CN102806330B - 一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连铸坯制造领域，具体地说是一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，可以解决现有技术中厚大断面连铸坯中心缩孔疏松和偏析问题。本发明通过控制钢水纯净度、浇注过热度，协同采用微区振荡和凝固自补缩技术，提高铸坯内部质量。微区振荡技术有效消除铸坯内部偏析缺陷，并可以有效细化凝固组织，减轻缩孔疏松。凝固自补缩技术在后续凝固收缩过程中实现同时凝固和固态金属的塑性移动，达到高温可变形金属径向自补缩的目的，从而消除铸坯内部缩孔，并显著改善直至消除铸坯内部疏松。本发明适用于厚大断面碳钢、合金钢以及有色金属铸坯，尤其适用于300mm以上厚度的连铸板坯、方坯和Φ500mm以上断面连铸圆坯。

Description

一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法

技术领域

本发明涉及厚大断面连铸圆坯、方坯与板坯等铸坯制造领域，具体地说是一种提高厚大断面连铸坯内部质量，消除中心缩孔，减轻疏松和宏观偏析的方法。

背景技术

我国拥有数十条宽厚板轧钢生产线，包括鞍钢5000mm、5500mm轧机，宝钢5000mm轧机等，新增产能2000多万吨。大量需要厚度大于300mm的连铸板坯。同时，我国拥有直径Φ500mm以上的连铸圆坯生产线数十条，用于生产轴承钢、管线钢、齿条钢等高品质钢种。300mm厚度以上板坯和Φ500mm以上圆坯均属于厚大断面连铸坯。厚大断面连铸坯用于取代一般模铸钢锭，其生产效率高，材料利用率高，表现出良好的发展势头。大断面连铸板坯和方坯主要用于生产中厚板和特厚板；大断面连铸圆坯可用于生产核电筒类件，风电环类件以及汽车、轮船、机械用关键轴类零件，厚大断面圆坯的目标产品年产量超过3000万吨。近年来，采用连铸技术生产厚大断面坯料越来越受到重视。该技术是将金属液连续浇注到水冷结晶器中，钢水在水冷结晶器中凝固，并通过引锭装置不断将凝固部分由下端拉出，实现铸坯的连续铸造。采用该工艺生产铸坯，其高径比大，难以实现铸坯的轴线补缩，容易造成连铸坯中心缩孔与疏松，导致后续锻造或轧制过程中缺陷无法愈合，探伤不合格，产品报废；同时由于凝固时间长，铸坯内部经常产生严重宏观偏析缺陷，导致成分和组织均匀性差，难以满足产品性能要求。

一般而言，解决铸坯内部缩孔疏松缺陷，多采用增加冒口尺寸、或采用保温（发热）冒口，实现铸坯沿重力方向的顺序凝固。然而，厚大断面连铸坯的冒口比例非常小，且高径比大于4，无法实现铸坯的轴向重力补缩。采用传统补缩技术，难以彻底消除厚大断面连铸坯内部的缩孔疏松缺陷。抑制连铸坯内部宏观偏析缺陷多采用电磁搅拌、轻压下和强制冷却提高凝固速度等外场控制手段；而对于厚大断面连铸坯，电磁场衰减严重难以作用到整个铸坯断面，铸坯坯壳厚度大轻压下技术无能为力，且受坯壳传热影响无法有效提高凝固速度。因此常规外场手段无法有效消除厚大断面连铸坯内部的宏观偏析缺陷。

综上所述，厚大断面连铸坯内部缩孔疏松、宏观偏析是限制铸坯向更大断面尺寸发展的技术瓶颈。因此，消除厚大断面连铸坯中心缩孔疏松、宏观偏析，提高其内部质量，对生产优质厚大断面连铸坯至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，可以解决现有技术中厚大断面连铸坯中心缩孔疏松和偏析问题，通过冶炼过程纯净化控制、浇注过热度控制，并结合微区振荡技术和凝固自补缩技术，消除大断面连铸坯中心的缩孔缺陷，降低疏松级别，减轻宏观偏析程度，提高铸坯内部质量。

基于此目的，本发明的技术方案是：

一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，冶炼过程控制金属液纯净度，浇注过程控制过热度，连铸过程中在中间包和/或结晶器内采用微区振荡装置与技术，二次冷却区采用自补缩技术。

