CN109014108A - 一种消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

一种消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，根据奥氏体转变过程确定铸坯在各阶段的冷却模式，包括：a、铸坯在结晶器及足辊段采用强冷冷却模式，使MnS来不及析出就固溶在奥氏体内；b、铸坯进入弯曲段采取强冷冷却模式，避免成片膜状铁素体析出，控制膜状铁素体宽度≤100μm；c、铸坯进入扇形三、四、五、六段时采取弱冷冷却模式。本发明根据铸坯凝固过程的演变规律，结合对大量现场数据进行的线性分析，得出了连铸机不同拉速下、不同位置冷却水量的经验公式。采用本发明方法可以为奥氏体向铁素体转变提供最佳条件，避免膜状铁素体的析出，实现第二相粒子MnS快速固溶、减少析出量，达到消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的目的。

Description

一种消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁冶炼方法，尤其是消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法。

背景技术

冷轧基料为铝镇静钢，钢中Al含量为0.020-0.060％，可确保钢中〔O〕≤20ppm，但因Al极易与N结合形成AlN，AlN在奥氏体结晶析出脆化了晶界，提高了钢的裂纹敏感性。目前，国内外研究铸坯横裂纹形成机理与解决方法的很多，对于解决铸坯角部横向裂纹的传统措施主要有两种：一是在弯曲或矫直区域，提高铸坯的表面温度，使其高于脆性波谷区的温度700-900℃上限；二是在弯曲或矫直区域，降低铸坯的表面温度，使其处于低温高延性区700-900℃下限。两种方法均已经应用了十几年，为各类钢铁企业减轻了铸坯质量缺陷起到一定作用，但未能从根本上解决铸坯角部缺陷。

近年来，国内外专家提出相变对裂纹的影响，认为裂纹的产生原因是铸坯冷却过程中角部表层微观组织处于奥氏体向铁素体相变状态，两相共存，其中奥氏体晶界有膜状先共析铁素体与链状析出物析出，且组织粗大，在弯曲应力的作用下，应变集中在铁素体膜上，裂纹由此产生并传播。采取的措施一是消除表层奥氏体晶界的铁素体膜；二是消除奥氏体晶界的链状析出物，通过控制其铸坯表层微观组织和微量元素析出来提高表层抗裂纹能力。但迄今为止，国内外钢厂热轧低碳钢铸坯角裂纹频发，尚没有快速判断裂纹主因和采取解决措施的有效方法。

目前各钢厂表示连铸机二冷冷却水量的工艺参数为“比水量”，单位为“L/kg”，由人工电脑操作可调整比水量的大小，比水量的大小与钢种、拉速有关，连铸工艺设计书内根据钢种、拉速给出比水量的控制范围，各段水量大小按占总水量的比例进行分配。这种常规“比水量”的方式控制二冷配水，存在的问题是只能做到给定拉速范围内的水量的各段分配，并且扇形段以上部位冷却强度低、扇形一二三四段冷却强度大、从扇形五六段冷却水量才变小，这种冷却模式不利于消除铸坯角部横裂纹，不能做到在拉速波动时进行水量调整，不适合拉速波动时的铸坯质量控制。

发明内容

本发明提供一种消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，所述方法根据铸坯凝固过程的演变规律确定连铸机不同位置冷却水量与拉速的量化关系，有效消除相变过程产生的铸坯角部横裂纹。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，根据奥氏体转变过程确定铸坯在各阶段的冷却模式，包括：

a、铸坯在结晶器及足辊段采用强冷冷却模式，使MnS来不及析出就固溶在奥氏体内；

b、铸坯进入弯曲段采取强冷冷却模式，避免成片膜状铁素体析出，控制膜状铁素体宽度≤100μm；

c、铸坯进入扇形三、四、五、六段时铸坯进入矫直状态，采取弱冷冷却模式。

上述消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，结晶器冷却水量与拉速的经验公式为：Q_{结晶器总水量}＝300V-20，

