X1215易切削钢连铸坯成分偏析的研究

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2011.s1.034 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 X1215易切削钢连铸坯成分偏析的研究 王宏斌2)林腾昌)朱荣)段飞虎”李联生) 张志强)王 勇) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)宣化钢铁集团有限责任公司，河北张家口075100 通信作者，E-mail:lintengchang(@126.com 摘要采用化学分析和低倍酸浸实验方法研究了低碳高硫易切削钢连铸坯的C、Si、M、P、S的成分偏析特征并分析其形成 原因.结果表明，连铸坯的C、Si、Mn、P、S的偏析度均在0.9~1.1之间，S、P元素存在中心负偏析，低倍酸浸实验检测发现连 铸坯存在中心疏松.分析认为，中心疏松是导致中心元素负偏析的主要原因. 关键词易切削钢；成分；偏析：疏松 分类号T℉777.2 Study on composition segregation of X1215 free-cutting steel continuous casting billet WANG Hong-bin'),LIN Teng-chang,ZHU Rong,DUAN Fei-hu,LI Lian-sheng,ZHANG Zhi-qiang,WANG Yong 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Xuanhua Iron Steel Group Co.Ltd..Hebei Zhangjiakou 075100.China Corresponding author,E-mail:lintengchang@126.com ABSTRACT The characteristics and reasons of C,Si,Mn,P.S composition segregations in low carbon high sulfur free cutting steel were researched by chemical analysis and hot hydrochloric acid.The results show that the segregation degree of elements (C.Si,Mn.P. S)is between 0.9 and 1.1,S and P elements are negative segregation at the billet center region.and the center area of continuous casting billet is porosity.The analyses show that the center porosity is the main reason of element negative segregations at the center area. KEY WORDS free cutting steel:composition:segregation;porosity 对于硫系易切削钢，在一定范围内随着硫含量 表1X1215型易切削钢成分（质量分数） 的增高，钢材的切削性能也越好.以切削性能为主 Table 1 Components of X1215 free cutting steel mass fraction) % 的硫系及硫复合系易切削钢，硫含量一般在0.20%~ 0.60%1-).硫系易切削钢质量要求高，生产难度 钢种 C Mn X12150.06-0.09≤0.101.20-1.500.08-0.100.30-0.50 大.因为硫的熔点低且易氧化，如果工艺控制不 当，易造成硫元素及其他元素在铸坯中的成分偏 连铸生产要点：鉴于该钢种容易发生漏钢的特 析.通过对宣钢生产的硫系易切削钢连铸坯进行取 点，连铸采用低拉速（约为1.0~1.5m/min),低冷 样分析，研究铸坯内部成分偏析情况. 却强度（不大于1m3kg)的基本原则，勤捞渣，去 1实验方法 除渣圈.为防止高磷高硫钢的P、S元素偏析，生产 时采用适当强度的结晶器电磁搅拌，以保证铸坯 宣钢采用100t转炉→100tLF炉→150mm× 质量. 150mm方坯连铸→高线轧制工艺生产X1215硫系 取样方法为：在150mm×150mm的小方坯取 易切削钢.试验开发的X1215易切削钢的成分如表 30mm厚的横截面，再在其对面取15mm厚的横截 1所示. 面.对30mm厚的铸坯采用4mm的钻头钻孔，孔 收稿日期：20110801