所述的控制金属液纯净度，金属液中的残铝量控制在0.010-0.030wt%范围内，气体和杂质元素控制目标为：T[O]<15ppm，[S]<0.010wt%，[P]<0.012wt％；对于合金钢，采用感应电炉、电弧炉或转炉设备进行钢水冶炼，冶炼过程中采用Al进行预脱氧，采用真空碳脱氧、Si脱氧或Si-Ca合金脱氧进行终脱氧，避免采用Al进行终脱氧。

所述的浇注过程控制过热度，中间包开始浇注时，金属液过热度为5-80℃；稳定拉坯过程中，中间包金属液过热度控制在5-60℃范围内。

所述的浇注过程控制过热度，中间包开始浇注时，金属液过热度优选为10-35℃；稳定拉坯过程中，中间包金属液过热度控制在优选10-25℃范围内。

所述的中间包和/或结晶器内采用微区振荡技术，步骤如下：

1）中间包和结晶器内同时或单独使用微区振荡装置，耐火材料振荡探头截面积占中间包或结晶器液面面积的10-50%，探头个数为1-5个；

2）耐火材料探头插入液面以下深度为2-200mm；

3）振荡频率为2-60HZ，振幅为1-100mm；

4）通过耐火材料的振荡使耐火材料表面形成晶核，晶核大量脱落在连铸铸坯内成为金属液结晶的形核质点，促进形核，提高铸坯芯部凝固速度，缩短金属液的补缩距离，消除内部缩孔，减轻疏松和偏析缺陷，改善凝固组织。

所述的中间包和/或结晶器内采用微区振荡技术，具体步骤如下：

1）中间包和结晶器内同时或单独使用微区振荡装置，耐火材料振荡探头截面积占中间包或结晶器液面面积优选为20-40%，探头个数优选为2-3个；

2）耐火材料探头插入液面以下深度优选为50-150mm；

3）振荡频率优选为30-50HZ，振幅优选为2-10mm；

4）通过耐火材料的振荡使耐火材料表面形成晶核，晶核大量脱落在连铸铸坯内成为金属液结晶的形核质点，促进形核，提高铸坯芯部凝固速度，缩短金属液的补缩距离，消除内部缩孔，减轻疏松和偏析缺陷，改善凝固组织。

所述的二次冷却区采用自补缩技术，具体步骤如下：

1）连铸坯出结晶器后进入二次冷却区，降低喷水冷却强度，提高铸坯表面温度；

2）控制连铸坯表面冷却条件，使铸坯外表面的温度维持在固相线以下100~400℃之间，连铸坯外表面凝固层处于低变形抗力的塑性变形区；

3）在二次冷却区对铸坯进行保温，降低铸坯外表面与外界的换热强度，利用芯部返热使铸坯外表面温度升高，减小铸坯径向温度梯度，使铸坯芯部同时进入糊状区，促进铸坯芯部同时凝固；

4）芯部金属液同时凝固时，凝固收缩产生垂直于重力方向的径向拉应力，拉应力作用于外表面高温凝固层，使已凝固金属发生塑性变形，由外表面向铸坯中心发生塑性移动，实现铸坯径向自补缩，消除缩孔，减轻疏松。

所述的提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，该方法适用于厚大断面碳钢、合金钢或有色金属连铸坯。

所述的提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，该方法尤其适用于厚度大于300mm的连铸板坯或方坯，或者直径大于Φ500mm的连铸圆坯。

所述的提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，该方法适用于弧形、立弯式或立式连铸机机型，生产厚大断面连铸坯。

本发明的设计思想如下：

1.冶炼过程中控制金属液纯净度。S、P、H、O、N等杂质和气体元素以及As、Sn、Sb、Pb、Bi等有害元素是凝固过程中形成夹杂物，诱发宏观偏析和缩孔疏松的主要因素。其中Al脱氧产物Al₂O₃尤其易造成偏析缺陷。因此本发明为控制厚大断面连铸坯中心的缩孔疏松和宏观偏析，要求合金钢冶炼过程中不采用Al进行终脱氧，钢水中的残铝量控制在0.010-0.030wt%范围内。气体和杂质元素控制目标为T[O]<15ppm，[S]<0.010wt%，[P]<0.012wt%。

2.浇注过程控制过热度。凝固过程中金属密度变化引起的液态收缩、凝固收缩和固态收缩是造成厚大断面连铸坯中心缩孔疏松缺陷的根本原因。过热度高造成液态收缩量大，受厚大断面连铸坯液相穴高径比限制，重力方向液态补缩困难，因此易导致中心缩孔缺陷。同时，浇注过热度高导致凝固时间长，溶质及杂质元素有足够的时间从金属液中析出、扩散和聚集，从而造成严重的宏观偏析。因此本发明为控制厚大断面连铸坯中心缩孔疏松和宏观偏析，要求尽量降低浇注过热度，连铸过程中中间包过热度控制在10-25℃范围内。