其中Q_{结晶器总水量}＝(宽边水量+窄边水量)×2，宽边水量/窄边水量＝5.5，

式中Q_{结晶器总水量}为结晶器冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

上述消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，足辊段宽面足辊冷却水量与拉速的经验公式为：Q_宽面足辊＝13.75V-0.625，式中Q_宽面足辊为宽面足辊段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

足辊段窄面足辊冷却水量与拉速的经验公式：Q_窄面足辊＝2.90V-0.090，式中Q_窄面足辊为窄面面足辊冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

上述消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，弯曲段冷却水量与拉速的经验公式为：Q_弯曲段＝21.350V-0.995，

式中Q_弯曲段为弯曲段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

上述消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，扇形一段却水量与拉速的关系为Q_扇形一段＝7.70V+0.450，式中Q_扇形一段为扇形一段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

扇形二段冷却水量与拉速的经验公式：Q_扇形二段＝6.375V-0.9725，式中Q_扇形二段为扇形二段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

扇形三四段却水量与拉速的关系为：Q_{扇形三四段}＝5.036V-0.2904，式中Q_{扇形三四段}为扇形三四段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

扇形五六段却水量与拉速的经验公式：Q_{扇形五六段}＝4.20V-0.30，式中Q_{扇形五六段}为扇形五六段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

本发明方法经过长期研究、摸索、分析，得出铸坯出现角裂纹原因的判断：如果膜状铁素体宽度≥100μm，且第二相粒子MnS在晶界析出，且铸坯裂纹周围组织珠光体含量大于其他无裂纹处组织珠光体含量的10％以上，则认为裂纹产生的原因是连铸结晶器、足辊、弯曲段冷却水量不符合要求。本发明基于上述判断，根据铸坯凝固过程的演变规律，结合对大量现场数据所进行的线性分析，确定了连铸机不同位置冷却水量与拉速的关系，得出了一套不同拉速下，不同位置冷却水量的经验公式。按照上述经验公式对铸坯进行冷却，可以为奥氏体向铁素体转变提供最佳条件，避免膜状铁素体的析出，实现第二相粒子MnS快速固溶、减少析出量，达到消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是连铸机各段位置示意图；

图2是实施例1的金相组织图；

图3是对比例的金相组织图。

附图中各标号为：1、结晶器，2、足辊段，3、弯曲段，4、扇形一段，5、扇形二段，6、扇形三段，7、扇形四段，8、扇形五段，9、扇形六段。

具体实施方式

本发明涉及的冷轧基料为铝镇静钢，钢中Al含量为0.020-0.060％。

经长期研究、分析、试验，本发明得出铸坯出现角裂纹原因的判断如下：如果膜状铁素体宽度≥100μm，且第二相粒子MnS在晶界析出，且铸坯裂纹周围组织珠光体含量大于其他无裂纹处组织珠光体含量的10％以上，则裂纹产生的原因是连铸结晶器、足辊、弯曲段冷却水量不符合要求。基于上述判断，本发明确定了连铸机不同位置冷却水量与拉速的关系，其理论分析及具体经验公式如下：

