CN101135022A - 弧形连铸机生产的Cr-Mo合金钢圆坯及其工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弧形连铸机生产的Cr－Mo合金钢圆坯及其工艺方法。此合金钢圆坯钢液成分中：P≤0.012％，S≤0.002％，Mn/S≥200，以上百分比为重量百分比；工艺方法特征在于：连铸二冷比水量为0.47～0.53，一区水量百分比为35％～45％，二区水量百分比为22％～32％，三区水量百分比为14％～24％，四区水量百分比为9％～19％，控制钢中Mn/S≥200。本发明可避免钢水在冷却凝固过程中因激冷产生铸坯中心裂纹、缩孔等缺陷的发生，生产出符合要求的低碳合金钢连铸圆坯。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金钢及其工艺方法，尤其涉及一种弧形连铸机生产的Cr-Mo合金钢圆坯及其工艺方法。
背景技术
宝钢电炉自96年12月投产，由于未引进相应冶炼、浇铸一贯制工艺技术，在开工前7年时间里主要生产碳钢、锰钢及低合金钢。在此期间对合金含量为2.5～5.5％的Cr-Mo系列合金钢也进行试制，但是由于未能掌握合金钢相关冶炼、浇铸关键工艺技术，导致浇铸合金钢连铸圆坯产生漏钢、内部缺陷，主要是中心裂纹、缩孔严重超标。由于宝钢电炉连铸生产
178mm园坯，主要是直供宝钢钢管分公司轧制钢管使用。宝钢钢管各项机械性能、尺寸公差控制领先与国内外同行产品，随着钢管市场发展，目前众多用户对宝钢钢管寄予厚望，主要体现在新产品拓展上，特别是中合金钢品种拓展上。由于宝钢电炉产品大纲主要是以生产普碳钢为主，因此在生产中合金钢方面缺乏相关技术，在工艺试制初期阶段为了摸索中心裂纹、缩孔超标铸坯对钢管轧制后内表质量影响也进行试轧，结果钢管管体内壁产生大量破碎翘皮：管坯综合成材率仅为48.9％。以上局面严重制约钢管新产品档次提升和宝钢电炉冶炼、浇铸技术的发展。
现有的弧形连铸机生产的Cr-Mo合金钢圆坯工艺方法使合金钢钢中的[S]达到0.00435％，由于钢中硫高时在凝固过程中易与铁形成FeS及FeS2两种硫化物，前者在钢中较常见，其熔点较低(1190℃)，并与铁形成熔点更低(988℃)的共晶体； 固体相与液体相共存的温度范围宽达数百度；硫在δ铁及γ铁中的溶解度很小，随钢液的凝固，硫将向尚未凝固的液体部分富集，造成硫化物偏析使晶界具有很强的热脆性，导致在合金钢内部容易形成中心裂纹。
现有技术对钢中[Mn]/[S]无严格要求，造成钢中[Mn]/[S]波动较大(50～600)，由于钢中[Mn]/[S]低，就促使低熔点的枝状FeS形成，使硫在凝固过程中在晶界形成(Fe，Mn)S+FeS复合化合物，使晶界脆性增加。
现有技术使合金钢钢中的[P]达到0.011523％，从Fe-P平衡相图可以得到，磷加入铁中扩大了固相线和液相线的距离，所以含磷的铁化物从液态到固态需通过较宽的温度区域，这样磷浓度较高的铁液(熔点较低)充填在已凝固的枝晶的夹缝中而在晶界形成磷化铁薄膜，从而使钢的高温韧性降低。随磷含量的增高，铁磷合金的A4点逐渐下降，同时A3点不断上升，最后形成封闭的γ相圈。原工艺由于钢中[P]较高，造成磷在晶界偏析越明显，晶界也越脆弱，所以铸坯的中间裂纹、缩孔的敏感性大大增强。
现有技术中由于合金钢本身黏度大为了防止浇铸过程结死、断浇所以实际钢水过热度控制在30±5℃同时配以2.3m/min拉速，此工艺导致铸坯表面激冷层厚度减小，铸坯表面散热速度增大，从而使凝固壳不能均匀生长，导致中部柱状晶区加大引起铸坯出结晶后表面回温较大，在柱状晶区凝固产生热应力，而柱状晶又存在由于杂质聚积而形成的高温强度及塑性较低的薄弱面，所以易形成柱状晶晶间裂纹。严重时会诱发铸坯内部个别部位柱状晶易首先穿晶“搭桥”，致使局部封闭空间内残液的冷凝收缩得不到补充，形成中心疏松和缩孔。
连铸二次冷却的目的是通过向从结晶器拉出的带液芯坯壳供给足够量的喷淋水量，直接连续冷却，促其快速完全凝固，二次冷却系统必须设置成可以均匀地降低铸坯温度，以避免铸坯表面温度急剧变化，现有技术采用0.35L/kg比水量容易造成液相穴长度过长，造成带液心矫直，容易产生裂纹等缺陷，另外现有技术四区采用“起伏式”水量分布，造成铸坯在扇形段之间温差很大，使铸坯在凝固过程中易产生“回热”，可导致局部热应力使铸坯产生缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种弧形连铸机生产的Cr-Mo合金钢圆坯及其工艺方法，通过控制最佳的炼钢、连铸二冷工艺参数与合适的浇铸温度、拉速匹配，避免浇铸合金钢连铸圆坯产生漏钢、内部缺陷，生产出符合要求的低碳合金钢连铸圆坯。
