CN107881289A

CN107881289A - 一种提高钢高温塑性的方法

Info

Publication number: CN107881289A
Application number: CN201711005428.5A
Authority: CN
Inventors: 屈天鹏; 王德永; 田俊; 王慧华; 苏丽娟; 徐周; 陈开来
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-04-06
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: CN107881289B

Abstract

本发明公开了一种提高钢高温塑性的方法，基于镁处理与二次冷却协同作用提高钢的高温塑性，属于微合金高强钢炼钢连铸生产领域。采用镁处理工艺和新型二次冷却控制方法协同作用，能够有效控制微合金高强钢铸坯中第二相颗粒的成分、尺寸和分布状态，抑制沿原奥氏体晶界分布的先共析铁素体膜厚度，用Gleeble3800检测铸坯断面收缩率显著提高，均高于50%以上。证实该工艺可以显著提高微合金高强钢的高温塑性，能够有效抑制铸坯表面裂纹缺陷。

Description

一种提高钢高温塑性的方法

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，具体涉及一种提高钢高温塑性的方法，适合于抑制微合金高强钢炼钢连铸生产过程中铸坯表面横裂纹缺陷。

背景技术

角部横裂纹是高强度微合金钢（HSLA）连铸及热轧工艺中最为突出的质量问题，也是国内钢铁企业多年来仍未彻底解决的技术难题。随着连铸坯热装比的提高，含Nb-Ti微合金高强钢铸坯角部裂纹已成为限制连铸和轧钢生产顺行的主要缺陷。导致该缺陷原因极其复杂，它受钢种成分、设备状态、操作工艺等因素影响，但最本质的影响因素是钢在高温条件下的力学行为。在高温下钢存在3个明显的脆性温度区间，当铸坯经过连铸机矫直区扇形段时，铸坯角部温度往往处于700℃~900℃（第Ш脆性区），铸坯热塑性差。在矫直应力作用下，极易在铸坯角部形成横向裂纹。为了避开微合金钢脆性温度区，现行控制手段包括：“热行”（矫直温度高于900℃）路线、“冷行”（矫直温度低于700℃）路线以及倒角结晶器技术，一定程度上缓解了角部横裂纹问题。

对导致钢高温塑性降低的原因深入分析发现，沿晶界析出大量的第二相粒子及先共析铁素体组织降低了奥氏体晶界强度，当外界应力超出晶界强度极限便会在晶界处萌生微裂纹。现有技术无法同时抑制先共析铁素体组织析出量以及抑制第二相粒子在晶界析出，无法有效消除其在晶界的偏析行为。因此，需要研发新的方法，以最大限度提升微合金钢的高温塑性，从而有效解决高强度微合金钢横裂纹问题。

发明内容

本发明提供了一种基于微镁处理与优化二次冷却制度协同作用抑制微合金高强钢炼钢连铸生产过程中铸坯表面横裂纹缺陷的控制方法，通过抑制第二相颗粒和先共析铁素体膜在原奥氏体晶界的大面积析出行为，从而有效提高微合金钢的高温塑性，避免在铸坯矫直过程中产生横裂纹缺陷，并且本发明提出的协同控制方式可以为其它钢种的生产工艺控制可提供借鉴。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种提高钢高温塑性的方法，包括以下步骤：

（1）在炉外精炼时，向钢液中加入镁，搅拌后得到镁处理钢液；

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

（3）调节铸坯的表面温度在垂直弯曲区时低于650℃；然后调节铸坯的表面温度在弧形段时为980~1050℃；最后调节铸坯的表面温度在矫直区时高于850℃；从而提高钢的高温塑性。

本发明还公开了一种微合金高强钢锭的制备方法，包括以下步骤：

（1）在炉外精炼时，向微合金钢液中加入镁，搅拌后得到镁处理钢液；

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

（3）调节铸坯的表面温度在垂直弯曲区时低于650℃；然后调节铸坯的表面温度在弧形段时为980~1050℃；然后调节铸坯的表面温度在矫直区时高于850℃；最后自然冷却得到微合金高强钢锭。