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 X1215 易切削钢连铸坯成分偏析的研究 王宏斌1，2) 林腾昌1) 朱 荣1) 段飞虎1) 李联生1) 张志强2) 王 勇2) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 宣化钢铁集团有限责任公司，河北 张家口 075100 通信作者，E-mail: lintengchang@ 126． com 摘 要 采用化学分析和低倍酸浸实验方法研究了低碳高硫易切削钢连铸坯的 C、Si、Mn、P、S 的成分偏析特征并分析其形成 原因． 结果表明，连铸坯的 C、Si、Mn、P、S 的偏析度均在0. 9 ～ 1. 1 之间，S、P 元素存在中心负偏析，低倍酸浸实验检测发现连 铸坯存在中心疏松． 分析认为，中心疏松是导致中心元素负偏析的主要原因． 关键词 易切削钢; 成分; 偏析; 疏松 分类号 TF777. 2 Study on composition segregation of X1215 free-cutting steel continuous casting billet WANG Hong-bin1，2) ，LIN Teng-chang1) ，ZHU Rong1) ，DUAN Fei-hu1) ，LI Lian-sheng1) ，ZHANG Zhi-qiang2) ，WANG Yong2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Xuanhua Iron ＆ Steel Group Co． Ltd． ，Hebei Zhangjiakou 075100，China Corresponding author，E-mail: lintengchang@ 126． com ABSTRACT The characteristics and reasons of C，Si，Mn，P，S composition segregations in low carbon high sulfur free cutting steel were researched by chemical analysis and hot hydrochloric acid． The results show that the segregation degree of elements ( C，Si，Mn，P， S) is between 0. 9 and 1. 1，S and P elements are negative segregation at the billet center region，and the center area of continuous casting billet is porosity． The analyses show that the center porosity is the main reason of element negative segregations at the center area． KEY WORDS free cutting steel; composition; segregation; porosity 收稿日期: 2011--08--01 对于硫系易切削钢，在一定范围内随着硫含量 的增高，钢材的切削性能也越好． 以切削性能为主 的硫系及硫复合系易切削钢，硫含量一般在 0. 20% ～ 0. 60%［1--2］． 硫系易切削钢质量要求高，生产难度 大． 因为硫的熔点低且易氧化，如果工艺控制不 当，易造成硫元素及其他元素在铸坯中的成分偏 析． 通过对宣钢生产的硫系易切削钢连铸坯进行取 样分析，研究铸坯内部成分偏析情况． 1 实验方法 宣钢采用 100 t 转炉→100 t LF 炉→150 mm × 150 mm 方坯连铸→高线轧制工艺生产 X1215 硫系 易切削钢． 试验开发的 X1215 易切削钢的成分如表 1 所示． 表 1 X1215 型易切削钢成分( 质量分数) Table 1 Components of X1215 free cutting steel ( mass fraction) % 钢种 C Si Mn P S X1215 0. 06 ～ 0. 09 ≤0. 10 1. 20 ～ 1. 50 0. 08 ～ 0. 10 0. 30 ～ 0. 50 连铸生产要点: 鉴于该钢种容易发生漏钢的特 点，连铸采用低拉速( 约为 1. 0 ～ 1. 5 m /min) ，低冷 却强度( 不大于 1 m3 /kg) 的基本原则，勤捞渣，去 除渣圈． 为防止高磷高硫钢的 P、S 元素偏析，生产 时采用适当强度的结晶器电磁搅拌，以保证铸坯 质量． 取样方法为: 在 150 mm × 150 mm 的小方坯取 30 mm 厚的横截面，再在其对面取 15 mm 厚的横截 面． 对 30 mm 厚的铸坯采用 4 mm 的钻头钻孔，孔 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.034