本发明的目的是这样实现的：(除有特别说明外，本文中的所有百分比、比率和比例都是以重量计的)
本发明涉及的低碳cr-Mo系列合金钢是指钢中含≤0.35％碳，以及含有铬、钼、镍一种或两种以上元素，且以上元素含量在2.5％-5.5％，通过弧形连铸机浇铸成断面规格为
178mm的连铸坯。
其生产流程及本技术实施点如下：
EAF冶炼(30-45％铁水+70-55％废钢)控制出钢[P]含量—偏心炉底出钢—LF钢包炉外精炼(调整钢中[Mn]、[S]及钢水温度)—VD真空脱气(微调[Mn]/[S]比、钢水温度)—6流弧形
178mm连铸机(控制钢水浇铸过热度与拉速合理匹配、二冷比水量及四区水量最佳分布)—铸坯精整。
本发明涉及的中、低碳Cr-Mo系列合金钢圆坯制造方法的原理是：通过优化钢种成份设计，控制钢种[Mn]/[S]比，其次通过控制钢水浇铸过热度与拉速之间最佳匹配，同时采用最佳连铸机二冷比水量以及连铸二冷四区最佳水量分布，可避免钢水在冷却凝固过程中因激冷产生铸坯中心裂纹、缩孔等缺陷的发生。本发明关键制造工艺如下所示：
表一 成份控制
| 工艺对比 | [P]％ | [S]％ | [Mn]/[S] |
| 原工艺 | ≤O.015 | ≤0.010 | 无要求 |
| 新工艺(本专利) | ≤0.012 | ≤0.002 | 真空脱气处理结束控制合适的[Mn]/[S] |
表二 过热度与拉速控制
| 工艺对比 | 钢水过热度(℃) | 对应拉速(m/min) |
| 原工艺 | 25±5℃ | 2.1-2.5目标2．3 |
| 新工艺(本专利) | 20±5℃ | 1.9-2.3目标2.1 |
表三 二冷比水量与四区水量分布
| 工艺 | 比水量(L/kg) | 1区水量百分比(％) | 2区水量百分比(％) | 3区水量百分比(％) | 4区水量百分比(％) |
| 原工艺 | 0.35±0.03 | 39±5 | 44±5 | 17±5 | 0±5 |
| 新工艺(本专利) | 0.5±0.03 | 40±5 | 27±5 | 19±5 | 14±5 |
一种弧形连铸机生产的Cr-Mo合金钢圆坯，其特征在于，钢液成份中：P≤0.012％，S≤0.002％，Mn/S≥200，含有铬、钼、镍一种或两种以上元素，且以上元素含量在2.5％-5.5％。
上述弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：连铸二冷比水量为0.47～0.53，一区水量百分比为35％～45％，二区水量百分比为22％～32％，三区水量百分比为14％～24％，四区水量百分比为9％～19％，控制钢中Mn/S≥200。其中，控制钢中P的重量百分比含量≤0.012％，控制钢中S的重量百分比含量≤0.002％，钢水过热度在20±5℃范围相应匹配拉速为1.9m/min～2.3m/min，如果钢水过热度高按每升高8±5℃相应拉速降低0.2m/min控制，如果温度偏低按每降低8±5℃相应拉速提高0.2m/min控制，温度偏低时及时保证等离子枪投入使用。在此过程中，需要控制炉料配比，保证铁水比在30～45％范围，入炉废钢采用低磷、低硫废钢；在吹炼过程中控制T.Fe在30～40％范围，同时控制熔渣碱度在3.0～3.2；出钢采用偏心炉底出钢，同时控制炉内余钢量在15吨～30吨，同时控制钢包精炼渣系碱度R＝3.5～4.0。
本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、因为本发明有效控制钢中[S]，从而能有效避免钢水在凝固过程中形成低熔点共晶体，使铸坯中心裂纹发生率明显降低；
2、因为本发明通过保证钢中[Mn]/[S]大于200时，由于[Mn]]与[S]的亲合力大于[Fe]与[S]的亲合力，从而使得钢液在凝固时，大部分[S]与[Mn]结合，形成稳定MnS，使晶界脆性减小，大大降低了合金钢内部形成中心裂纹的几率；
3、采用本发明有效控制合金钢钢中[P]，从而避免磷在晶界之间的偏析，所以铸坯的中间裂纹、缩孔的敏感性也随之大大减小了；
4、采用本发明能使铸坯在凝固过程中均匀散热有效避免合金钢中心裂纹、缩孔发生，能使铸坯在四区冷却过程中逐级缓冷、均匀冷却，从而减轻中心裂纹发生率。
具体实施方式
本发明结合如下实施例进一步说明：
表四 低碳Cr-Mo合金钢的成分
| 钢种 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Cu | Al | Nb | N |
