CN101147966A - 连铸柱状晶小方坯及其柱状晶控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连铸柱状晶小方坯及其柱状晶控制方法，包括用螺纹钢、碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、低合金高强度钢、硬线钢或冷镦钢化学成分的钢液连铸的小方坯，小方坯中心区域柱状晶率90－100％，等轴晶率0－10％。本发明通过连铸过程强制冷却和热应力压下提高材料成分的均匀性，降低材料成分的偏析指以及内部缺陷几率，提高小方坯的柱状晶率，同时由于采用强制冷却、高拉速，使连铸机效率提高了10％～40％。本发明在同行业中具有较大的推广价值，可产生较大的经济效益和社会效益。
Description
技术领域：
本发明涉及钢铁行业，具体涉及钢坯连铸过程中柱状晶的控制方法。
背景技术：
目前，国内普遍认为连铸坯柱状晶发达必然会使铸坯的偏析、疏松、缩孔及内裂等内部缺陷级别增加，特别是小方坯，认为其柱状晶更发达、凝固末端更易产生“搭桥”，内部缺陷更严重。因此，国内优特钢企业普遍追求连铸坯的等轴晶率，普遍采取“低拉速、弱冷却工艺”(拉速一般在0.7～2.0m/min)，这种工艺制成的铸坯的边部区域、中心区域，其组织结构主要为等轴晶，中间区域为柱状晶。这样虽然抑制了铸坯柱状晶的形成，使铸坯的等轴晶率达到50％左右(中心区域可达到100％)，但却限制了连铸高效化的发展。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种连铸柱状晶小方坯，该小方坯柱状晶率高，质量好。克服了人们的认识误区。
本发明要解决的另一个技术问题是提供这种连铸柱状晶小方坯的柱状晶控制方法，用“高拉速、强冷却”，获得高柱状晶率的铸坯，使连铸向高效化发展。
本发明通过以下技术方案实现：
连铸柱状晶小方坯，包括用螺纹钢、碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、低合金高强度钢、硬线钢或冷镦钢化学成分的钢液连铸的小方坯，小方坯中心柱状晶率90-100％，等轴晶率0-10％。
小方坯中的0＜合金总含量≤3％，0＜碳含量≤1.3％。小方坯中的T〔0〕≤35PPM，“酸不溶铝”≤0.004％。
连铸柱状晶小方坯的柱状晶形成控制方法，该方法包括以下步骤：当钢液进入连铸结晶器后，每流铸坯实施夹套水对流冷却，拉出铸坯，铸坯进入二冷段后继续喷水冷却；铸坯拉速为2.3～3.2m/min，连铸结晶器中每流铸坯的喷水量为1500L～2500L/min，二冷段配水比水量为0.75～2.0L/kg钢。
当二冷段冷却方式为三段冷却时，配水比水量的三段配水比为2～4∶3～5∶3～6。
当二冷段冷却方式为四段冷却时，配水比水量的四段配水比为2～4∶2～4∶2～5∶2～5。
所述连铸结晶器倒锥度：1.0-1.8％/m。连铸结晶器的倒锥度低于1.0％/m以下，易发生漏钢事故，太高易造成结晶器脱模困难。
本发明适用于160mm×160mm小方坯(简称为160方)，及其以下规格的小方坯。其规格越小，越容易制得高柱状晶率的小方坯。
本发明的主要原理为：铸坯在凝固过程中，一般存在三个结晶区域：固相区、两相区和液相区(如图1所示)。在两相区内进行着形核和晶核的长大过程(如图2所示)。铸坯的凝固就是两相区由铸坯表面逐渐向铸坯中心推移的过程。两相区的宽度主要取决于钢液的结晶温度范围和凝固前沿熔体中的温度梯度。
两相区内邻近固相区的一端，晶体逐渐长大，残存钢液很少，称固-液相区，它与固相区的交界面称固相等温面(或称凝固前沿)；邻近液相区的一端，过冷钢液中存在着能够自由流动的晶体，称液-固相区，它与液相区的交界面称液相等温面(或称结晶前沿)。固-液相区和液-固相区间的交界面为可流动面。在液-固相区，晶体和钢液在重力作用下产生重力迁移；而在固-液相区，钢液只能在润湿力的作用下产生毛细迁移。两相区中形核地点、晶核长大速度以及熔体运动特征的变化，使铸坯结构和性能发生很大变化。两相区窄有利于柱状晶发展，两相区宽易于形成等轴晶。两相区内的钢液已呈半凝固状态，冷凝收缩产生的孔隙不易得到高温钢液的填补，析出的气体和夹杂物也难于上浮，故两相区宽度增加，铸坯中的疏松可能严重，气体和夹杂物含量可能增多，同时铸坯(钢锭)中的化学不均匀性也将会受到影响(晶间偏析可能发展，但区域偏析将有所缓和)。相反，如果两相区宽度窄，铸坯中的疏松可能减轻，气体和夹杂物含量可能降低，同时铸坯中的化学不均匀性将得到改善。