◆162 北京科技大学学报 第33卷 深为25mm,取钻削样分析元素含量，试样取样点 Mn、P、S含量，取测定结果的平均值代表平均化学 如图1所示.对15mm厚的坯子表面经抛光后做低 成分.采用偏析度表示铸坯横截面上成分偏析的程 倍酸浸试验. 度，元素的偏析度定义为： K-G 。 (1) 2 式中，C:为铸坯取样点某一元素的含量；C。为铸坯 3 ③ 所有取样点的C:元素含量的平均值. ④4 ④ 2实验结果与分析 2.1实验结果 c⑥ B6) Ao 两炉连铸坯的生产参数见表2.对两炉连铸坯 的 进行随机取样并进行成分测定，根据试样中各取样 点对应的化学元素含量绘制不同方向上各元素偏析 ⑧ 度变化曲线如图2和图3所示. C9 四 表2连铸参数 图1铸坯钻孔示意图 Table 2 Continuous casting parameters Fig.1 Drilling schemes of casting billet 中包温度 连铸拉速/ 结品器水冷/ 分别对铸坯四个方向上A1~A9、B1~B9、C1~ 样号 (min/max)/℃ (mmin-1) (m3.h-1) C9、D1~D9(另在B和D方向的铸坯外层向柱状晶 1 1562/1579 1.4 136 转变区域的0.875R处取样，R为铸坯中心到取样方 2 1597/1605 1.5 137 向最远取样点的距离)试样点分析化学元素C、S、 1.20 1.20 1.15 L.10 1.10 1.05 1.05 1.00 1.00 0.95 0.90 0.90 0.85 0.85 0.80 0.80 0.5R 中心 0.5R R0.875R0.5R中心0.5R0.875RR 距离中心的距离 距离中心的距离 ()A方向上的元素偏析度 )B方向上的元素偏析度 1.20 1.20 1.15 1.10 1.10 1.05 1.00 1.00 095 0.95 0.90 0.90 0.85 0.85 0.80 0.80 0.5R中心0.5R R0.875R0.5R中心0.5R0.875RR 距离中心的距离 距离中心的距离 (c)C方向上的元素偏析度 (d)D方向上的元素偏析度 图21#试样元素的偏析度 Fig.2 Segregation degrees of sample 1#element

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 深为 25 mm，取钻削样分析元素含量，试样取样点 如图 1 所示． 对 15 mm 厚的坯子表面经抛光后做低 倍酸浸试验． 图 1 铸坯钻孔示意图 Fig． 1 Drilling schemes of casting billet 图 2 1#试样元素的偏析度 Fig． 2 Segregation degrees of sample 1# element 分别对铸坯四个方向上 A1 ～ A9、B1 ～ B9、C1 ～ C9、D1 ～ D9( 另在 B 和 D 方向的铸坯外层向柱状晶 转变区域的 0. 875R 处取样，R 为铸坯中心到取样方 向最远取样点的距离) 试样点分析化学元素 C、Si、 Mn、P、S 含量，取测定结果的平均值代表平均化学 成分． 采用偏析度表示铸坯横截面上成分偏析的程 度，元素的偏析度定义为: K = Ci Co ( 1) 式中，Ci为铸坯取样点某一元素的含量; Co为铸坯 所有取样点的 Ci元素含量的平均值． 2 实验结果与分析 2. 1 实验结果 两炉连铸坯的生产参数见表 2． 对两炉连铸坯 进行随机取样并进行成分测定，根据试样中各取样 点对应的化学元素含量绘制不同方向上各元素偏析 度变化曲线如图 2 和图 3 所示． 表 2 连铸参数 Table 2 Continuous casting parameters 样号 中包温度 ( min /max) /℃ 连铸拉速/ ( m·min － 1 ) 结晶器水冷/ ( m3 ·h － 1 ) 1 1 562 /1 579 1. 4 136 2 1 597 /1 605 1. 5 137 ·162·