| A | 0.080.15 | 0.150.40 | 0.400.60 | ≤0.015 | ≤0.010 | 2.002.50 | 0.901.13 | ≤0.20 | ≤0.015 | ≤0.10 | ≤0.0080 |
| B | 0.050.15 | 0.100.50 | 0.300.60 | ≤0.035 | ≤0.030 | 4.006.00 | 0.450.60 | ≤0.25 | 0.0050.040 | ≤0.10 | ≤0.0120 |
| C | 0.080.15 | 0.150.50 | 0.400.70 | ≤0.015 | ≤0.010 | 2.02.5 | 0.901.20 | ≤0.20 | ≤0.015 | ≤0.10 | ≤0.0080 |
| D | 0.180.24 | 0.250.35 | 0.450.55 | ≤0.010 | ≤0.005 | 2.803.20 | 0.380.44 | 0.300.35 | 0.020.04 | 0.010.03 | ≤0.0080 |
| E | 0.270.32 | 0.250.35 | 0.550.75 | ≤0.012 | ≤0.003 | 2.903.10 | 0.500.70 | 0.200.30 | 0.010.04 | 0.010.03 | ≤0.0080 |
表五 统计2005年全年A、B钢中关键技术参数控制实绩
| 钢种 | [P]％ | [S]％ | [Mn]/[S] | 钢水过热度(℃) | 对应拉速(m/min) |
| A | 0.00926 | 0.00168 | 304.76 | 19.46 | 1.984 |
| B | 0.01037 | 0.00184 | 270.65 | 22.81 | 2.145 |
| C | 0.00894 | 0.001572 | 287.61 | 18.78 | 2.086 |
| D | 0.01015 | 0.00161 | 257.25 | 23.45 | 1.995 |
| E | 0.00942 | 0.00175 | 331.51 | 21.91 | 2.113 |
表六 二冷比水量及四区水量分布控制实绩
| 钢种 | 比水量(L/kg) | 1区水量百分比(％) | 2区水量百分比(％) | 3区水量百分比(％) | 4区水量百分比(％) |
| A | 0.498 | 41 | 27 | 20 | 12 |
| B | 0.501 | 40 | 26 | 19 | 15 |
| C | 0.50 | 40 | 26 | 19 | 15 |
| D | 0.498 | 40 | 26 | 19 | 15 |
| E | 0.502 | 41 | 27 | 20 | 12 |
表七缩孔对比实绩
| 钢种 | 缩孔 | |||||||||
| 原工艺 | 新工艺 | |||||||||
| 0级 | 1级 | 2级 | 3级 | 4级 | 0级 | 1级 | 2级 | 3级 | 4级 | |
| A | 13.45 | 32.58 | 8.45 | 38.55 | 6.97 | 54.56 | 29.84 | 7.52 | 4.98 | 3.10 |
| B | 14.62 | 28.96 | 6.48 | 41.25 | 8.69 | 52.16 | 28.15 | 6.45 | 5.95 | 7.29 |
| C | 12.78 | 30.15 | 7.45 | 39.98 | 9.63 | 49.87 | 28.65 | 8.21 | 3.78 | 9.49 |
| D | 16.14 | 27.88 | 6.45 | 43.51 | 6.02 | 51.22 | 29.12 | 8.15 | 3.54 | 7.97 |
| E | 13.52 | 28.64 | 8.51 | 38.45 | 10.88 | 50.89 | 27.88 | 7.98 | 4.87 | 8.38 |
| 平均 | 40.348 | 8.438 | 4.624 | 7.246 | ||||||
表八中心裂纹对比实绩
| 钢种 | 中心裂纹 | |||||||||
| 原工艺 | 新工艺 | |||||||||
| 0级 | 1级 | 2级 | 3级 | 4级 | 0级 | 1级 | 2级 | 3级 | 4级 | |
| A | 14.78 | 32.15 | 5.04 | 40.15 | 7.88 | 19.54 | 57.45 | 18.15 | 3.78 | 2.08 |
| B | 15.11 | 31.42 | 6.14 | 39.84 | 7.49 | 18.84 | 55.64 | 19.12 | 4.02 | 3.38 |
