轴承钢大方坯凝固末端特性与中心质量控制

连铸流程取代模铸锻造生产高端轴承钢是当前的发展趋势。为了改善GCr15轴承钢200 mm×240 mm大方坯连铸中常见的中心缩孔和中心偏析问题,借助数值模拟研究连铸坯传热与凝固进程,并通过工业试验调整拉速探究末端电磁搅拌(final electromagnetic stirrer,F-EMS)和轻压下(soft reduction,SR)对连铸内部质量的协同影响机制和效果,通过低倍酸侵观察不同工艺下铸坯的横纵截面缩孔疏松和裂纹情况,通过钻屑取样检测铸坯横截面上碳偏析分布。结果表明,拉速为0.95 m/min时铸坯凝固终点仅为13.0 m,此时提升F-EMS强度且使用轻压下虽然可以改善中心缩孔,但F-EMS也将更多高浓度钢液搅入铸坯中心,由于铸坯中心熔池宽度小,对高浓度溶质的稀释作用小,熔池难以稀释这些钢液从而使得铸坯中心偏析反而加剧。而在F-EMS电流强度为540 A、SR总压下为7 mm的工艺下,拉速提升至1.2和1.4 m/min时,铸坯内弧侧都产生了压下裂纹,且由于GCr15轴承钢连铸凝固两相区较宽,拉速为1.4 m/min时铸坯在铸机上产生裂纹的压下辊处,铸坯内部裂纹敏感区间较白亮带更靠近铸坯表面,最终导致白亮带较压下裂纹更靠近铸坯中心。拉速为1.1 m/min时,虽然中心缩孔得以控制,但中心区域出现负偏析,导致断面均质性无法控制到较高水平。而在拉速为1.0 m/min工况下,F-EMS处的铸坯中心固相率在0.1附近,在合理位置,其2号和3号压下辊处铸坯中心固相率都处于合理的压下区间0.30~0.75,铸坯横截面中心缩孔评级为0.5以内,中心偏析为1.003,碳极差为0.125%,其质量最优。

连铸工艺对GCr15大方坯凝固组织的影响

以某厂生产的GCr15轴承钢为研究对象,采用商业软件ProCAST中的元胞自动机-有限元耦合模型(CAFE模型),考虑结晶器电磁搅拌影响,模拟预测了GCr15连铸大方坯凝固组织,并通过实测温度和实际低倍对模型进行验证。在此基础上,分析了过热度、拉速和比水量对GCr15连铸大方坯等轴晶率和平均晶粒半径的影响,提出了较合理的生产工艺,并通过工业试验验证。结果表明,随着过热度从25℃增大为50℃,铸坯等轴晶率由54.6%降低为40.0%,平均晶粒半径由0.142 9 cm增大为0.150 8 cm。当拉速从1.0 m/min增大为1.4 m/min时,铸坯等轴晶率由44.5%降低至37.5%,平均晶粒半径由0.146 3 cm增大到0.150 5 cm。随着二冷比水量由0.210 L/kg提高至0.367 L/kg,铸坯等轴晶率由46.7%降低到41.8%。当比水量从0.210 L/kg提高至0.236 L/kg时,平均晶粒半径由0.159 7 cm减小为0.146 7 cm,继续提高比水量,平均晶粒半径变化不大。工业试验结果表明,过热度约30℃、拉速1.0 m/min、二冷比水量0.236 L/kg为该GCr15铸坯合理的生产工艺。