针对以上原理，本发明的主要技术构思是：(1)对连铸结晶器、以及二冷段实施大水量冷却，快速形成铸坯激冷层，增加铸坯表面冷却强度，提高冷却速度，使铸坯内部温度剃度增大，两相区变窄(温度剃度越大，两相区越窄)，促使柱状晶发达。(2)由于铸坯冷却速度快，两相区窄，其内部已呈半凝固状态的钢液层窄，柱状晶不仅形成快，而且易均匀生长。(3)强冷致使选分结晶不能进行彻底就产生凝固，致使铸坯偏析小。(4)提高铸坯表面冷却强度，使铸坯表面温度远低于液芯温度，表面凝固层收缩，从而达到轻压下的效果，改善了中心偏析、中心疏松和缩孔等缺陷。
本发明在理论指导下，进行了实践探索，取得了非常好的效果。实践证明，铸坯中的柱状晶率越高，铸坯的质量越好，更为重要的是改变了人们长期以来认识误区(误认为等轴晶率高，则铸坯的质量好)，而配之以“低拉速、弱冷却工艺”，限制了小方坯生产向高效化发展。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、提高材料性能的稳定性：在不改变材料原有成分的情况下，通过连铸过程强制冷却和热应力压下提高材料成分的均匀性，降低材料成分的偏析指数，从而提高材料性能的稳定性。例如，本发明应用于轴承钢，可使小方坯碳偏析指数≤1.10，应用于中碳钢，可使小方坯碳偏析指数小于1.08。
二、提高连铸机生产效率：采用本发明可使连铸拉速提高0.2～1m/min，连铸机效率提高10％～40％，有利于转炉或超高功率电炉有效配合，同时，对有些钢水粘度较高的钢种还有利于防止连铸过程“结瘤”。
三、减轻小方坯内部缺陷几率：本发明由于强制冷却使钢液来不及收缩就凝固或冷凝收缩量少，收缩内应力小，产生的孔隙少，因此，可使铸坯中心偏析、中心疏松和缩孔级别降低到0～1.5级，角部裂纹、边部裂纹、中心裂纹、非金属夹杂物和中间裂纹产生几率降低5～10％。
四、本发明的小方坯，其横断面的边部区域组织结构主要为等轴晶，中心区域、中间区域组织结构主要为柱状晶，中心区域的柱状晶率达90％以上。
附图说明：
图1为本发明钢液的结晶范围和两相区的构成示意图。
图1中1为固相区，2、3为两相区，4为液相区，5为温度分布曲线。
图2为本发明成核率N及长大速率V与过冷度的关系示意图。
图3为本发明的小方坯横断面组织结构示意图。
图3中6为小方坯横断面的中心区域、7为中间区域，中心区域、中间区域的组织结构主要为柱状晶；8为小方坯横断面的边部区域，该区域的组织结构主要为等轴晶。
具体实施方式：
GCr15轴承钢150方小方坯制备过程：当钢液进入连铸结晶器后，每流铸坯实施大水量冷却，并以高拉速拉出铸坯，当铸坯进入二冷段后继续以大水量冷却。
实施例1
用常规的电炉、转炉或其它非真空熔炼炉中进行熔炼(在本实施例中采用转炉熔炼)，出钢前测定化学成分，并进行成分初期调整，然后将盛有钢水的钢包进入精炼炉中进行精炼，最后取样测定化学成分，达到设计要求后备用(得到三炉钢)。GCr15轴承钢化学成分(％)如表1。
表1 GCr15轴承钢化学成分(％)
| 序号 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Aloxy | Cu | T.[0] |
| 1 | 0.98 | 0.23 | 0.34 | 1.49 | 0.012 | 0.005 | 0.001 | 0.04 | 0.0007 |
| 2 | 1.00 | 0.27 | 0.37 | 1.50 | 0.015 | 0.006 | 0.002 | 0.05 | 0.0008 |
| 3 | 0.99 | 0.25 | 0.36 | 1.48 | 0.014 | 0.005 | 0.002 | 0.05 | 0.0007 |