增刊1 王宏斌等：X1215易切削钢连铸还成分偏析的研究 ·163· 1.20 120 1.15 115 1.10 1.10 1.05 1.05 1.00 0.95 0.95 0.90 0.90 0.85 0.85 0.80 0.5R中心0.5R 0.80 R0.875R0.5R中心0.5R0.875RR 距离中心的距离 距离中心的距离 (知)A方向上的元素偏析度 (b)B方向上的元素偏析度 1.20 1.20 C 1.15 115 10 1.05 1.05 0.95 0.95 0.90 0.85 0.85 0.80 0.80 0.5R中心0.5R R0.875R0.5R中心0.5R0.875RR 距离中心的距离 距离中心的距离 (c)C方向上的元素偏析度 (d)D方向上的元素偏析度 图32#试样中元素的偏析度 Fig.3 Segregation degrees of elements in sample 2# 从图2和图3可以看出，生产硫系易切削钢采 有一定影响. 用低冷却强度和结晶器电磁搅拌技术，得到的连铸 采用小方坯连铸工艺生产硫系易切削钢时不会 坯的元素偏析情况如下： 出现非常严重的成分偏析.这是因为连铸坯凝固速 (1)C、Si元素的偏析度在0.9~1.1之间变化， 度快，因而易控制得到颗粒小的硫化物夹杂.从试 有轻微中心负偏析 样不同方向上的偏析度曲线变化可以看出，S、P元 (2)Mn元素在连铸坯的4个取样方向上的偏 素在柱状晶向等轴晶的过渡区（距离中心0.5R~ 析曲线在0.98~1.02之间波动，偏析度极小，Mn 0.75)含量比较高.其原因为由冷却速度的变化等 元素的含量分布比较均匀. 因素引起的晶粒生长方式的变化，会影响溶质的传 (3)P、S元素存在中心负偏析，在铸坯横截面 输，造成两种晶体形成的交界处的溶质聚集，形成 的四个方向上，两者的偏析度曲线变化一致，说明 元素的正偏析 易切削钢中P、S的性质相似.在B和D方向上的 根据溶质元素析出与富集理论，铸坯从表层到 0.875R处存在轻微负偏析 中心结晶过程中，钢水中的一些溶质元素如磷、硫 由实验数据分析可知，各元素成分偏析情况沿 等，在固液边界上溶解并平衡移动，从柱状晶析出 铸坯中心呈对称分布，在整个铸坯截面上不存在非 的溶质元素排到尚未凝固的中心部位会形成连铸坯 常严重的成分偏析，说明宣钢现行的低碳高硫易切 的中心偏析).从低倍酸浸结果（见图4）看出，在 削钢的连铸生产工艺是可行的， 距离中心0.5R的范围内出现的是以聚集的细小树 2.2结果分析 枝晶为核的等轴晶，由于凝固前沿的选分结品而形 X1215钢中C、Si元素含量控制较低，且两者 成S、P元素的轻微偏析（见图2、图3）).在铸坯中 的偏析度较轻微，对钢的整体性能影响甚微. 心处，各元素都出现了不同程度的负偏析.S、P元 X1215是高硫高磷钢，Mn、S、P元素是非常重要的 素在铸坯中心处出现了最大负偏析.综合分析图2~ 合金元素，所以Mn、S、P的成分偏析会对钢的性能 图4可知，2#铸坯的中心疏松程度更严重些

增刊 1 王宏斌等: X1215 易切削钢连铸坯成分偏析的研究 图 3 2#试样中元素的偏析度 Fig． 3 Segregation degrees of elements in sample 2# 从图 2 和图 3 可以看出，生产硫系易切削钢采 用低冷却强度和结晶器电磁搅拌技术，得到的连铸 坯的元素偏析情况如下: ( 1) C、Si 元素的偏析度在 0. 9 ～ 1. 1 之间变化， 有轻微中心负偏析． ( 2) Mn 元素在连铸坯的 4 个取样方向上的偏 析曲线在 0. 98 ～ 1. 02 之间波动，偏析度极小，Mn 元素的含量分布比较均匀． ( 3) P、S 元素存在中心负偏析，在铸坯横截面 的四个方向上，两者的偏析度曲线变化一致，说明 易切削钢中 P、S 的性质相似． 在 B 和 D 方向上的 0. 875R 处存在轻微负偏析． 由实验数据分析可知，各元素成分偏析情况沿 铸坯中心呈对称分布，在整个铸坯截面上不存在非 常严重的成分偏析，说明宣钢现行的低碳高硫易切 削钢的连铸生产工艺是可行的． 2. 2 结果分析 X1215 钢中 C、Si 元素含量控制较低，且两者 的偏析 度 较 轻 微，对 钢 的 整 体 性 能 影 响 甚 微． X1215 是高硫高磷钢，Mn、S、P 元素是非常重要的 合金元素，所以 Mn、S、P 的成分偏析会对钢的性能 有一定影响． 采用小方坯连铸工艺生产硫系易切削钢时不会 出现非常严重的成分偏析． 这是因为连铸坯凝固速 度快，因而易控制得到颗粒小的硫化物夹杂． 从试 样不同方向上的偏析度曲线变化可以看出，S、P 元 素在柱状晶向等轴晶的过渡区( 距离中心 0. 5R ～ 0. 75R) 含量比较高． 