3.中间包和/或结晶器内采用微区振荡技术。有效提供金属液形核质点、降低过冷度、提高凝固速度、增加等轴晶率，从而抑制厚大断面连铸坯宏观偏析和缩孔疏松缺陷产生。耐火材料振荡探头截面积占中间包或结晶器液面面积的20-40%，探头个数为2-3个，探头插入液面以下深度为50-150mm，振荡频率为2-60HZ，振幅为5-100mm。

4.连铸坯二冷区（二次冷却区）采用自补缩技术。厚大断面连铸坯出结晶器后，停止对铸坯外表面进行强制冷却，采用保温材料或保温罩对铸坯外表面进行保温，控制连铸坯外部冷却条件，降低铸坯外表面与外界的换热强度，利用芯部返热使连铸坯外表面温度升高并维持在固相线以下100-400℃之间，减小径向温度梯度，使芯部同时进入糊状区，促进芯部同时凝固。凝固收缩产生径向拉应力作用于外表面高温凝固层，使已凝固金属发生塑性变形，由外表面向铸坯中心发生塑性移动，实现连铸坯径向自补缩，从而消除大断面连铸坯中心缩孔疏松缺陷。

本发明的有益效果是：

1．本发明冶炼过程中通过控制金属液的纯净度，降低气体杂质元素和有害元素含量，减少夹杂物含量，抑制偏析产生，有利于降低缩孔疏松缺陷。

2．本发明降低浇注过热度有利于减小连铸过程中的液态收缩，从而缩小中心缩孔疏松，提高连铸坯中心致密度。

3．本发明降低浇注过热度有利于提高凝固速度，缩短杂质元素析出和聚集时间，有效抑制连铸坯宏观偏析。

4．本发明采用微区振荡技术，通过耐火材料的振荡，大量增加金属液内部的形核质点，提高形核密度，缩短金属液的补缩距离，从而消除连铸坯内部的缩孔疏松。同时，增加连铸坯内部形核质点改善凝固组织，抑制厚大断面连铸坯内部的宏观偏析。提高材料的利用率、合格率，降低能耗，从而提高产品的内在质量与产品合格率。

5．本发明在连铸坯二次冷却区对铸坯表面进行保温，可以减小厚大断面铸坯由内向外的温度梯度，使铸坯中心大面积区域同时进入糊状区，实现铸坯中心同时凝固，避免集中缩孔缺陷的产生。

6．采用本发明涉及的方法，铸坯中心大面积同时凝固时，由于凝固收缩产生径向拉应力，驱使铸坯外部已凝固的高温固相金属发生由铸坯表面向中心的塑性移动，实现铸坯凝固过程的径向自补缩，改善甚至消除铸坯内部缩孔疏松缺陷。

7．本发明使用范围较广，适用于弧形、立弯式和立式连铸机，可用于生产厚大断面连铸圆坯、板坯和方坯，降低废品率，提高材料利用率。

总之，本发明通过控制钢水纯净度、浇注过热度，协同采用微区振荡和凝固自补缩技术，提高铸坯内部质量。微区振荡技术增加连铸坯凝固过程中内部结晶核心，提高形核率，促进等轴晶生长，抑制树枝晶生长，有效消除铸坯内部偏析缺陷，并可以有效细化凝固组织，减轻缩孔疏松。凝固自补缩技术控制连铸坯表面温度和垂直于重力方向的温度梯度，使无法实现重力方向补缩的大高径比铸坯芯部大面积处于糊状区，在后续凝固收缩过程中实现同时凝固和固态金属的塑性移动，达到高温可变形金属径向自补缩的目的，从而消除铸坯内部缩孔，并显著改善直至消除铸坯内部疏松。本发明适用于厚大断面碳钢、合金钢以及有色金属铸坯，尤其适用于300mm以上厚度的连铸板坯、方坯和Φ500mm以上断面连铸圆坯。