本发明还公开了一种微合金高强钢锭；所述微合金高强钢锭的制备方法包括以下步骤：

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

本发明还公开了一种微合金高强钢制品的制备方法，包括以下步骤：

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

（3）调节铸坯的表面温度在垂直弯曲区时低于650℃；然后调节铸坯的表面温度在弧形段时为980~1050℃；然后调节铸坯的表面温度在矫直区时高于850℃；最后自然冷却得到微合金高强钢锭；

（4）将微合金高强钢锭压延得到微合金高强钢制品。

本发明还公开了一种微合金高强钢制品；所述微合金高强钢制品的制备方法包括以下步骤：

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

（4）将微合金高强钢锭压延得到微合金高强钢制品。

上述技术方案中，步骤（1）中，镁采用复合包芯线的方式加入钢液中，优选的，按质量百分数，所述复合包芯线中，镁10%~20%、铝30%~40%，其余为铁；本发明采用复合包芯线对镁钝化处理，解决了现有技术镁在钢液中的活性很高导致的钢液剧烈波动、存在安全隐患的问题，并且本发明采用铁皮或低碳钢包裹的方式，可以深入钢液熔池内部进行镁处理。

上述技术方案中，步骤（1）中，炉外精炼采用RH或LF的方式，或者炉外精炼采用依次经过RH和LF的方式；当精炼采用RH的方式时，在RH破真空后向钢液中加入镁，优选加入镁的位置为钢包流场存在下降流的区域，有利于将镁带入钢液内部；当精炼采用LF的方式时，在LF处理末期向钢液中加入镁；采用依次经过RH和LF的方式时，在LF处理末期向钢液中加入镁。

上述技术方案中，步骤（1）中，向钢液中加入镁的速度为1~3m/s，最终钢中的镁含量保持在10ppm~25ppm之间；从而可以利用MgO与TiN良好晶格匹配关系，从而促使钢中的TiN颗粒形核，又避免了镁对微量合金的影响，尤其是在此用量下，配合后续二次冷却工艺解决第二相颗粒的快速长大问题，提高TiN在钢液中的弥散析出，避免在原奥氏体晶界偏聚析出，提高晶界强度。

上述技术方案中，步骤（1）中，搅拌采用氩气搅拌，氩气搅拌底吹气量为50L/min~300L/min；搅拌时间为8~15min，既可以均匀钢液成分和温度，又能够避免钢液剧烈波动、存在安全隐患、造成内部缺陷的问题。

上述技术方案中，步骤（2）中，连续浇铸采用全程保护浇注，避免钢液二次氧化；在凝固的时候，结晶器内部弱冷，使得铸坯出结晶器时表面中心温度保持在1250℃以上，为后续工艺打下良好基础。

上述技术方案中，步骤（3）中，采用冷却水调节铸坯的表面温度。

本发明中，调节铸坯的表面温度在垂直弯曲区时低于650℃，铸坯从结晶器出来表面温度达到1250℃以上，经过水冷却，表面温度下降，当仪器检测铸坯表面温度小于650℃时即可，工业化降温而且是在生产中降温，一般使得铸坯的表面温度在垂直弯曲区时为635~650℃；然后调节铸坯的表面温度在弧形段时为980~1050℃，通过降低冷却水用量，使得铸坯表面温度上升，优选铸坯的表面温度在弧形段时为1000℃；然后调节铸坯的表面温度在矫直区时高于850℃，再次通过冷却水，使得铸坯表面降温，工业化降温而且是在生产中降温，一般使得铸坯的表面温度在矫直区时为850~865℃。

本发明可以如下例子进行：

第一步：镁铝铁复合包芯线的制备。复合包芯线主要成分为Mg-Al-Fe，按质量百分数，其化学成分含镁10%~20%，含铝30%~40%，其余为铁粉，可以选择包芯线的直径15mm，由0.5mm的铁皮或超低碳碳钢带包裹而成。