1、细小的奥氏体可以减轻横裂纹敏感性，由于晶界两侧的晶粒取向不同，因而晶界处是原子排列紊乱的区域，其位错结构比较复杂。当裂纹由一个晶粒穿过晶界到达另一个晶粒时，穿越复杂位错结构的晶界比较困难。裂纹穿过晶界后，裂纹的扩展需要改变方向，晶界又是裂纹扩展的阻碍，这样，形变和裂纹扩展需要消耗较多的能量。晶粒越细小，晶界面积就越大，提供的阻力也越大。反之，晶粒越大，提供的阻力小，就容易形成裂纹。但奥氏体晶粒粗细不是产生裂纹的主要原因，粗大奥氏体晶粒只能是诱发裂纹的扩展。冷轧基料中典型的第二相粒子是MnS、AlN，MnS粒子先在奥氏体晶界析出，高温下在未受到拉力作用时AlN会以MnS为核心形核长大形成复合析出，其尺寸在2μm左右；当受到拉应力作用时，由于MnS为延伸析出，开始发生变形并与AlN分离，形成了空洞，随着外界应力的不断施加，这些空洞会随着长大，当长大到一定程度时，这些空洞就会聚集形成更大的空洞，随着这些空洞的不断聚合长大，最后形成晶界裂纹,在晶界脆化和振痕波谷效应的两方面因素作用下，形成铸坯角部横裂纹。为此，避免晶界裂纹的根本在于控制MnS析出，MnS开始析出温度约1400-1480℃，即在结晶器内开始析出，并处于奥氏体区内，因在结晶器强冷冷却模式下，奥氏体晶粒比较细小，MnS来不及析出就固溶在奥氏体内。因此在结晶器及足辊段需采用强冷冷却。参看图1，在理论分析的基础上，从现场6个班次，采集了80炉数据，分别覆盖了0.9m/min、1.0m/min、1.1m/min、1.2m/min、1.3m/min、1.4m/min不同拉速时的结晶器宽、窄面水量、足辊水量及不同冷却状态下的组织结构，通过对所有数据进行线性分析，得到结晶器1及足辊段2冷却水量与拉速的经验公式如下：

结晶器冷却水量与拉速的经验公式为：Q_{结晶器总水量}＝300V-20，

其中Q_{结晶器总水量}＝(宽边水量+窄边水量)×2，宽边水量/窄边水量＝5.5

式中Q_{结晶器总水量}为结晶器冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

足辊段宽面足辊冷却水量与拉速的经验公式为：Q_宽面足辊＝13.75V-0.625，式中Q_宽面足辊为宽面足辊段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

足辊段窄面足辊冷却水量与拉速的经验公式：Q_窄面足辊＝2.90V-0.090，

式中Q_窄面足辊为窄面面足辊冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

2、仍参看图1，铸坯出结晶器后经足辊段冷却，随后进入弯曲段3，在弯曲段奥氏体向铁素体转变，转变温度范围为912-700℃，为避免成片膜状铁素体析出，控制膜状铁素体宽度≤100μm，弯曲段采取强冷冷却。仍通过数据收集和线性分析得到弯曲段冷却水量与拉速的经验公式为：Q_弯曲段＝21.350V-0.995，式中Q_弯曲段为弯曲段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

3、仍参看图1，铸坯出弯曲段时角部表层温度约660℃，随后进入扇形一段4、扇形二段5，铸坯表面开始回温，表层组织开始由铁素体向奥氏体转变，为使温度尽快回温到900℃以上，避免铸坯在两相区弯曲产生裂纹，需采用弱冷冷却模式。仍通过数据收集和线性分析得到扇形一段冷却水量与拉速的经验公式为：Q_扇形一段＝7.70V+0.450，式中Q_扇形一段为扇形一段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；扇形二段冷却水量与拉速的经验公式：Q_扇形二段＝6.375V-0.9725，式中Q_扇形二段为扇形二段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

4、仍参看图1，铸坯依次进入扇形三段6、扇形四段7、扇形五段8、扇形六段9，此时只要采取弱冷冷却模式，铸坯角部就不会出现横裂纹。同样通过数据收集和线性分析得到扇形三四段、扇形五六段冷却水量与拉速的经验公式：扇形三四段冷却水量与拉速的关系为：Q_{扇形三四段}＝5.036V-0.2904，式中Q_{扇形三四段}为扇形三四段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；扇形五六段冷却水量与拉速的经验公式：Q_{扇形五六段}＝4.20V-0.30，式中Q_{扇形五六段}为扇形五六段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

以下提供本发明的几个具体的实施例：

实施例1：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.25％，Si：0.01％，P：0.018％，S：0.015％，Als：0.030％，中间包温度为1550℃，拉速为1.2m/min。