附图说明

图1（a）采用本发明所生产的320×350mm连铸方坯横断面酸洗图。

图1（b）未采用本发明所生产的320×350mm连铸方坯横断面酸洗图。

图2（a）采用本发明所生产的Φ900mm连铸圆坯横断面。

图2（b）未采用本发明所生产的Φ900mm连铸圆坯横断面。

图3（a）采用本发明所生产的Φ900mm连铸圆坯断面酸洗图。

图3（b）未采用本发明所生产的Φ900mm连铸圆坯断面酸洗图。

具体实施方式

本发明通过控制冶炼过程中的金属液纯净度和浇注过程的金属液过热度，并采用微区振荡技术和凝固过程自补缩技术，消除厚大断面连铸坯中心缩孔，改善疏松和宏观偏析。其实施步骤与方式如下：

1．采用感应电炉、电弧炉或转炉等熔炼设备进行钢水冶炼，冶炼过程中采用Al进行预脱氧，采用真空碳脱氧、Si脱氧或Si-Ca合金脱氧等方式进行终脱氧，避免采用Al进行终脱氧。

2．预先在连铸中间包及结晶器中布置振荡设备，以实施微区振荡技术。振荡探头预置到金属液面以下的深度为50-150mm。

3．将熔炼处理好的钢水浇注到连铸中间包内，中间包金属液过热度为10-35℃时，开始将中间包内的金属液浇注到结晶器中。

4．结晶器内金属液面达到一定高度（100-800mm）后，引锭头开始拉坯。稳定拉坯过程中，控制中间包钢水过热度在10-25℃范围内。

5．连铸过程中，启动振荡设备，实施微区振荡技术。振动频率为30-50HZ，振幅为2-10mm。

6．连铸坯出结晶器后，对铸坯表面进行保温。铸坯表面温度不断上升，监测铸坯外表面温度，并通过保温或冷却等工艺措施调节铸坯与外部的界面换热强度，使铸坯表面温度维持在材料固相线以下100~400℃的塑性变形区。

7．连铸坯中心与外表面的温度梯度逐渐减小，铸坯中心区域大面积进入糊状区。在后续冷却过程中，铸坯中心实现同时凝固；凝固收缩产生拉应力，促使铸坯外表面已经凝固的固态金属发生塑性变形，由铸坯表面向中心塑性移动，实现连铸坯凝固过程的径向自补缩。

8．通过上述纯净化、过热度控制，并实施微区振荡和自补缩技术，直至连铸坯完全凝固，消除中心缩孔、降低疏松和偏析缺陷，提高内部质量。

本发明中，微区振荡装置与技术，请参见：

①中国专利申请，申请号201120334239.4；

②中国专利申请，申请号201120262332.9。

本发明中，自补缩技术，请参见：中国专利申请，申请号201010604260.1。

实施例1

该实施例采用本发明涉及的方法生产断面尺寸为320×350mm的连铸坯，连铸坯材质为Q345。采用转炉进行钢水熔炼，再经LF精炼炉进行精炼，然后将钢水转入VD真空脱气炉进行脱氧除气，采用Si-Ca合金进行终脱氧。本实施例中，金属液中的残铝量为0.018wt%，气体和杂质元素为：T[O]=10ppm，[S]=0.008wt%，[P]=0.009wt%。

结晶器内使用微区振荡技术，探头数量2个，探头直径Φ80mm，探头插入结晶器金属液面下120mm，震动频率50HZ，振幅4mm。钢水在1570℃时，浇注到中间包内（过热度为60℃）。连铸拉坯时，中间包内钢水温度1530℃（过热度为20℃）。连铸坯出结晶器后，进入二次冷却区，在二次冷却区对铸坯进行保温，结晶器下端3m范围内连铸坯表面温度维持在1200-1250℃，以实现凝固过程自补缩。

图1(a)为本实施例生产的连铸坯断面低倍组织，图1(b)为常规工艺生产的连铸坯低倍组织，未实施本发明所涉及的方法。对比图1(a)和(b)可见，采用本发明所述的方法铸坯中心缩孔疏松级别降低，偏析减轻。

实施例2

该实施例采用本发明涉及的方法生产厚大断面立式连铸圆坯，圆坯材质为20CrNi2Mo，直径为Φ900mm。采用电弧炉进行钢水熔炼，再经LF精炼炉进行精炼，然后将钢水转入VD真空脱气炉进行脱氧除气，采用Ca进行终脱氧。本实施例中，金属液中的残铝量为0.020wt%，气体和杂质元素为：T[O]=12ppm，[S]=0.009wt%，[P]=0.008wt%。