第二步：钢液微镁处理。微镁处理主要集中在炉外精炼工序进行，根据不同钢种所经历的精炼工序不同，采用RH或LF处理，或者依次经过RH和LF。当钢液采取RH处理时，在RH破真空后实施喂镁铝铁复合包芯线操作，喂线位置为钢包流场存在下降流的区域，有利于将包芯线带入钢液内部。喂线速度根据钢包容量不同控制在1~3m/s之间，喂线量在200~500m/炉之间，控制最终钢中的镁含量保持在10ppm~25ppm之间，为了均匀钢液成分和温度，在喂线结束后采用氩气对钢水进行弱搅拌（50L/min~300L/min），持续8~15min。当钢液采用LF处理时，需要在LF处理末期进行喂线处理，喂线参数与上述基本相同。

第三步：连铸浇注与凝固过程控制。经过镁处理的合格钢水进入连铸浇注与凝固工序，钢液从钢包→中间包→结晶器的传输过程中采用全程保护浇注，避免钢液二次氧化。

第四步：铸坯出结晶器后，在足辊段和垂直段区域采用大水量快速冷却制度，使得铸坯表面温度在进入弯曲区之前降至650℃以下，进入弯曲区后恢复常规冷却水量，利用铸坯内部潜热促使铸坯表层回温至1000℃左右（比如980~1050℃），随后在弧形段缓慢冷却，通过矫直区时铸坯角部区域温度控制在850℃以上，采用此冷却工艺可以有效提升铸坯高温塑性，抑制表层裂纹缺陷。

第五步：铸坯经过二次冷却后自然冷却得到微合金高强钢锭，再经过压延加工称为微合金高强钢制品。

本发明提出了一种基于微镁处理与二次冷却协同控制工艺，采用本工艺可以显著提高微合金高强钢高温塑性，最大限度抑制铸坯角部裂纹缺陷。本发明方法的核心是先利用于镁处理在钢液中形成细小弥散的氧化镁夹杂物，基于MgO与TiN良好晶格匹配关系，从而促使钢中的TiN颗粒形核，尤其是本发明通过快速冷却控制方式抑制第二相颗粒的快速长大，提高TiN在钢液中的弥散析出，避免在原奥氏体晶界偏聚析出，提高晶界强度；然后在奥氏体相向低温铁素体转变温度区间采取快速冷却方式抑制奥氏体晶界先共析铁素体膜的大量形成，进一步提高晶界强度，最终达到提高微合金钢铸坯高温塑性的控制目标。

附图说明

图1本工艺对铸坯高温塑性改善实施效果图。

具体实施方式

本发明通过精炼工序微镁处理与连铸二冷强度协同控制方法，显著提高了微合金高强钢铸坯的高温塑性，达到了降低微合金钢铸坯角部横裂纹的控制目标。采用本发明方法实施微合金钢浇注，利用Gleeble试验机测试铸坯断面收缩率随温度的变化曲线，在第三脆性区铸坯断面收缩率普遍处于50%以上，铸坯横裂纹发生几率显著降低，取得了意想不到的技术效果。

