CN101585077A - 防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连铸工艺，特别涉及防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法。本发明所解决的技术问题是改进车轮钢板坯连铸的二次冷却工艺，可有效防止车轮钢连铸板坯微裂纹的产生与扩展，如表面及皮下的星状裂纹、网状裂纹、横裂纹等。该冷却方法为二次冷却工艺，具体是铸坯经过二冷区时，在支撑导向区控制铸坯表面温度为950～990℃，在拉矫区控制铸坯表面温度为950～1000℃。采用该方法可使车轮钢连铸板坯表面及皮下凝固组织致密，消除铸坯表面及皮下的星状裂纹、网状裂纹和横裂纹等缺陷，铸坯无缺陷率达到100％，为生产高品质车轮钢提供优质铸坯。

Description

防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法

技术领域

本发明涉及连铸工艺，特别涉及防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法。

背景技术

汽车车轮的制造工艺过程和车轮的服役条件，对所使用材料的技术要求是非常苛刻的，除了应具有良好的强度与韧性匹配以外，还应具有良好的延伸凸缘性、良好的冷成形性、较高的疲劳强度和良好的焊接性能，这对要求制作车轮的热轧钢板具有优异的表面质量和内部质量，尤其是近年来为了降低汽车自重、节约能源并提高运载效率，采用了更高强度级别的热轧钢板制造汽车车轮。由于强度越高，钢板冲压成形性越差，因此要求制造汽车车轮的热轧钢板表面不能带有任何微裂纹缺陷，这一要求传递到轧成热轧钢板的连铸坯要消除表面及皮下的星状裂纹、网状裂纹和横裂纹等微裂纹缺陷。

汽车车轮钢钢种成分通常控制为[C]＝0.08％～0.12％，[Si]≤0.15％，[Mn]＝1.10％～1.30％，[P]≤0.020％，[S]≤0.020％，[Al]＝0.02％～0.07％，[Ti]＝0.015％～0.025％，上述成分中对连铸坯表面质量有明显影响的主要元素是碳和铝，而其它成分对铸坯表面质量的影响小，主要是与成品的力学性能相关。汽车车轮钢钢种成分中碳位于包晶反应区，在连铸过程中铸坯易产生表面裂纹，而钢中的铝虽起到改善钢质、净化钢液和细化晶粒的作用，但在连铸二次冷却过程中，因高温下固溶的Al在温度降低时以AlN形式在奥氏体晶界呈动态析出或静态析出，增加了裂纹敏感性，尤其是在弧形铸机铸坯矫直时，内弧受到张应力，因振痕的缺口效应将产生应力集中，加速了裂纹的形成和扩展。因此，采用连铸工艺生产含铝汽车车轮钢不仅铸坯表面易产生纵裂纹、横裂纹缺陷，而且铸坯皮下极易产生星状裂纹和网状裂纹缺陷。由于铸坯上产生的横裂纹、星状裂纹和网状裂纹在生产中难以清理，铸坯带缺陷轧制后，该缺陷将传递到热轧钢板表面，在钢板表面产生裂纹缺陷，使产品合格率仅达到70％～80％。因此，生产合格的铸坯是生产优质高强度车轮钢的关键环节，而研究开发与车轮钢相适应的连铸工艺是提高铸坯质量的核心技术。

《钢铁》杂志2008年9月(第43卷第9期第23～28页，转70页，BG420CL车轮钢板坯连铸参数的优化，胡明谦，沈峰满，吴钢著)报道了本钢采用优选1m/min拉坯速度，二冷段采用弱冷却制度(二冷比水量0.68L/kg)，保护渣为高碱度、低黏度、较低熔点，生产的板坯，经检验满足热轧工序要求。发明人在应用过程中发现，按照对比文献《BG420CL车轮钢板坯连铸参数的优化》采用拉速1.0m/min，二冷比水量0.68L/kg，不同喷水位置的水量为60～330L/min的工艺组织生产，铸坯会出现网状裂纹和星状裂纹等微裂纹。而且该对比文献中确定的拉坯速度范围窄，难以适应大生产需要。

铸坯冷却工艺一般采用二次冷却工艺，在结晶器中第一次冷却后，铸坯出结晶器后进入二次冷却区(简称二冷区)。二冷区包括支撑导向区和拉矫区，支撑导向区主要对未完全凝固的铸坯起支撑、导向作用，防止铸坯变形、漏钢；拉矫区起拉坯、弯曲和矫直的作用。常用铸机有直弧形铸机、弧形铸机、水平铸机等。当采用直弧形铸机或弧形铸机时，即支撑导向区依次为足辊段、零号段，拉矫区为扇形段，各扇形段的结构、段数、夹棍的辊径和辊距根据铸机的类型、所浇钢种和铸坯断面的不同有所差别。