表1中的三炉钢任一炉均可用于连铸，现取表1中序号2所含化学成分的钢水进行连铸。选用如下设备、以及工艺参数。
机型：全弧形连铸机 弧形半径：10.28米
流数：六机六流 冶金长度：19米
中包形式：T型 中包容量：20t
结晶器长度：800m 铜管长度：1000mm
倒锥度：1.6％/m 铸坯断面：150×150mm2
电磁搅拌型式：M-EMS 搅拌频率：0～9HZ
搅拌电流：0～600A 振幅：0～12mm
振动频率：32～320次/min
连铸机特点：
四连杆仿弧振动机构。
采用交流可控硅变频实现振动频率和拉速同步调节。
二冷段水量采用PLC自动控制。
连铸结晶器中的每流铸坯实施夹套水对流冷却，二次冷却为水喷淋，分四段冷却(足辊段、活动段、固定一段、固定二段)。
GCr15轴承钢连铸坯工艺参数如表2。
表2 GCr15轴承钢连铸坯工艺参数
| 每流结晶器水量(L/min) | 二冷段比水量(L/kg) | 设定拉速(m/min) | 二冷各段水比例 |
| 足辊段∶活动段∶固定I段∶固定II段 | |||
| 1800 | 1.1 | 2.3 | 3∶3∶2∶2 |
上表中“比水量”为二冷段采用水喷淋冷却方式时的“比水量”，如果二冷段采用气雾冷却方式，则上表中“比水量”值乘以0.7。
上表中的“设定拉速”是指连铸过热度为30℃时的拉速，如果连铸过热度低于或高于30℃，则按照每低于或高于10℃时其拉速提高或降低0.1～0.2m/min实施。
得到GCr15轴承钢150方小方坯。对GCr15轴承钢150方小方坯低倍检验结果如表3。对GCr15轴承钢150方小方坯碳偏析指数检验结果如表4。
表3 GCr15轴承钢150方小方坯低倍检验结果
| 检验数量 | 中心偏析 | 中心疏松 | 缩孔 | 角部裂纹 | 边部裂纹 | 中间裂纹 | 中心裂纹 | 非金属夹杂物 | 中心区域柱状晶比例 |
| 32 | 0.5×32 | 0×50.5×111.0×121.5×4 | 0×60.5×81.0×101.5×8 | 0×210.5×81.0×3 | 0×300.5×11.0×1 | 0 | 0×270.5×41.0×1 | 0 | 92％余为等轴晶 |
表4 GCr15轴承钢150方小方坯碳偏析指数
| 钢种 | 碳偏析 | |
| 范围 | 平均 | |
| GCr15 | 1.03～1.08 | 1.067 |
实施例2：
仍取表1中序号2所含化学成分的钢水进行连铸。GCr15轴承钢连铸坯工艺参数如表5。
表5 GCr15轴承钢连铸坯工艺参数
| 每流结晶 | 二冷段比 | 设定拉速 | 二冷各段水比例 |
| 器水量(L/min) | 水量(L/kg) | (m/min) | 足辊段∶活动段∶固定I段∶固定II段 |
| 2000 | 1.6 | 2.4 | 2∶2∶5∶5 |
得到GCr15轴承钢150方小方坯。对GCr15轴承钢150方小方坯进行低倍检验，小方坯中心区域柱状晶比例为95％，其余为等轴晶。
其余实施如实施例1。
实施例3：
仍取表1中序号2所含化学成分的钢水进行连铸。GCr15轴承钢连铸坯工艺参数如表6。
表6 GCr15轴承钢连铸坯工艺参数
| 每流结晶器水量(L/min) | 二冷段比水量(L/kg) | 设定拉速(m/min) | 二冷各段水比例 |
| 足辊段∶活动段∶固定I段∶固定II段 | |||
| 2500 | 1.9 | 2.5 | 4∶4∶3∶3 |
得到GCr15轴承钢150方小方坯。对GCr15轴承钢150小方坯进行低倍检验，小方坯中心区域柱状晶比例为98％，其余为等轴晶。
其余实施如实施例1。
实施例4：
制备SAE1018冷镦钢150方小方坯。SAE1018冷镦钢化学成分(％)如表7。
表7 SAE1018冷镦钢化学成分(％)
| 序号 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cu | Al | Aloxy |
| 1 | 0.17 | 0.05 | 0.85 | 0.015 | 0.007 | 0.02 | 0.05 | 0.025 | 0.003 |