| C | 15.85 | 30.14 | 5.12 | 41.25 | 7.64 | 16.47 | 57.82 | 17.45 | 4.15 | 4.11 |
| D | 16.14 | 29.56 | 6.10 | 38.82 | 9.38 | 19.15 | 56.42 | 16.89 | 3.98 | 3.56 |
| E | 14.98 | 30.18 | 5.98 | 39.54 | 9.32 | 17.89 | 55.47 | 18.42 | 3.88 | 4.34 |
| 平均 | 39.92 | 8.342 | 3.962 | 3.494 | ||||||
从上表可以看出，按本专利技术使中、低碳Cr-Mo系列合金钢圆坯中心裂纹、缩孔大于等于3级超标率分别下降39.886％、36.916％。
表九钢管轧制内表质量与综合成材率
| 钢种 | 钢管综合成材率(％) | ||
| 原工艺 | 新工艺 | 新旧工艺之差 | |
| A | 48.9 | 78.2 | 29.3 |
| B | 65.14 | 83.45 | 18.31 |
| C | 55.88 | 82.56 | 26.68 |
| D | 52.18 | 83.15 | 30.97 |
| E | 57.42 | 84.44 | 27.02 |
| 平均 | 56.18 | 83.42 | 27.24 |
由于合金耐热钢、裂化管、高压锅炉管等钢种成份中含有较多合金元素，这些元素在改善钢种性能(机械性能、耐高温、耐腐蚀)同时，也给炼钢、连铸、轧制生产增加诸多困难。如常用合金元素[Cr]对提高钢的淬透性、增加钢的耐磨性具有显著作用，但是含量较高时易产生脆性，这就导致在连铸铸坯上容易产生中心裂纹、缩孔。所以必须严格控制合金内在质量，从而保证钢管内表质量。在工艺试制初期阶段为了摸索中心裂纹、缩孔超标铸坯对钢管轧制后内表质量影响也进行试轧，结果钢管管体内壁产生大量破碎翘皮；管坯综合成材率仅为48.9％，远远低于正常连铸坯综合成材率82％左右水平。通过该技术专利实施，减少了中心裂纹、缩孔超标比例，因此使得中合金钢钢管综合成材率达到83.42％，上升约27％。本发明可在相关钢厂采用弧形连铸机生产小断面中、低碳Cr-Mo钢中推广应用。
Claims (8)
1.一种弧形连铸机生产的Cr-Mo合金钢圆坯，其特征在于，钢液成份中：P≤0.012％，S≤0.002％，Mn/S≥200，以上百分比为重量百分比。
2.弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：连铸二冷比水量为0.47～0.53，一区水量百分比为35％～45％，二区水量百分比为22％～32％，三区水量百分比为14％～24％，四区水量百分比为9％～19％，控制钢中Mn/S≥200。
3.如权利要求2所述的弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：控制钢中P的重量百分比含量≤0.012％。
4.如权利要求2或3所述的弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：控制钢中S的重量百分比含量≤0.002％。
5.如权利要求4所述的弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：钢水过热度在20±5℃范围相应匹配拉速为1.9m/min～2.3m/min，如果钢水过热度高按每升高8±5℃相应拉速降低0.2m/min控制，如果温度偏低按每降低8±5℃相应拉速提高0.2m/min控制。
6.如权利要求5所述的弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：温度偏低时及时保证等离子枪投入使用。
7.如权利要求2所述的弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：
1)控制炉料配比，保证铁水比在30～45％范围，入炉废钢采用低磷、低硫废钢；
2)在吹炼过程中控制T.Fe在30～40％范围，同时控制熔渣碱度在3.0～3.2；
3)出钢采用偏心炉底出钢，同时控制炉内余钢量在15吨～30吨。
8.如权利要求2或7所述的弧形连铸机生产Cr-Mo合金钢圆坯的工艺方法，其特征在于：控制钢包炉炉渣碱度R＝3.5～4.0。
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