其原因为由冷却速度的变化等 因素引起的晶粒生长方式的变化，会影响溶质的传 输，造成两种晶体形成的交界处的溶质聚集，形成 元素的正偏析． 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，钢水中的一些溶质元素如磷、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会形成连铸坯 的中心偏析［3］． 从低倍酸浸结果( 见图 4) 看出，在 距离中心 0. 5R 的范围内出现的是以聚集的细小树 枝晶为核的等轴晶，由于凝固前沿的选分结晶而形 成 S、P 元素的轻微偏析( 见图 2、图 3) ［4］． 在铸坯中 心处，各元素都出现了不同程度的负偏析． S、P 元 素在铸坯中心处出现了最大负偏析． 综合分析图 2 ～ 图 4 可知，2#铸坯的中心疏松程度更严重些． ·163·

◆164· 北京科技大学学报 第33卷 图4低倍酸浸试验结果 Fig.4 Results of macro-acid-etching test 中心偏析和中心疏松这两种缺陷常同时产生， 参考文献 生产中一般采用增加铸坯断面上等轴晶的比例以避 [1]Tian SS,Zhou X L,Shu R J.Research and development of the 免这两种缺陷的产生.研究表明56)，铸坯断面上 sulfur series easily cutting steel.Met Mater Metall Eng.2008.3 的等轴晶率如果能达到35%~40%或者以上，中心 (6):17 偏析基本上就能消除.由图4可以看出，连铸坯存 (田树生，周小丽，徐瑞军.硫系易切削钢的研发.金属材料 与冶金工程，2008,36(6)：17) 在一定程度的中心疏松，这是导致连铸坯中心部位 [2] Huang L,Wu H T.Zhai W L.et al.The sulfides in steel and 元素负偏析的主要原因.铸坯产生中心疏松是由于 their beneficial effect//Proceedings of China Iron Steel Annual 浇注时过热度高(50~60℃)引起的，浇注温度高会 Meeting.Beijing.2009:51 使柱状晶发达，在连浇炉次中要相应降低过热度. (黄雷，吴海涛，翟万里，等.钢中硫化物的种类及其有利作 为了改善或避免铸坯中心偏析和中心疏松，应 用/1中国钢铁年会论文集.北京，2009：51) [3] 当优化浇注制度，可采用适度的电磁搅拌技术和低 Zhu G N.BiZ N.Dong J X.Microsegregation and homogeniza- tion of nickel base corrosion resistant alloy C276 ingots.IUni 过热度浇注技术，并且采用合适的浇注速度以获得 Sci Technol Beijing.2010.32(5):628 高比例等轴晶. (朱冠妮，毕中南，董建新.镍基耐蚀合金C-276铸锭元素偏 析和均匀化工艺.北京科技大学学报，2010,32(5)：628) 3结论 [4] Liu X F.Zhao J Z,Zhai Q J.et al.Macrosegregation analysis of 连铸坯中C、Si、Mn、P、S的成分偏析系数均在 SPA+steel produced by compact strip process.J Iron Steel Res, 2007.19(4):102 0.9~1.1之间，连铸坯中Mn元素成分均匀；C、Si (刘旭峰，赵建忠，翟启杰，等.CSP工艺生产SPA-H钢的宏 元素有轻微偏析：S、P元素在铸坯柱状晶向等轴晶的过 观偏析.钢铁研究学报，2007,19(4)：102) 渡区出现最大正偏析，在中心处出现最大负偏析. [5] KawawaT,Tsuchida Y.The central segregation production mech- S、P元素在中心处偏析较严重，其原因是由于 anism of the continuous casting plate:basic research on the contin- 浇注过热度高，连铸坯存在一定程度的中心疏松， uous casting becomes sticky IV.ISIJ Int,1974.60(11):S408 (川和高穗，土田裕.速續铸造入ラ7)中央偏析生成機構 这是导致中心P、S元素负偏析的主要原因，可采用 【3℃.铁上鋼，1974,60(11)：408) 电磁搅拌技术、低过热度浇注技术和合适的浇注速 [6]Kametal H.Fractal analysis of the surface cracks on continuously 度等措施减轻中心疏松. cast steel slab.Metall Mater Trans B,1998,29(6):1261