结晶器冷却水量为：Q_{结晶器总水量}＝300V-20＝300×1.2-20＝340吨/m2

Q_{结晶器总水量}＝(宽边水量+窄边水量)×2＝13窄边水量＝340

窄边水量＝26.15吨/m2，宽边水量＝5.5×26.15＝143.85吨/m2

足辊水量为：Q_宽面足辊＝13.75V-0.625＝13.75*1.2-0.625＝15.875吨/m2

Q_窄面足辊＝2.90V-0.090＝2.90*1.2-0.090＝3.39吨/m2

弯曲段水量为：Q_弯曲段＝21.350V-0.995＝21.350*1.2-0.995＝24.625吨/m2

扇形一段水量：Q_扇形一段＝7.70V+0.450＝7.70*1.2+0.450＝9.69吨/m2

扇形二段水量：Q_扇形二段＝6.375V-0.9725＝6.375*1.2-0.9725＝6.678吨/m2

扇形三四段水量：Q_{扇形三四段}＝5.036V-0.2904＝5.036*1.2-0.2904＝5.720吨/m2

扇形五六段水量：Q_{扇形五六段}＝4.20V-0.30＝4.20*1.2-0.30＝4.680吨/m2

铸坯表层组织无明显膜状铁素体，珠光体含量为0.0155％。铸坯角部质量良好，未出现裂纹，实施例1的金相组织参看图2。

实施例2：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.25％，Si：0.01％，P：0.018％，S：0.015％，Als：0.030％，中间包温度为1550℃，拉速为0.9m/min。

结晶器冷却水量为：Q_{结晶器总水量}＝300V-20＝300×0.9-20＝250吨/m2

Q_{结晶器总水量}＝(宽边水量+窄边水量)×2＝13窄边水量＝250

窄边水量＝19.23吨/m2，宽边水量＝5.5×19.23＝105.77吨/m2

足辊水量为：Q_宽面足辊＝13.75V-0.625＝13.75*0.9-0.625＝11.75吨/m2

Q_窄面足辊＝2.90V-0.090＝2.90*0.9-0.090＝2.52吨/m2

弯曲段水量为：Q_弯曲段＝21.350V-0.995＝21.350*0.9-0.995＝18.22吨/m2

扇形一段水量：Q_扇形一段＝7.70V+0.450＝7.70*0.9+0.450＝7.38吨/m2

扇形二段水量：Q_扇形二段＝6.375V-0.9725＝6.375*0.9-0.9725＝4.765吨/m2

扇形三四段水量：Q_{扇形三四段}＝5.036V-0.2904＝5.036*0.9-0.2904＝4.242吨/m2

扇形五六段水量：Q_{扇形五六段}＝4.20V-0.30＝4.20*0.9-0.30＝3.480吨/m2

铸坯表层组织无明显膜状铁素体，珠光体含量为0.0164％。铸坯角部质量良好，未出现裂纹。

实施例3：钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.25％，Si：0.01％，P：0.018％，S：0.015％，Als：0.030％，中间包温度为1550℃，拉速为1.4m/min。