中间包和结晶器内使用微区振荡技术，中间包内探头数量3个，结晶器内探头数量2个，探头直径Φ120mm，探头插入金属液面下150mm，震动频率30HZ，振幅6mm。钢水在1580℃时，浇注到中间包内（过热度为70℃）。连铸拉坯时，中间包内钢水温度1525℃（过热度为15℃）。连铸坯出结晶器后，进入二次冷却区，在二次冷却区对铸坯进行保温，结晶器下端3m范围内连铸坯表面温度维持在1100-1200℃，以实现凝固过程自补缩。

图2(a)所示为本实施例采用本发明涉及的方法生产的厚大断面连铸圆坯，铸坯内部无缩孔缺陷，疏松级别小于1.0级。图2(b)所示为未实施本发明所生产的同等尺寸连铸圆坯，中心存在严重缩孔缺陷。

图3(a)所示为采用本发明涉及的方法所生产的Φ900mm连铸圆坯断面酸洗图，偏析级别小于1.0级。图3(b)所示为未实施本发明所生产的同等尺寸连铸圆坯，偏析大于2.0级。

将上述生产的连铸坯，按照YB/T4149-2006进行检测，评定实施本发明处理前后的连铸坯内部缺陷等级，结果见表1。

表1

	中心疏松	中心缩孔	偏析
				实施本发明前	3-4级	2-3级	>2级
实施本发明后	0-1级	无缩孔	0-1级

结果表明，本发明通过控制金属液纯净度、浇注过热度，并实施微区振荡和凝固自补缩技术，消除了连铸坯中心缩孔，降低了疏松和偏析级别，提高了厚大断面连铸圆坯内部质量。

Claims (4)

1.一种提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，其特征在于：冶炼过程控制金属液纯净度，浇注过程控制过热度，连铸过程中在中间包和/或结晶器内采用微区振荡装置与技术，二次冷却区采用自补缩技术；

所述的控制金属液纯净度，金属液中的残铝量控制在0.018-0.030 wt %范围内，气体和杂质元素控制目标为：T[O]<15 ppm，[S]<0.010 wt %，[P]<0.012 wt %；对于合金钢，采用感应电炉、电弧炉或转炉设备进行钢水冶炼，冶炼过程中采用Al进行预脱氧，采用真空碳脱氧、Si脱氧或Si-Ca合金脱氧进行终脱氧，避免采用Al进行终脱氧；

所述的浇注过程控制过热度，中间包开始浇注时，金属液过热度为5-80℃；稳定拉坯过程中，中间包金属液过热度控制在5-20℃范围内；

中间包和/或结晶器内采用微区振荡技术，具体步骤如下：

1）中间包和结晶器内同时或单独使用微区振荡装置，耐火材料振荡探头截面积占中间包或结晶器液面面积为20-40%，探头个数为2-3个；

2）耐火材料探头插入液面以下深度为50-150mm；

3）振荡频率为30-50HZ，振幅为2-10mm；

4）通过耐火材料的振荡使耐火材料表面形成晶核，晶核大量脱落在连铸铸坯内成为金属液结晶的形核质点，促进形核，提高铸坯芯部凝固速度，缩短金属液的补缩距离，消除内部缩孔，减轻疏松和偏析缺陷，改善凝固组织；

所述的二次冷却区采用自补缩技术，具体步骤如下：

1）连铸坯出结晶器后进入二次冷却区，降低喷水冷却强度，提高铸坯表面温度；

2）控制连铸坯表面冷却条件，使铸坯外表面的温度维持在固相线以下100~400℃之间，连铸坯外表面凝固层处于低变形抗力的塑性变形区；

3）在二次冷却区对铸坯进行保温，降低铸坯外表面与外界的换热强度，利用芯部返热使铸坯外表面温度升高，减小铸坯径向温度梯度，使铸坯芯部同时进入糊状区，促进铸坯芯部同时凝固；

4）芯部金属液同时凝固时，凝固收缩产生垂直于重力方向的径向拉应力，拉应力作用于外表面高温凝固层，使已凝固金属发生塑性变形，由外表面向铸坯中心发生塑性移动，实现铸坯径向自补缩，消除缩孔，减轻疏松。

2.按照权利要求1所述的提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，其特征在于：该方法适用于厚大断面碳钢、合金钢或有色金属连铸坯。

3.按照权利要求1所述的提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，其特征在于：该方法适用于厚度大于300mm的连铸板坯或方坯，或者直径大于Φ500mm的连铸圆坯。

4.按照权利要求1所述的提高厚大断面连铸坯内部质量的方法，其特征在于：该方法适用于弧形、立弯式或立式连铸机机型，生产厚大断面连铸坯。