发明人以往采用直弧形铸机或弧形铸机时，铸坯在二冷区拉速一般控制在0.4-1.6m/min，对铸坯实施的冷却水量、冷却强度详见表1-5，铸坯出结晶器后足辊段和零号段的铸坯表面温度为995～1070℃，在扇形段铸坯表面温度为885～970℃，按照该工艺生产铸坯有裂纹缺陷，产品合格率仅达到70％～80％。而采用水平铸机时，裂纹缺陷较直弧形铸机或弧形铸机较少，但也不能避免无裂纹产生。故本领域技术人员急需寻找一种解决车轮钢板坯产生微裂纹的方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是改进车轮钢板坯连铸的二次冷却工艺，可有效防止车轮钢连铸板坯微裂纹的产生与扩展，如表面及皮下的星状裂纹、网状裂纹、横裂纹等。

发明人发现解决本发明技术问题可以通过控制二冷区各工段铸坯表面温度实现，具体地该冷却方法为在支撑导向区控制铸坯表面温度为950～990℃，在拉矫区控制铸坯表面温度为950～1000℃。为了实现控制铸坯表面温度达到上述要求，在支撑导向区主要采用喷水进行强制冷却，这样可加大铸坯出结晶器后的冷却强度，明显降低结晶器出口至支撑导向区的铸坯表面回热速率，防止因铸坯表面回热产生的热应力而导致铸坯星状裂纹和网状裂纹等裂纹缺陷；拉矫区主要采用气雾喷淋冷却，降低铸坯的冷却强度，实现均匀、缓慢冷却，确保拉矫区域铸坯表面温度高，具有良好的塑性，防止拉矫过程铸坯角裂纹和横裂纹等缺陷的产生及扩展。

本发明的有益效果是，采用该方法可使车轮钢连铸板坯表面及皮下凝固组织致密，消除铸坯表面及皮下的星状裂纹、网状裂纹和横裂纹等缺陷，铸坯无缺陷率达到100％，消除了由连铸坯轧制的热轧钢板表面裂纹缺陷，并且由热轧钢板冲压制成的车轮钢成品开裂缺陷得到有效控制，开裂率为0％，为生产高品质车轮钢提供优质铸坯。

具体实施方式

以下通过对本发明具体实施方式的描述说明但不限制本发明。

本发明方法具体是在铸坯通过二冷区时，在支撑导向区控制铸坯表面温度为950～990℃，在拉矫区控制铸坯表面温度为950～1000℃。为了实现控制铸坯表面温度达到上述要求，在支撑导向区主要采用喷水进行强制冷却，使得铸坯出结晶器后的冷却强度远大于以往的冷却强度，明显降低了结晶器出口至支撑导向区的铸坯表面回热速率，防止因铸坯表面回热产生的热应力而导致铸坯裂纹缺陷产生；拉矫区主要采用气雾喷淋冷却，较以往降低了铸坯冷却强度，实现了均匀、缓慢冷却，确保拉矫区域铸坯表面温度高，具有良好的塑性，防止拉矫过程铸坯角裂纹和横裂纹等缺陷的产生及扩展。

具体地，本发明方法可采用直弧形铸机、弧形铸机、水平铸机等常用铸机。当采用直弧形铸机或弧形铸机时。即支撑导向区即依次为足辊段、零号段；拉矫区即为扇形段。

发明人具体应用时采用的直弧形铸机或弧形铸机，这也是本领域目前常用的铸机类型，铸坯出结晶器后依次通过足辊段、零号段、扇形段，经拉矫后进入水平段，随后切割成定尺长度的铸坯。根据实际应用的设备有所不同，如有的扇形段较长，可设置扇形8-9段，虽然设备不同，但仍然可应用本发明冷却方法控制扇形段铸坯表面温度至950～1000℃。本发明应用的铸机扇形段依次分为扇形1-2段、扇形3-4段和扇形5-7段。扇形5-7段，其中足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段各自的长度为0.495米、2.515米、3.522米、3.400米、5.478米。

具体地，控制足辊段控制铸坯表面温度为950～990℃，零号段控制铸坯表面温度为960～980℃，扇形1-2段控制铸坯表面温度为970～1000℃，扇形3-4段控制铸坯表面温度为960～1000℃，扇形5-7段控制铸坯表面温度为950～1000℃。

将以往采用的冷却工艺与本发明冷却方法在相同拉速(0.4～1.6m/min)下对各工段的冷却水量、冷却强度、铸坯表面温度等参数进行了对比，见表1-表5。

表1

表2

表3

注：表3中正值表示温降速率，负值表示回热速率。

表4

表5

由表1-5可见，本发明冷却方法与原工艺相比，在足辊段和零号段采用喷水冷却，扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段采用气雾喷淋冷却，在铸坯冷却方式上虽没有改变，但对铸坯实施的冷却水量、冷却强度以及冷却效果上发生显著变化，在显著增大足辊段和零号段的冷却水量、冷却强度的同时，明显减少了在扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段的冷却水量和冷却强度，二冷区铸坯温度分布将发生变化。以拉速1.0m/min为例，通过加大铸坯出结晶器后的冷却强度，可以明显降低结晶器出口至二次冷却前区——足辊段和零号段的铸坯表面回热速率，防止因铸坯表面回热而产生的铸坯星状裂纹和网状裂纹缺陷，同时，在连铸坯凝固和冷却逐渐变厚的过程中，通过降低对铸坯的冷却强度，使扇形段的铸坯表面温度保持在1000℃左右，这样既可以有效减少铸坯的内外温差、降低热应力、防止铸坯表面裂纹的产生，又可以使铸坯在拉矫过程中处于高温区具有的延塑性能、防止铸坯横裂纹的产生。

由于拉速越低，铸坯在结晶器内的停留时间越长、在结晶器区域的冷却强度增加，铸坯出结晶器后的温度也越低，发明人以往采用的二冷工艺将导致铸坯表面回热增加，热应力增大，且因结晶器出口坯壳薄，抵抗应力应变的能力弱，不可避免地产生造成铸坯表面星状裂纹、网状裂纹和横裂纹等微裂纹的产生和扩展。因此，本发明方法通过加大铸坯出结晶器后在足辊段和零号段的冷却强度，强化其传热效果，可增强铸坯表面及皮下(0～5mm)组织致密度，抑制层片状铁素体和两相析出物AlN在奥氏体晶界的大量析出，增强抗热应力的能力，并且通过加大铸坯出结晶器后的冷却强度，可以明显降低结晶器出口至二次冷却前区——足辊段和零号段的铸坯表面回热速率，防止因铸坯表面回热而产生的铸坯星状裂纹和网状裂纹缺陷，突破了原有包晶钢([C]含量0.10％左右)板坯连铸中足辊段、零号段弱冷以防止表面裂纹的技术成见，从根本上杜绝了从结晶器至足辊段、零号段因冷却强度显著降低造成铸坯表面回热而产生铸坯皮下裂纹缺陷。

对比文献BG420CL车轮钢板坯连铸参数的优化技术中的冷却工艺为：拉速1.0m/min，二冷比水量0.68L/kg，二冷冷却总水量1743L/min，不同喷水位置的水量为60～330L/min，根据表1-5及对比文献可见，本发明冷却方法与对比文献的最大差别在于结晶器出口对铸坯冷却采用的快速大流量强冷却方式，而对比文献采用的较小流量缓慢冷却方式，在相同拉速1.0m/min的条件下，本发明方法在结晶器出口的足辊段(0.495米)和零号段(2.515米)对铸坯施加的水量分别为300L/min和800L/min，而对比文献所采用的水量为60～330L/min，采用的是常规冷却方式。发明人按照该对比文献采用拉速1.0m/min，二冷比水量0.68L/kg，不同喷水位置的水量为60～330L/min的工艺组织生产，铸坯出现了网状裂纹和星状裂纹等微裂纹，分析其原因喷水位置前区所采用的冷却水量小，仅为60～330L/min(对比文献图10所示)，将导致铸坯出结晶器后至该喷水位置铸坯表面回热速率大，因铸坯表面回热而产生的热应力将导致铸坯星状裂纹和网状裂纹的产生。

在支撑导向区采用喷水强制冷却，拉矫区采用气雾喷淋冷却。通过加大初生凝固坯壳在足辊段和零号段的冷却强度，强化其传热效果，增强铸坯表面及皮下(0～5mm)组织致密度，抑制层片状铁素体和两相析出物ALN在奥氏体晶界的大量析出，增强抗热应力的能力，并且通过加大铸坯出结晶器后的冷却强度，可以明显降低结晶器出口至二次冷却前区——足辊段和零号段的铸坯表面回热速率，结晶器至零号段铸坯表面最大回热速率≤37℃/m，防止因铸坯表面回热而产生的铸坯星状裂纹和网状裂纹缺陷。同时，在连铸坯壳凝固和冷却逐渐变厚的过程中，随之降低对凝固坯壳的冷却强度，扇形段的铸坯表面温度保持在950～1000℃，铸坯表面最大温降速率≤3℃/m，从而既可以有效减少凝固坯壳的内外温差、降低坯壳的热应力、防止板坯表面裂纹和内部裂纹的产生，又可以使铸坯在高温下具有的延塑性能、防止铸坯横裂纹的产生。

本发明冷却方法在不同工段采用了不同的冷却方式，喷水强制冷却冷却强度较强于气雾喷淋冷却，但随着连铸喷嘴技术的进步，气水喷嘴也可以达到大流量、高冷却强度，满足快速冷却需求，水喷嘴也可以实现小流量、低冷却强度，满足缓慢冷却需求。因而本发明冷却方法中具体冷却方式不局限于足辊段和零号段采用喷水强制冷却，扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段采用气雾喷淋冷却，只要采用的冷却工艺能满足控制铸坯表面温度即可。

控制铸坯表面温度发明人是通过控制铸坯冷却强度、拉速、冷却水量等参数来实现的，具体地，控制足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段单位面积上的铸坯冷却强度[单位：L/(min·m²)]与拉速(单位：m/min)的关系分别为：

足辊段： $q_1=158.31V_c^2+77.92V_c+190.86,$ 约229-700L/(min·m²)；

零号段： $q_2=84.04V_c^2+49.23V_c+92.98,$ 约116-377L/(min·m²)；

扇形1-2段： $q_3=21.06V_c^2+5.5V_c+13.41,$ 约19-74L/(min·m²)；

扇形3-4段： $q_4=10.5V_c^2-1.67V_c+14.89,$ 约15-38L/(min·m²)；

扇形5-7段： $q_5=9.87V_c^2+0.64V_c+10.53,$ 约11-36L/(min·m²)。

为适应不同的铸机，二冷区长度有所差异，故在相应的功能段以控制单位长度的冷却水量与拉速来实现，具体的，本发明方法控制足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段单位长度上的冷却水量[单位：L/(min·m)]与拉速(单位：m/min)的关系分别为：

足辊段： $W_1=213.72V_c^2+105.19V_c+257.66,$ 约309-945L/(min·m)；

零号段： $W_2=113.46V_c^2+66.45V_c+125.53,$ 约156-509L/(min·m)；

扇形1-2段： $W_3=28.42V_c^2+7.43V_c+18.1,$ 约24-100L/(min·m)；

扇形3-4段： $W_4=14.17V_c^2-2.26V_c+20.1,$ 约21-52L/(min·m)；

扇形5-7段： $W_5=13.33V_c^2+0.87V_c+14.22,$ 约15-48L/(min·m)。

铸坯通过上述五个工段时以0.4～1.6m/min的拉速进行二次冷却，且二次冷却的比水量为0.8～1.0L/kg。比水量是指单位重量铸坯上冷却水量，指的是整个二冷区包括足辊段、零号段、扇形1～7段五个工段的平均冷却强度，单位为L/kg；而对二冷区某一具体位置的铸坯局部冷却强度，采用单位面积铸坯上的冷却水量来表示，单位为L/(min·m²)。这两种单位都可以用来表示冷却强度的大小。通过上述两组公式设置冷却强度、拉速、冷却水量，但实际冷却水量与设定值会略有偏差，在误差允许范围内，可偏离约-10～10％。

实施例1：

连铸生产横截面尺寸为200mm×1200mm的SAPH440车轮钢板坯，其中凝固坯壳以0.4m/min的拉速依次通过足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段进行二次冷却，其中，坯壳通过足辊段、零号段时采用喷水冷却，坯壳通过扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段时采用气雾喷淋冷却。足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段的水量分别为153L/min、393L/min、84L/min、70L/min和84L/min，通过上述扇形段单位面积方向上铸坯的冷却强度分别为229L/(min·m²)、116L/(min·m²)、18L/(min·m²)、15L/(min·m²)和11L/(min·m²)，上述扇形段出口铸坯表面温度分别为950℃、970℃、970℃、960℃、950℃。

浇铸完毕后，对生产的连铸板坯进行表面和皮下质量检验，检验表明铸坯振痕深度≤1.0mm，无横裂纹、星状裂纹和网状裂纹缺陷，用生产的铸坯轧成的热轧钢板上未见表面裂纹缺陷，并且由热轧钢板经冲压制成的车轮成品也未见开裂缺陷，连铸坯、热轧钢板表面无缺陷率达到100％，车轮钢成品开裂率为0％。

实施例2：

连铸生产横截面尺寸为200mm×1050mm的SAPH440车轮钢板坯，其中凝固坯壳以1.6m/min的拉速依次通过足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段进行二次冷却，其中，坯壳通过足辊段、零号段时采用喷水冷却，坯壳通过扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段时采用气雾喷淋冷却。足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段的水量分别为468L/min、1280L/min、351L/min、176L/min和263L/min，通过上述扇形段单位面积方向上铸坯的冷却强度分别为700L/(min·m²)、377L/(min·m²)、74L/(min·m²)、38L/(min·m²)和36L/(min·m²)，上述扇形段出口铸坯表面温度分别为990℃、980℃、1000℃、1000℃、1000℃。

浇铸完毕后，对生产的连铸板坯进行表面和皮下质量检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.6mm，无横裂纹、星状裂纹和网状裂纹缺陷，用生产的铸坯轧成的热轧钢板上未见表面裂纹缺陷，并且由热轧钢板经冲压制成的车轮成品也未见开裂缺陷，连铸坯、热轧钢板表面无缺陷率达到100％，车轮钢成品开裂率为0％。

实施例3：

连铸生产横截面尺寸为200mm×1150mm的SAPH440车轮钢板坯，其中凝固坯壳以1.0m/min的拉速依次通过足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段进行二次冷却，其中，坯壳通过足辊段、零号段时采用喷水冷却，坯壳通过扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段时采用气雾喷淋冷却。足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段的水量分别为300L/min、800L/min、200L/min、110L/min和166L/min，通过上述扇形段单位面积方向上铸坯的冷却强度分别为449L/(min·m²)、236L/(min·m²)、42L/(min·m²)、24L/(min·m²)和22L/(min·m²)，上述扇形段出口铸坯表面温度分别为990℃、980℃、1000℃、1000℃、1000℃。

浇铸完毕后，对生产的连铸板坯进行表面和皮下质量检验，检验表明铸坯振痕深度≤0.8mm，无横裂纹、星状裂纹和网状裂纹缺陷，用生产的铸坯轧成的热轧钢板上未见表面裂纹缺陷，并且由热轧钢板经冲压制成的车轮成品也未见开裂缺陷，连铸坯、热轧钢板表面无缺陷率达到100％，车轮钢成品开裂率为0％。

该技术简单易行，现场工艺流程改造方便，可行性强，可有效防止连铸板坯表面及皮下微裂纹的产生，应用前景广。

Claims (9)

1.防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：在支撑导向区控制铸坯表面温度为950～990℃，在拉矫区控制铸坯表面温度为950～1000℃。

2.根据权利要求1所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：支撑导向区依次为足辊段、零号段。

3.根据权利要求2所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：足辊段控制铸坯表面温度为950～990℃，零号段控制铸坯表面温度为960～980℃

4.根据权利要求1所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：拉矫区为扇形段。

5.根据权利要求4所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：扇形段为扇形1-2段、扇形3-4段和扇形5-7段。

6.根据权利要求5所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：扇形1-2段控制铸坯表面温度为970～1000℃，扇形3-4段控制铸坯表面温度为960～1000℃，扇形5-7段控制铸坯表面温度为950～1000℃。

7.根据权利要求5所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：控制足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段单位面积上的铸坯冷却强度与拉速的关系分别为：

足辊段： $q_1=158.31V_c^2+77.92V_c+190.86,$

零号段： $q_2=84.04V_c^2+49.23V_c+92.98,$

扇形1-2段： $q_3=21.06V_c^2+5.5V_c+13.41,$

扇形3-4段： $q_4=10.5V_c^2-1.67V_c+14.89,$

扇形5-7段： $q_5=9.87V_c^2+0.64V_c+10.53.$

8.根据权利要求5所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：控制足辊段、零号段、扇形1-2段、扇形3-4段、扇形5-7段的单位长度上的冷却水量与拉速的关系分别为：

足辊段： $W_1=213.72V_c^2+105.19V_c+257.66,$

零号段： $W_2=113.46V_c^2+66.45V_c+125.53,$

扇形1-2段： $W_3=28.42V_c^2+7.43V_c+18.1,$

扇形3-4段： $W_4=14.17V_c^2-2.26V_c+20.1,$

扇形5-7段： $W_5=13.33V_c^2+0.87V_c+14.22.$

9.根据权利要求1～8任一项所述的防止车轮钢连铸板坯微裂纹的冷却方法，其特征在于：在支撑导向区采用喷水强制冷却；在拉矫区采用气雾喷淋冷却。