实施例一

国内某钢厂用240t转炉冶炼钢种微合金钢，钢种成分为0.09%C-0.25%Si-1.53%Mn-0.035%Nb-0.021%Ti，由于采用铝脱氧钢中含有0.35%的Al元素。该钢种生产路线为BOF→LF→Mg处理→CC。转炉出钢完成合金化后送入LF站进行脱硫精炼处理，添加合金元素得到微合金钢液，精炼后期实施喂线操作，铝镁铁复合包芯线中含镁量10%，铝含量35%，其余为铁，直径15mm，由0.5mm的铁皮包裹而成，喂线速度3.0m/s，喂线量350 m/炉，随后采用吹气量为45L/min的氩气弱搅10min，最终钢中的镁含量保持在20ppm。送入连铸平台进行浇注，中间包容量45t，稳定液位高度0.95m，塞棒控流。结晶器浸入式水口倾角向下18°，插入深度180mm，结晶器断面尺寸230mm×2270mm，拉坯速度1.1m/min；结晶器窄面和宽面铜板冷却水量分别为650L/min和3800L/min；全程保护。铸坯出结晶器后在足辊区和垂直段区域开启最大水量喷水冷却，使得铸坯表面温度在进入弯曲区之前降至648℃，进入弯曲区后恢复常规二冷冷却水量，利用铸坯内部潜热促使铸坯表层回温至1000℃，随后在弧形段缓慢冷却，通过矫直区时铸坯角部区域温度控制在850℃以上，使用红外测温枪对矫直区铸坯角部区域测温显示平均温度860℃，内弧表面中心平均温度1040℃。

高温热塑性检测，在铸坯厚度1/4处取样，根据Gleeble3800热模拟机对测试样品的要求，试样尺寸确定为φ10mm×110mm，两端加工螺纹。试验过程中避免试样氧化，采用流量为2L/min的Ar保护，并将试样室的真空度控制在1.33×10^-5MPa。当试样拉断后，计算断面收缩率并对断口形貌及微观组织进行分析，明确断裂机理，评判微镁处理工艺与新型冷却工艺协同作用对铸坯高温塑性的改善效果。

常规工艺：转炉冶炼成分合格后进行铝脱氧或硅锰脱氧，随后进入二次精炼工序，采用真空脱气装置RH降低钢中的H和N含量，或者采用LF炉进行深脱硫工艺，LF精炼处理较为普遍。在LF精炼处理后期会进行Ca处理，对钢中的夹杂物进行改性处理，主要是防止氧化铝夹杂物堵塞SEN水口，对于弥散钢中夹杂物效果很小；随后进入连铸工序，常规采用均匀冷却方式，铸坯表面温度不存在较大范围的深冷和回温过程，铸坯表层微观组织较为粗大，微合金钢铸坯角部裂纹较为突出。

实施例一铸坯下线检测未发现角部裂纹缺陷，沿铸坯厚度方向取样在Gleeble3800热模拟试验机测试铸坯的高温热塑性曲线，发现在600℃~900℃区间的断面收缩率均高于50%，显著优于常规工艺测试结果；如果根据上述方法仅采用镁处理，断面收缩率在700℃、750℃、800℃为40%、35%、38%；如果根据上述方法仅采用二次冷却处理，断面收缩率在700℃、750℃为42%、38%、41%。由此可以看出对钢液进行微镁处理结合新型二次冷却模式可以显著提高微合金钢的高温热塑性，降低微合金钢连铸过程中的铸坯表面裂纹缺陷，提高连铸金属收得率。

通过取样检测分析发现，处理后，钢水T.O含量降低明显，约从0.0025%降低至0.0012%，降幅约50%，夹杂物尺寸降至1μm以下。屈服强度和抗拉强度分别为473MPa和605MPa，伸长率达到36.5%，较未经镁以及二次冷却处理提高了38MPa、70MPa和8%，提高数量为单独镁处理的2倍。由此可以看出对钢液进行微镁处理结合二次冷却可以显著改善钢的内部组织结构，提高钢的机械性能。

根据上述实施例一的方法，将最终钢中的镁含量保持在25ppm，其他不变，断面收缩率在700℃、750℃、800℃为55%、48%、57%；将最终钢中的镁含量保持在5ppm，其他不变，断面收缩率在700℃、750℃、800℃为45%、40%、47%。