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 4 低倍酸浸试验结果 Fig． 4 Results of macro-acid-etching test 中心偏析和中心疏松这两种缺陷常同时产生， 生产中一般采用增加铸坯断面上等轴晶的比例以避 免这两种缺陷的产生． 研究表明［5--6］，铸坯断面上 的等轴晶率如果能达到 35% ～ 40% 或者以上，中心 偏析基本上就能消除． 由图 4 可以看出，连铸坯存 在一定程度的中心疏松，这是导致连铸坯中心部位 元素负偏析的主要原因． 铸坯产生中心疏松是由于 浇注时过热度高( 50 ～ 60 ℃ ) 引起的，浇注温度高会 使柱状晶发达，在连浇炉次中要相应降低过热度． 为了改善或避免铸坯中心偏析和中心疏松，应 当优化浇注制度，可采用适度的电磁搅拌技术和低 过热度浇注技术，并且采用合适的浇注速度以获得 高比例等轴晶． 3 结论 连铸坯中 C、Si、Mn、P、S 的成分偏析系数均在 0. 9 ～ 1. 1 之间，连铸坯中 Mn 元素成分均匀; C、Si 元素有轻微偏析; S、P 元素在铸坯柱状晶向等轴晶的过 渡区出现最大正偏析，在中心处出现最大负偏析． S、P 元素在中心处偏析较严重，其原因是由于 浇注过热度高，连铸坯存在一定程度的中心疏松， 这是导致中心 P、S 元素负偏析的主要原因，可采用 电磁搅拌技术、低过热度浇注技术和合适的浇注速 度等措施减轻中心疏松． 参 考 文 献 ［1］ Tian S S，Zhou X L，Shu R J． Research and development of the sulfur series easily cutting steel． Met Mater Metall Eng，2008，36 ( 6) : 17 ( 田树生，周小丽，徐瑞军． 硫系易切削钢的研发． 金属材料 与冶金工程，2008，36 ( 6) : 17) ［2］ Huang L，Wu H T，Zhai W L． et al． The sulfides in steel and their beneficial effect / /Proceedings of China Iron ＆ Steel Annual Meeting． Beijing，2009: 51 ( 黄雷，吴海涛，翟万里，等． 钢中硫化物的种类及其有利作 用/ /中国钢铁年会论文集． 北京，2009: 51) ［3］ Zhu G N，Bi Z N，Dong J X． Microsegregation and homogeniza￾tion of nickel base corrosion resistant alloy C-276 ingots． J Univ Sci Technol Beijing，2010，32( 5) : 628 ( 朱冠妮，毕中南，董建新． 镍基耐蚀合金 C--276 铸锭元素偏 析和均匀化工艺． 北京科技大学学报，2010，32( 5) : 628) ［4］ Liu X F，Zhao J Z，Zhai Q J，et al． Macrosegregation analysis of SPA-H steel produced by compact strip process． J Iron Steel Res， 2007，19( 4) : 102 ( 刘旭峰，赵建忠，翟启杰，等． CSP 工艺生产 SPA--H 钢的宏 观偏析． 钢铁研究学报，2007，19( 4) : 102) ［5］ Kawawa T，Tsuchida Y． The central segregation production mech￾anism of the continuous casting plate: basic research on the contin￾uous casting becomes sticky IV． ISIJ Int，1974，60( 11) : S408 ( 川和高穗，土田裕． 連續鋳造スラブの中央偏析の生成機構 について． 鉄と鋼，1974，60( 11) : 408) ［6］ Kametal H． Fractal analysis of the surface cracks on continuously cast steel slab． Metall Mater Trans B，1998，29( 6) : 1261 ·164·