轴的轴向和径向探伤所得结果均能满足TB/T1618-2001标准的要求。其中，铸坯中心偏析≤0.5级，铸坯中心碳偏析指数1.01～1.04，平均1.02；铸坯中心疏松≤1.0级；中心缩孔0级；探伤合格率达到100％。

附图说明

图1所示为轻压下过程的示意图；

图2所示为本发明的车轴钢连铸方法示意图。

图3所示为实施例3的工艺参数下，铸坯的中心固相率与浇注的钢水液面之间的距离的关系曲线。

具体实施方式

根据本发明的车轴钢连铸方法，如图2所示，钢水从中间包流至结晶器并经过结晶器、二冷区和空冷区得到车轴钢铸坯。在空冷区设置有轻压下设备，该轻压下设备包括依次编号设置的多个轻压下机架，各机架的位置可以固定不变，但可以调整各机架分配的压下量。铸坯以一定的拉速v经过空冷区，并经过实施轻压下过程的轻压下区域。其中，多个轻压下机架中至少一个对铸坯实施轻压下，对铸坯实施轻压下的轻压下机架之间的区域构成了轻压下区域。在轻压下过程中，所述车轴钢铸坯的中心固相率fs为0.2-0.95，也就是说，进出轻压下区域时的铸坯部分的中心固相率fs保持在0.2-0.95。

更具体地，所述车轴钢铸坯经过实施轻压下的第n个轻压下机架时的中心固相率为fs_n，该实施轻压下的第n个轻压下机架对所述车轴钢铸坯的压下量δ_n＝-1.2339fs_n ²+2.4891fs_n-0.2671(mm)，铸坯经过实施轻压下的第n个轻压下机架后的总压下量δ＝-9.8712fs_n ²+19.9848fs_n-2.1368(mm)。例如，铸坯经过实施轻压下的第二个轻压下机架时，中心固相率为fs₂，第二个轻压下机架的压下量δ₂＝-1.2339fs₂ ²+2.4891fs₂-0.2671(mm)，经过第二个轻压下机架后的总压下量δ＝-9.8712fs₂ ²+19.9848fs₂-2.1368(mm)。

铸坯某一位置的中心固相率fs(或fs_n)可以根据本领域公知的方法来确定，例如根据公式： $f_s=\frac{T_l-T+\frac{2}{\mathrm{\π}}(T_s-T_l)\{1-\cos [\frac{\mathrm{\π}(T-T_l)}{2(T_s-T_l)}\left]\right\}}{{(T_l-T)}_s(1-\frac{2}{\mathrm{\π}})}$

计算得到(参见Marcandalli A，Mapelli C，Nicodemi W.A；ThermomechanicalModel for Simulation of Carbon Steel Solidification in Mould in ContinuousCasting；Ironmaking and Steelmaking；2003年第30卷第4期第265-272页)。其中，T为所述位置的铸坯中心的温度(℃)，T_l为液相线温度(℃)，T_s为固相线温度(℃)。

由于空冷区内依次设置的各轻压下机架与浇注液面之间的距离是固定的，因此，可以确定铸坯以一定拉速v经过各轻压下机架时铸坯中心的温度T，从而可以通过上述计算方法得到铸坯进入轻压下区域时、经过各机架时的中心固相率。轻压下时，由于要保证fs为0.2-0.95，根据不同的浇注温度、拉速v可以确定出需要使用的轻压下机架数量，也就是说，基于上述参数，计算出当经过某一轻压下机架时的fs小于0.2时，则不使用该轻压下机架及设置在该轻压下机架之前的轻压下机架实施轻压下，反之，当经过某一轻压下机架时的fs大于0.95时，则不使用该轻压下机架及设置在该轻压下机架之后的轻压下机架实施轻压下。轻压下区域为实施轻压下的第一个轻压下机架与实施轻压下的最后一个轻压下机架之间的距离。

根据本发明的一种实施方式，各轻压下机架的位置距浇注钢水液面的距离如表1所示。

表1

轻压下机架编号	距浇注钢水液面的距离/m
		1#	21.851
2#	23.351
		3#	24.851
4#	26.351
		5#	27.951
6#	29.551

根据表1，轻压下设备的各机架设置在距浇注钢水液面21.851～29.551m的位置上，也就是说，6个轻压下机架都实施轻压下时，轻压下区域的最大长度为7.7m。在轻压下区域内，可以保证铸坯经过该区域时，中心固相率为0.2～0.95。长的轻压下区域可以适应因连铸拉速、浇注温度过热引起的凝固末端变化，从而灵活调节实际轻压下区域的长度和压下量。优选地，为了在实施轻压下之前使铸坯的厚度尽量一致，在距浇注钢水液面20.351m的位置上设置有平整机架R。

在本发明的一种实施方式中，采用连铸方法生产LZ50车轴钢铸坯，LZ50车轴钢的主要化学组分如下表2所示，铸坯截面尺寸为360mm×450mm。

表2

C	Si	Mn	P	S	V	Al
							0.47～0.57	0.17～0.40	0.60～0.90	0.010～0.020	0.004～0.020	0.02～0.04	0.02～0.06

连铸时，钢液的浇注温度为1500～1525℃，连铸拉速控制在0.45～0.70m/min，且随浇注温度增加，拉速降低，以使凝固末端位置(铸坯心部刚好完全凝固的位置)距浇注钢水液面的距离为21.5～29.5m，为了确保铸坯的凝固末端位于轻压下区，从而在没有完全凝固的状态下实施轻压下，如图2和表1所示，轻压下设备的各机架设置在距浇注钢水液面20.351～29.551m的位置上(包括平整机架R，该平整机架R设置在最靠近浇注钢水液面的位置上)。根据本发明的连铸方法，对中心固相率fs为0.2～0.95的铸坯部分进行轻压下。在本实施方式中，铸坯依次经过第一个、第二个……第n个实施轻压下的轻压下机架，且可以计算得到经过各机架时的fs，确定使用的机架数量，并根据轻压下机架处铸坯的fs_n计算该机架处分配的铸坯压下量δ_n＝-1.2339fs_n ²+2.4891fs_n-0.2671(mm)以及经过第n个轻压下机架后对铸坯所实施的总压下量δ＝-9.8712fs_n ²+19.9848fs_n-2.1368(mm)。

优选地，单个轻压下机架的最大压下量不大于2mm，最大压下速率不大于3mm/min。本实施方式的各实施例的具体参数如表3所示。

表3

具体地，如实施例3所示的参数，在1518℃将LZ50车轴钢钢水浇注到中间包，钢水从中间包流经结晶器，并在0.45m/min的拉速下经过二冷区和空冷区，从而在空冷区被轻压下。轻压下从1#轻压下机架开始实施，根据表1，1#轻压下机架位于距浇注钢水液面21.851m处，在该位置可以根据拉速、浇注温度等工艺参数计算得到该位置上的铸坯温度T，并根据本领域公知的公式算出该处的中心固相率fs₁(0.2～0.95)，中心固相率与距浇注钢水液面的距离的关系曲线如图3所示，根据计算或图3可知，在上述工艺参数下，只需使用前3个轻压下机架，铸坯经过4#轻压下机架时已不能满足fs为0.2-0.95。根据各机架分配的压下量δ_n＝-1.2339fs_n ²+2.4891fs_n-0.2671(mm)可以得到1#、2#、3#轻压下机架的压下量分别为1.78mm、1.94mm、1.89mm，总压下量为5.61mm，同时，根据δ＝-9.8712fs₃ ²+19.9848fs₃-2.1368(mm)可以得到经过3#轻压下机架后铸坯的总压下量为5.61mm。根据计算结果，将1#、2#和3#轻压下机架调整至相应的压下量，并使4#、5#和6#轻压下机架不实施轻压下，也就是说，在本实施例中，轻压下区域为1#轻压下机架至3#轻压下机架之间的距离(3m)，从而在具有适当的中心固相率、没有完全凝固的铸坯部分上实施与所述铸坯部分相应的轻压下，可以有效地减轻中心偏析、中心疏松、中心缩孔，消除中心裂纹。

使用本发明的车轴钢连铸方法，减轻或消除了大方坯中心偏析、中心疏松、中心缩孔、中心裂纹等内部缺陷，与普通连铸方法得到的铸坯相比，本发明的车轴钢连铸方法得到的LZ50车轴钢的铸坯中心偏析评级≤0.5级的比例由37％增至100％，中心疏松评级≤1.0级的比例由28％增至100％，无中心缩孔的比例由33％增至100％，铸坯中心碳偏析指数由1.07～1.19降至1.01～1.04，因铸坯中心偏析、中心疏松严重而造成的车轴钢改钢率由95％降至0％，且由连铸坯轧制、锻造成的车轴满足LZ50车轴的技术要求。

根据本发明的另一种实施方式，采用本发明的连铸方法生产JZ35车轴钢铸坯，JZ35车轴钢的主要化学组分如表4所示，铸坯截面尺寸为360mm×450mm。

表4

C	Si	Mn	P	S	V	Al
							0.33～0.37	0.25～0.46	0.90～1.12	0.010～0.020	0.004～0.020	0.02～0.04	0.02～0.06

连铸时，钢液的浇注温度为1510～1525℃，连铸拉速控制在0.45～0.70m/min，如图2所示，轻压下设备的各机架设置在距浇注钢水液面21.851～29.551m的位置上，对中心固相率fs在0.2～0.95的铸坯部分进行轻压下。在本实施方式中，铸坯依次经过可实施轻压下的第一个、第二个……第n个轻压下机架，根据各机架的位置可分别计算出经过各机架时的fs，确定使用的机架数量，并根据实施轻压下的轻压下机架处铸坯的fs_n计算该机架分配的压下量δ_n＝-1.2339fs_n ²+2.4891fs_n-0.2671(mm)，从而调整各机架的压下量，并且可以计算得到经过第n个机架后铸坯的总压下量δ＝-9.8712fs_n ²+19.9848fs_n-2.1368(mm)。优选地，单个轻压下机架的最大压下量不大于2mm，最大压下速率不大于3mm/min。

本实施方式的实施例的具体参数如表5所示。

表5

根据本发明的连铸方法，与普通连铸方法得到的铸坯相比，本发明的车轴钢连铸方法得到的JZ35车轴钢的铸坯的中心偏析评级≤0.5级的比例由39％增至100％，中心疏松评级≤1.0级的比例由31％增至100％，无中心缩孔的比例由36％增至100％，铸坯中心碳偏析指数由1.06～1.22降至1.01～1.04，因铸坯中心偏析、中心疏松严重而造成的车轴钢改钢率由90％降至0％，且由连铸坯轧制、锻造成的车轴满足JZ35车轴的技术要求。

Claims (9)

1.一种车轴钢连铸方法，该方法包括将钢水从中间包浇注至结晶器，形成未完全凝固的车轴钢铸坯，然后将该未完全凝固的车轴钢铸坯以拉速v从结晶器中拉出并依次经过二冷区和空冷区，最后得到完全凝固的车轴钢铸坯，

其特征在于，该方法还包括使用依次设置在空冷区的多个轻压下机架中的至少一个对所述未完全凝固的车轴钢铸坯实施轻压下的轻压下过程，所述未完全凝固的车轴钢铸坯在所述轻压下过程中的中心固相率fs保持在0.2-0.95。

2.根据权利要求1所述的连铸方法，其中，单个轻压下机架的最大压下量不大于2mm，最大压下速率不大于3mm/min。

3.根据权利要求1所述的连铸方法，其中，所述未完全凝固的车轴钢铸坯经过实施轻压下的第n个轻压下机架时的中心固相率为fs_n，该实施轻压下的第n个轻压下机架对所述未完全凝固的车轴钢铸坯的压下量δ_n＝-1.2339fs_n ²+2.4891fs_n-0.2671(mm)。

4.根据权利要求3所述的连铸方法，其中，所述未完全凝固的车轴钢铸坯经过所述第n个轻压下机架后的总压下量δ＝-9.8712fs_n ²+19.9848fs_n-2.1368(mm)。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的连铸方法，其中，所述未完全凝固的车轴钢铸坯上任一位置的中心固相率通过公式

计算得到，其中T为在该位置上的所述未完全凝固的车轴钢铸坯中心的温度，T_l为液相线温度，T_s为固相线温度。

6.根据权利要求1所述的连铸方法，其中，所述多个轻压下机架依次设置在距浇注的钢水液面21.851～29.551m的位置上，所述多个轻压下机架的压下量可调节。

7.根据权利要求1所述的连铸方法，其中，实施所述轻压下过程的区域的长度在不超过7.7m的范围内可调节。

8.根据权利要求1所述的连铸方法，其中，所述车轴钢为LZ50车轴钢，浇注温度为1500～1525℃，所述拉速v为0.45～0.70m/min。

9.根据权利要求1所述的连铸方法，其中，所述车轴钢为JZ35车轴钢，浇注温度为1510～1525℃，所述拉速v为0.45～0.70m/min。

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