微合金钢铸坯角部裂纹是连铸生产过程中最为常见的质量缺陷，主要是由于该钢种的高温塑性差而导致的。本发明公开了一种基于镁处理与二次冷却协同作用提高钢的高温塑性的控制方法，具体流程如下：（1）在炉外精炼过程中向钢液中加入镁铝铁复合包芯线，随后以弱搅方式搅拌钢液5~10min，以均匀钢水成分和温度；（2）随后进入连铸浇注工序，经过镁处理的钢液依次经过钢包、中间包和结晶器开始凝固。在结晶器内实施弱冷控制，铸坯出结晶器后在足辊区和垂直弯曲区采用大水量强制冷却，使弯曲区铸坯表面温度降至650℃，进入弧形段后减小二冷区水量至前区冷却水量的30%~50%，依靠铸坯内部热量使其表面回温至1000℃左右，经过矫直区时铸坯表面温度高于850℃。采用镁处理工艺和新型二次冷却控制方法协同作用，能够有效控制微合金高强钢铸坯中第二相颗粒的成分、尺寸和分布状态，抑制沿原奥氏体晶界分布的先共析铁素体膜厚度，用Gleeble3800检测铸坯断面收缩率显著提高，均高于50%以上；证实该工艺可以显著提高微合金高强钢的高温塑性，能够有效抑制铸坯表面裂纹缺陷。

Claims

1.一种提高钢高温塑性的方法，包括以下步骤：

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

2.根据权利要求1所述提高钢高温塑性的方法，其特征是，步骤（1）中，镁采用复合包芯线的方式加入钢液中；炉外精炼采用RH或LF的方式，或者炉外精炼采用依次经过RH和LF的方式；搅拌采用氩气搅拌。

3.根据权利要求2所述提高钢高温塑性的方法，其特征是，按质量百分数，所述复合包芯线中，镁10%~20%、铝30%~40%，其余为铁；当精炼采用RH的方式时，在RH破真空后向钢液中加入镁；当精炼采用LF的方式时，在LF处理末期向钢液中加入镁；氩气搅拌底吹气量为50L/min~300L/min，搅拌时间为8~15min。

4.根据权利要求1所述提高钢高温塑性的方法，其特征是，步骤（2）中，连续浇铸采用全程保护浇注；步骤（3）中，采用冷却水调节铸坯的表面温度。

5.一种微合金高强钢锭的制备方法，包括以下步骤：

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

6.根据权利要求5所述微合金高强钢锭的制备方法，其特征是，步骤（1）中，镁采用复合包芯线的方式加入钢液中；炉外精炼采用RH或LF的方式，或者炉外精炼采用依次经过RH和LF的方式；搅拌采用氩气搅拌；步骤（2）中，连续浇铸采用全程保护浇注；步骤（3）中，采用冷却水调节铸坯的表面温度。

7.根据权利要求6所述微合金高强钢锭的制备方法，其特征是，按质量百分数，所述复合包芯线中，镁10%~20%、铝30%~40%，其余为铁；当精炼采用RH的方式时，在RH破真空后向钢液中加入镁；当精炼采用LF的方式时，在LF处理末期向钢液中加入镁；氩气搅拌底吹气量为50L/min~300L/min，搅拌时间为8~15min。

8.一种微合金高强钢制品的制备方法，包括以下步骤：

（2）将镁处理钢液经过连续浇铸与凝固，得到铸坯；

（4）将微合金高强钢锭压延得到微合金高强钢制品。

9.根据权利要求8所述微合金高强钢锭的制备方法，其特征是，步骤（1）中，镁采用复合包芯线的方式加入钢液中；炉外精炼采用RH或LF的方式，或者炉外精炼采用依次经过RH和LF的方式；搅拌采用氩气搅拌；步骤（2）中，连续浇铸采用全程保护浇注；步骤（3）中，采用冷却水调节铸坯的表面温度。

10.根据权利要求9所述微合金高强钢锭的制备方法，其特征是，按质量百分数，所述复合包芯线中，镁10%~20%、铝30%~40%，其余为铁；当精炼采用RH的方式时，在RH破真空后向钢液中加入镁；当精炼采用LF的方式时，在LF处理末期向钢液中加入镁；氩气搅拌底吹气量为50L/min~300L/min，搅拌时间为8~15min。