| 2 | 0.18 | 0.04 | 0.79 | 0.016 | 0.008 | 0.01 | 0.06 | 0.028 | 0.003 |
| 3 | 0.18 | 0.06 | 0.84 | 0.013 | 0.007 | 0.02 | 0.05 | 0.022 | 0.002 |
现取表7中序号1所含化学成分的钢水进行连铸。其连铸坯工艺参数如表8。
表8 SAE1018冷镦钢连铸坯工艺参数
| 每流结晶器水量(L/min) | 二冷段比水量(L/kg) | 设定拉速(m/min) | 二冷各段水比例 |
| 足辊段∶活动段∶固定段 | |||
| 1800 | 1.1 | 2.4 | 3∶3∶4 |
得到SAE1018冷镦钢150方小方坯。对SAE1018冷镦钢150方小方坯低倍检验结果如表9。对SAE1018冷镦钢150方小方坯碳偏析指数检验结果如表10。
表9 SAE1018冷镦钢150方小方坯低倍检验结果
| 检验数量 | 中心偏析 | 中心疏松 | 缩孔 | 角部裂纹 | 边部裂纹 | 中间裂纹 | 中心裂纹 | 非金属夹杂物 | 中心区域柱状晶比例 |
| 40 | 0.5×40 | 0×40.5×151.0×141.5×3 | 0×80.5×101.0×161.5×6 | 0×340.5×6 | 0×380.5×2 | 0×40 | 0×310.5×71.0×2 | 0×40 | 93％余为等轴晶 |
表10 SAE1018冷镦钢150方小方坯碳偏析指数
| 钢种 | 碳偏析 | |
| 范围 | 平均 | |
| SAE1018 | 1.01～1.06 | 1.032 |
其余实施如实施例1。
实施例5：
仍取表7中序号1所含化学成分的钢水进行连铸。SAE1018冷镦钢连铸坯工艺参数如表11。
表11 SAE1018冷镦钢连铸坯工艺参数
| 每流结晶器水量(L/min) | 二冷段比水量(L/kg) | 设定拉速(m/min) | 二冷各段水比例 |
| 足辊段∶活动段∶固定段 | |||
| 2000 | 1.6 | 2.6 | 2∶4∶5 |
得到SAE1018冷镦钢150方小方坯。对GSAE1018冷镦钢150方小方坯进行低倍检验，小方坯中心区域柱状晶比例为96％，其余为等轴晶。
其余实施如实施例1。
实施例6：
仍取表7中序号1所含化学成分的钢水进行连铸。SAE1018冷镦钢连铸坯工艺参数如表12。
表12 SAE1018冷镦钢连铸坯工艺参数
| 每流结晶器水量(L/min) | 二冷段比水量(L/kg) | 设定拉速(m/min) | 二冷各段水比例 |
| 足辊段∶活动段∶固定段 |
| 2500 | 1.8 | 3.0 | 3∶4∶6 |
得到SAE1018冷镦钢150方小方坯。对GSAE1018冷镦钢150方小方坯进行低倍检验，小方坯中心区域柱状晶比例为97％，其余为等轴晶。
其余实施如实施例1。
Claims (6)
1.连铸柱状晶小方坯，其特征在于：小方坯中心区域柱状晶率90-100％，等轴晶率0-10％。
2.如权利要求1所述的连铸柱状晶小方坯，其特征在于：小方坯中的0＜合金总含量≤3％，0＜碳含量≤1.3％。
3.如权利要求1所述的连铸柱状晶小方坯，其特征在于：小方坯中的T〔O〕≤35PPM，“酸不溶铝” ≤0.004％。
4.连铸柱状晶小方坯的柱状晶控制方法，该方法包括以下步骤：当钢液进入连铸结晶器后，每流铸坯实施夹套水对流冷却，拉出铸坯，铸坯进入二冷段后继续喷水冷却，其特征在于：铸坯拉速为2.3～3.2m/min，连铸结晶器中每流铸坯的喷水量为1500L～2500L/min，二冷段配水比水量为0.75～2.0L/kg钢。
5.如权利要求4所述的连铸柱状晶小方坯的柱状晶控制方法，其特征在于：二冷段冷却方式为三段冷却，配水比水量的三段配水比为2～4∶3～5∶3～6。
6.如权利要求4所述的连铸柱状晶小方坯的柱状晶控制方法，其特征在于：二冷段冷却方式为四段冷却，配水比水量的四段配水比为2～4∶2～4∶2～5∶2～5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |