CN102653835A

CN102653835A - 一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法

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Publication number: CN102653835A
Application number: CN2012101416655A
Authority: CN
Inventors: 祭程; 蔡兆镇; 朱苗勇; 罗森; 王卫领
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102653835B

Abstract

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法。结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在6.6～7.0m/s和6.9～7.3m/s范围、入口水温控制在28℃～30℃；结晶器锥度应设置为1.05%～1.15%；结晶器保护渣熔点≤1150℃，粘度≤0.145(Pa·s1300℃)；二冷一区内外弧合计水量为95～110l/m²；足辊区左右侧合计水量为35～45l/m²；二冷吨钢比水量控制在0.45～0.65l/Kg范围内；铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度≤25l/(m²·min)。本发明使含硼钢宽厚板连铸坯边角缺陷率从原来的12.6%降低至3.5%以内。

Description

一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法。

背景技术

随着我国交通运输、石油化工、重型机械、海洋工程、核电军工等行业的技术进步和迅猛发展，对大单重、大断面钢铁产品的要求日益增加，从而大力推动了低合金、高强度的宽厚板连铸工艺及装备控制技术的发展。含硼钢是典型的宽厚板连铸坯生产钢种，其具有成本低，强韧性高的特点，可广泛用于压力容器、运输车辆、桥梁、电站等需要的大型钢板。

在钢中添加硼元素能提高钢的淬透性和钢的高温强度，其中对钢的淬透性的提高尤为显著。有资料表明，在钢中添加0.0010%-0.0030%的硼对淬透性的提高相对于加入0.6%的锰、0.7%的铬、0.5%钼和1.5%的镍，因此只需要加入少量的硼即可节约大量的贵重合金原料。同时，由于硼是非金属元素，在钢中的溶解度很小，如果钢种加入超过0.0050%的硼，对钢的淬透性和硬度提高不大，且会降低钢的韧性。因此，一般含硼钢中的硼含量控制在0.0005%-0.0030%之间。

在钢连铸凝固过程中硼易与钢中的C、N结合形成C、N化硼在晶界析出，从而降低钢的热塑性，导致钢的裂纹敏感性增加。对于含硼钢的宽厚板连铸生产而言，一方面由于铸坯宽度的增加，易出现冷却不均匀的特点，另一方面由于断面的增大在冷却变形过程中铸坯角部易出现热应力和外应力的集中，从而导致角部横裂纹缺陷的产生。生产实践证明，含硼钢宽厚板连铸坯的角部横裂纹是最常见的生产缺陷。角部横裂纹在宽厚板连铸坯上呈“跨角裂”形式，其发生于连铸坯角部的晶间，属于晶间裂纹，且裂纹常常被氧化铁所覆盖，因此难以检查和清理，只能通过火焰清理的方式进行挽救。但当裂纹较深时，火焰清理也无法修复，铸坯裂纹缺陷将遗传至热轧板上，形成条状或线状与轧制方向呈30°~90°夹角的贯穿性边部缺陷，严重时甚至需要切除热轧板边部50mm以上才能彻底清除。

在含硼钢专利技术方面：专利“201110293963.1含硼钢的生产方法”介绍了一种含硼钢的制备方法，其涉及的连铸生产环节为200mm×200mm断面的方坯连铸生产，主要围绕含硼钢连铸生产过程中可浇性进行阐述；专利“200710113916.8一种含硼钢及其制备方法”介绍了一种含硼钢及其制备方法，其涉及连铸环节为方坯连铸；专利“200810015497.9 一种真空冶炼含硼钢提高和稳定硼回收率的方法”介绍了含硼钢的冶炼方法，不涉及连铸生产工艺；专利“03134895.5小方坯连铸低碳含硼钢的生产方法”介绍了小方坯连铸生产含硼钢的方法，小方坯连铸生产与宽厚板连铸生产具有较大的差异性；专利“98807718.3具有优异韧性的超高强度可焊接含硼钢”介绍了一种含硼钢的组织控制技术，主要围绕轧制过程展开，不涉及连铸工艺。

在宽厚板连铸方面，大多数的已公开和已授权专利均围绕宽厚板装备设计与制造展开，在工艺方面均集中在连铸保护渣（200510030705.9，201110175156.X）、浸入式水口（专利200420097329.6）、网状裂纹修磨方法（201010275958.3）等方面，不涉及角部横裂纹的控制技术。

目前已公开的论文大多围绕含硼钢的裂纹敏感性展开研究，如“微量硼对热轧低焊接裂纹敏感性钢力学性能的影响，钢铁研究学报，2011.6”，“薄板坯连铸连轧硼微合金化低碳钢边裂原因的研究，昆明理工大学，2008”。

文献“日钢中厚板含硼钢边部裂纹机理及工艺改进，科技信息，2011.22”给出了常规板坯连铸机生产含硼钢的角部横裂纹控制技术，其主要从增加N，改变结晶器冷却工艺等角度进行了分析；文献“45B 含硼钢裂纹成因分析及改进，金属材料与冶金工程，2010.10”分析了45B钢BN析出对裂纹敏感性的影响，并提出了采用加Ti固N，降低N含量改善含硼钢裂纹的工艺。与上述研究相比，本专利主要结合宽厚板连铸坯生产特点展开，给出了具体而通用的结晶器冷却工艺，连铸坯在二冷工艺，Al和B元素的控制上限，以及矫直区二冷喷嘴覆盖面积的优化原则等，具有代表性和适用性。

综上所述，目前在含硼钢宽厚板连铸生产过程中角部横裂纹控制技术方面，尚未有系统而具体的研究报道，也未有准确给出含硼钢宽厚板连铸生产过程中角部横裂纹的具体而通用控制参数和工艺方法的公开报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法，使宽厚板边角缺陷率稳步下降，从原来的12.6%降低至3.5%以内；

具体方案如下：

首先利用宽厚板连铸机对钢水浇铸生产含硼钢，钢水成分按重量百分比为:C 0.05～0.25，Si 0.10～0.50，Mn 0.50～1.50，P≤0.025，S≤0.025, Al≤0.035%，B 0.0005～0.0030%，其他合金元素≤0.050%，余量为Fe，其中连铸结晶器的工艺参数设置为：结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在6.6～7.0m/s和6.9～7.3m/s范围、入口水温控制在28℃～30℃；结晶器锥度应设置为1.05%～1.15%；结晶器保护渣熔点≤1150℃，粘度≤0.145 (Pa·s1300℃)；

然后对钢板进行连铸二冷，其工艺参数设置为：二冷一区内外弧合计水量为95～110 l/m²；足辊区左右侧合计水量为35～45 l/m²；二冷吨钢比水量控制在0.45～0.65 l/Kg范围内；铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度≤25 l/(m²·min)；

所述的含硼钢宽厚板连铸坯宽度为1600～2300mm，厚度为180～300mm。

方案参数设置原理如下：

结晶器内钢液凝固过程中，弯月面附近熔融的保护渣在结晶器振动作用下缓慢流入铜板和坯壳间的渣道，初凝坯壳在保护渣渣道周期性变化的渣道压力和钢水静压力的共同作用下开始变形，进而形成铸坯振痕。由于铸坯坯壳角部收缩显著以及保护渣在振痕谷底的聚集，使得铸坯角部振痕谷底的初凝坯壳向结晶器方向的传热速度下降，导致该区域的奥氏体晶粒长大，S、P偏析加剧，降低了钢的高温强度。与此同时，钢中微合金元素（如铝、硼、铌等）极易与钢中的碳、氮元素相结合，在一定条件下，将在奥氏体晶界析出碳氮化物。而振痕波谷处的晶粒粗大，将加剧碳氮化物的析出，这些析出物作为钢基体材料中的第二相粒子，当铸坯受到应力作用时，极易产生应力集中，形成孔洞，随后孔洞生长、汇合形成裂纹。因此，当铸坯受到热应力或外力作用时，易沿振痕谷底产生横裂纹，若在矫直过程中铸坯角部温度又恰好落入第三脆性温度区，则在晶界弱化与振痕的缺口效应的双重作用下，角部横裂纹将进一步扩展和加剧；

综上所述，含硼钢宽厚板坯连铸生产过程中的铸坯角部温度和应力控制是角部横裂纹缺陷控制的关键所在。本发明适用于铸坯宽度1600mm-2300mm，铸坯厚度180mm-300mm，钢种符合表1范围的含硼钢宽厚板坯连铸生产过程；

表1 本发明适用钢种除铁元素以外的其他成分含量范围重量百分比

C

Si

Mn

P

S

Al

其它种类合金因素

B

0.05-0.25

0.10-0.50

0.50-1.50

≤0.025

≤0.035

≤0.050

0.0005-0.0030

(1) 含硼钢宽厚板连铸过程中结晶器冷却工艺

含硼钢角部裂纹主要起源于结晶器，因此均匀控制坯壳角部在结晶器内的传热十分关键。根据该类钢种在结晶器内的凝固特性，降低结晶器冷却强度，进而控制其在结晶器内凝固收缩量是，坯壳在结晶器内均匀凝固。为此，针对表1所示成分的含硼钢，结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在6.6~7.0m/s和6.9~7.3m/s范围、入口水温控制在28℃~30℃可大幅降低其连铸坯角部的微横裂纹发生率；

(2) 含硼钢宽厚板连铸结晶器锥度设置

宽厚板连铸坯在结晶器中因铸坯窄面受结晶器铜板的压力而产生摩擦力，当锥度设置过大时，会导致结晶器与铸坯间的摩擦力增大。拉坯过程中，铸坯坯壳在拉应力和摩擦力的双重作用下，将在铸坯角部产生应力集中。与此同时，由于宽厚板连铸坯在结晶器内的角部收缩率较大，传热条件十分恶劣，易导致振痕谷底奥氏体晶粒长大，同时伴随晶界析出物增加，铸坯热塑性降低。因此，在内因和外因双重作用下，将不可避免的导致铸坯角部振痕谷底处撕裂和扩展，从而形成角部横裂纹；

合适的结晶器锥度能有效减小摩擦力，改善坯壳角部的应力集中，减少角部横裂纹发生率。根据生产实践，对于表1成分所述的含硼钢宽厚板坯而言，结晶器锥度应设置为1.05%-1.15%，可有效降低角部横裂纹发生率；

(3) 含硼钢宽厚板连铸结晶器保护渣工艺

结晶器保护渣用于连铸坯与结晶器间的润滑，当结晶器保护渣结晶温度较低，粘度较高时，润滑性能变差，将增加结晶器内，特别是结晶器中下部铜板与铸坯间的摩擦力，同时不利于坯壳的均匀的生长，使得铸坯角部冷却条件恶劣，坯壳较薄，从而导致铸坯在摩擦力和拉应力作用下产生角部横裂纹；

合理的结晶器保护渣性能有利于改善结晶器铜板和铸坯间的润滑，减小角部横裂纹发生率。根据生产实践，对于表1成分所述的含硼钢宽厚板坯而言，结晶器保护渣熔点≤1150℃，粘度≤0.145 (Pa·s1300℃)；

(4) 含硼钢宽厚板连铸坯足辊段冷却工艺

含硼钢宽厚板坯顶弯和矫直过程中角部温度过低将导致角部横裂纹扩展。宽厚板连铸坯出结晶器后在足辊段受四面纯水冷却，从而易导致铸坯角部温度过低，从而在顶弯过程中易产生角部横裂纹。为避免含硼钢宽厚板连铸坯出结晶器后顶弯过程中角部温度过低，同时兼顾结晶器与二冷过程传热过程的均匀稳定（即不产生较大温度下降或回温），对于表1成分所述的含硼钢宽厚板坯而言，二冷一区水量满足95-110 l/m²（内外弧合计）；足辊区水量满足35-45 l/m²（左右侧合计）；

(5) 含硼钢宽厚板连铸坯二冷比水量

二冷冷却的均匀性和合理性是保证角部横裂纹不扩展的根本原因。对于本发明所述的含硼钢宽厚板坯而言，二冷吨钢比水量应控制在0.45-0.65 l/Kg范围内。在宽厚板连铸实际生产过程中，常根据轧制计划生产不同断面宽度的含硼钢连铸坯，为防止铸坯角部过冷，应选在某一基准断面水量基础上修正其它断面水量，以保证吨钢比水量不变，计算公式如下：

Figure 2012101416655100002DEST_PATH_IMAGE001

式中，

为第n中断面下第i区的水量；w _i为基准断面下的第i区水量；a、b分别为基准宽度和基准厚度，mm；a _n、b _n分别为第n种断面下铸坯基准宽度和基准厚度，mm；

(6) 含硼钢宽厚板连铸坯矫直区过程角部冷却工艺

矫直过程的铸坯收到矫直力和拉坯力的双重作用，如角部温度落于第三脆性区内，将导致角部横裂纹的扩展。一般情况下，应保证矫直过程中铸坯角部温度应控制在900℃以上。在二冷过程各区温度控制稳定的基础上，矫直区铸坯内弧二冷比水量应≤0.030 l/Kg。对于表1成分所述的含硼钢宽厚板坯而言，矫直区内含硼钢连铸坯内弧角部及角部内15cm范围内水流密度应控制在25 l/(m²·min)以内。对于宽厚板连铸坯而言，由于铸坯较宽，一般情况下每两个铸辊间布置有1排3个喷嘴进行冷却。为保证铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度满足≤25 l/(m²·min)的要求，应采用幅切控制，如无装备幅切控制技术，应通过改变最外侧两个喷嘴的喷射角度调整边角部的水流密度；

(7) 含硼钢宽厚板连铸坯铝与硼控制上限

钢中铝含量对铸坯角横裂缺陷有较大影响，铝含量越高，铸坯裂纹敏感性越高，角部横裂纹率越高，这是因为：由于钢中铝易与氮元素形成氮化物在晶界析出而降低钢的热塑性，促进板坯角部横裂纹的产生，在晶界的析出物越细小，析出物体积百分比越高，对钢的热塑性恶化越严重。氮化铝最容易的析出温度分别为815℃，析出温度越低，析出物的颗粒越细小，对钢的塑性影响越大，因此钢中铝增加，裂纹敏感性增加。根据含硼钢宽厚板连铸生产实际，对于表1成分所述的含硼钢宽厚板坯而言，铝应控制在0.035%；

用于制造大型钢板的宽厚板中一般添加0.0010%既能达到所需的淬透性，因此一般含硼钢（如A36-1硼、A36-2硼等）硼的添加标准为≥0.0005%，内控范围为0.001-0.002%。硼对铸坯表面横裂纹的影响与铌、铝元素的作用类似，其在钢连铸凝固过程中硼与钢中的碳、氮结合形成碳、氮化硼在晶界析出，且由于硼与钢中碳、氮的结合能力比镍和铝更强，对铸坯裂纹的作用更为明显。根据含硼钢宽厚板连铸生产实践，对于表1成分所述的含硼钢宽厚板坯而言，硼应控制在0.0025%以内。

与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：本发明使含硼钢宽厚板连铸坯边角缺陷率稳步下降，从原来的12.6%降低至3.5%以内，且宽厚板边角缺陷通过切边去除时，切边宽度≤35mm。

附图说明

图1：未采用本发明方法制备的含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹照片；

图2：采用本发明方法制备的含硼钢宽厚板连铸坯照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例：

下述实施例采用的连铸机为直弧形宽厚板坯连铸机，铸机冶金长度34.5m，弧形半径10m，由14个扇形段组成，其中7、8段为矫直段，铸机年生产能力150万吨／年；

下述实施例采用的结晶器保护渣名称为ST-SP/616A-S，生产单位：青岛斯多伯格三一冶金材料有限公司。

实施例1

制备美标A36系列含硼钢（A36-B），除铁元素外其他成分重量百分比如表2所示，

表2

钢种

C

Si

Mn

P

S

Al

B

A36-1B

0.20-0.25

0.15-0.40

0.90-1.20

≤0.025

0.015-0.025

0.0010-0.0020

首先利用宽厚板连铸机生产含硼钢，其中连铸结晶器的工艺参数设置为：结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在6.6m/s和6.9m/s、入口水温控制在28℃；结晶器锥度应设置为1.05%；结晶器保护渣熔点1120℃，粘度为0.145(Pa·s1300℃)；

然后对钢板进行连铸二冷，其工艺参数设置为：二冷一区内外弧合计水量为95 l/m²；足辊区左右侧合计水量为40 l/m²；二冷吨钢比水量控制在0.50 l/Kg范围内；矫直区每排布置有三个喷嘴，每喷嘴相距550mm，距铸坯高度均为480mm，中间喷嘴喷射角度110°，角部喷嘴喷射角度90°，从而保证在工作拉速条件下，生产铸坯时铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度为25 l/(m²·min)；

制备的含硼钢宽厚板连铸坯宽度为1600mm，厚度为180mm。由于氧化铁皮的包裹和热装送的需要，除取低倍样外，连铸坯角部横裂纹大多无法在铸坯上直接观测，因此通过统计分析最终宽厚板轧材边角缺陷率能更为真实的反应铸坯角部横裂纹的改善情况。随着本发明工艺实施，宽厚板边角缺陷率稳步下降，从原来的18.6%降低至3.5%，且宽厚板边角缺陷均可通过切边去除，切边宽度为35mm。

实施例2：

制备美标S355JR-B系列含硼钢，除铁元素其他成分重量百分比如表3所示，

表3

钢种

C

Si

Mn

P

S

Al

Nb

B

S355JR-B

0.15-0.20

0.15-0.35

1.35-1.50

≤0.025

0.020-0.00

0.010-0.030

0.0010-0.0020

首先利用宽厚板连铸机生产含硼钢，其中连铸结晶器的工艺参数设置为：结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在7.0m/s和7.3m/s、入口水温控制在30℃；结晶器锥度应设置为1.15%；结晶器保护渣熔点为1150℃，粘度为0.142 (Pa·s1300℃)；

然后对钢板进行连铸二冷，其工艺参数设置为：二冷一区内外弧合计水量为110 l/m²；足辊区左右侧合计水量为45 l/m²；二冷吨钢比水量控制在0.65 l/Kg范围内；矫直区每排布置有三个喷嘴，每喷嘴相距550mm，距铸坯高度均为480mm，中间喷嘴喷射角度110°，角部喷嘴喷射角度90°，从而保证在工作拉速条件下，生产铸坯时铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度为24 l/(m²·min)；

制备的含硼钢宽厚板连铸坯宽度为2300mm，厚度为300mm；

随着本发明工艺实施，宽厚板边角缺陷率稳步下降，从原来的12.6%降低至3.4%，且宽厚板边角缺陷均可通过切边去除，切边宽度为33mm。

实施例3：

制备美标S355J0B系列含硼钢，除铁元素其他成分重量百分比如表4所示，

表4

钢种

C

Si

Mn

P

S

Al

Nb

B

S355J0B

0.14-0.19

0.15-0.35

1.35-1.50

≤0.025

0.020-0.030

0.015-0.035

0.0010-0.0020

首先利用宽厚板连铸机生产含硼钢，其中连铸结晶器的工艺参数设置为：结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在6.8m/s和7.0m/s范围、入口水温控制在28℃；结晶器锥度应设置为1.10%；结晶器保护渣熔点为1120℃，粘度为0.145 (Pa·s1300℃)；

然后对钢板进行连铸二冷，其工艺参数设置为：二冷一区内外弧合计水量为100l/m²；足辊区左右侧合计水量为35 l/m²；二冷吨钢比水量控制在0.45 l/Kg范围内；矫直区每排布置有三个喷嘴，每喷嘴相距550mm，距铸坯高度均为480mm，中间喷嘴喷射角度110°，角部喷嘴喷射角度90°，从而保证在工作拉速条件下，生产铸坯时铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度为25 l/(m²·min)；

制备的含硼钢宽厚板连铸坯宽度为2000mm，厚度为220mm；

随着本发明工艺实施，宽厚板边角缺陷率稳步下降，从原来的17.5%降低至3.2%以内，且宽厚板边角缺陷均可通过切边去除，切边宽度为35mm。

Claims

1.一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于按如下步骤进行：

（1）利用宽厚板连铸机对钢水浇铸生产含硼钢，钢水成分按重量百分比为:C 0.05～0.25，Si 0.10～0.50，Mn 0.50～1.50，P≤0.025，S≤0.025, Al≤0.035%，B 0.0005～0.0030%，其他合金元素≤0.050%，余量为Fe，其中连铸结晶器的工艺参数设置为：结晶器宽面和窄面水槽内的水流速度分别控制在6.6～7.0m/s和6.9～7.3m/s范围、入口水温控制在28℃～30℃；结晶器锥度应设置为1.05%～1.15%；结晶器保护渣熔点≤1150℃，粘度≤0.145 (Pa·s1300℃)；

（2）对钢板进行连铸二冷，其工艺参数设置为：二冷一区内外弧合计水量为95～110 l/m²；足辊区左右侧合计水量为35～45 l/m²；二冷吨钢比水量控制在0.45～0.65 l/Kg范围内；铸坯角部及角部内15cm范围内水流密度≤25 l/(m²·min)。

2.根据权利要求1所述的一种减少含硼钢宽厚板连铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于所述的含硼钢宽厚板连铸坯宽度为1600～2300mm，厚度为180～300mm。