结晶器冷却水量为：Q_{结晶器总水量}＝300V-20＝300×1.4-20＝400吨/m2

Q_{结晶器总水量}＝(宽边水量+窄边水量)×2＝13窄边水量＝400

窄边水量＝30.77吨/m2，宽边水量＝5.5×30.77＝169.24吨/m2

足辊水量为：Q_宽面足辊＝13.75V-0.625＝13.75*1.4-0.625＝18.625吨/m2

Q_窄面足辊＝2.90V-0.090＝2.90*1.4-0.090＝3.97吨/m2

弯曲段水量为：Q_弯曲段＝21.350V-0.995＝21.350*1.4-0.995＝28.895吨/m2

扇形一段水量：Q_扇形一段＝7.70V+0.450＝7.70*1.4+0.450＝11.23吨/m2

扇形二段水量：Q_扇形二段＝6.375V-0.9725＝6.375*1.4-0.9725＝7.953吨/m2

扇形三四段水量：Q_{扇形三四段}＝5.036V-0.2904＝5.036*1.4-0.2904＝6.760吨/m2

扇形五六段水量：Q_{扇形五六段}＝4.20V-0.30＝4.20*1.4-0.30＝5.58吨/m2

铸坯表层组织无明显膜状铁素体，珠光体含量为0.0142％。铸坯角部质量良好，未出现裂纹。

对比例1：按照常规方法冷却。钢种为SPHC，化学成分以重量百分比计为C：0.04％，Mn：0.25％，Si：0.01％，P：0.018％，S：0.015％，Als：0.030％，中间包温度为1550℃，拉速为1.2m/min。

结晶器窄边水量:20吨/m2，宽边水量:110吨/m2

在1.2m/min拉速下，比水量设定为0.4-0.6L/kg，取0.54L/kg

足辊Q_宽面足辊水量占比水量的20％，足辊Q_宽面足辊水量为:12.1吨/m2

足辊Q_窄面足辊水量占比水量的4.3％，足辊Q_窄面足辊水量为:2.61吨/m2

弯曲段Q_弯曲段水量占比水量的30.7％，弯曲段Q_弯曲段水量为：18.62吨/m2

扇形一段Q_扇形一段水量占比水量的17％，扇形一段Q_扇形一段水量为：10.31吨/m2

扇形二段Q_扇形二段水量占比水量的12％，扇形二段Q_扇形二段水量为：7.28吨/m2

扇形三四段Q_{扇形三四段}水量占比水量的10％，扇形三四段Q_{扇形三四段}水量为：6.07吨/m2

扇形五六段Q_{扇形五六段}水量占比水量的6％，扇形五六七段Q_{扇形五六段}水量为：3.64吨/m2

铸坯表层组织膜状铁素体宽度为130-150μm，铸坯角部出现横裂纹，无裂纹珠光体含量为0.0148％，裂纹周围珠光体含量为0.0131％，对比例的金相组织见图3。

Claims (5)

1.一种消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：根据奥氏体转变过程确定铸坯在各阶段的冷却模式，包括：

a、铸坯在结晶器及足辊段采用强冷冷却模式，使MnS来不及析出就固溶在奥氏体内；

b、铸坯进入弯曲段采取强冷冷却模式，避免成片膜状铁素体析出，控制膜状铁素体宽度≤100μm；

c、铸坯进入扇形三、四、五、六段时铸坯进入矫直状态，采取弱冷冷却模式。

2.根据权利要求1所述的消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：结晶器冷却水量与拉速的经验公式为：Q_{结晶器总水量}＝300V-20，

其中Q_{结晶器总水量}＝(宽边水量+窄边水量)×2，宽边水量/窄边水量＝5.5，式中Q_{结晶器总水量}为结晶器冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

3.根据权利要求1所述的消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：足辊段宽面足辊冷却水量与拉速的经验公式为：Q_宽面足辊＝13.75V-0.625，式中Q_宽面足辊为宽面足辊段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；足辊段窄面足辊冷却水量与拉速的经验公式：Q_窄面足辊＝2.90V-0.090，式中Q_窄面足辊为窄面面足辊冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

4.根据权利要求1所述的消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：弯曲段冷却水量与拉速的经验公式为：Q_弯曲段＝21.350V-0.995，式中Q_弯曲段为弯曲段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。

5.根据权利要求2、3或4所述的消除冷轧基料铸坯角部横裂纹的方法，其特征在于：扇形一段却水量与拉速的关系为Q_扇形一段＝7.70V+0.450，式中Q_扇形一段为扇形一段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

扇形二段冷却水量与拉速的经验公式：Q_扇形二段＝6.375V-0.9725，式中Q_扇形二段为扇形二段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

扇形三四段却水量与拉速的关系为：Q_{扇形三四段}＝5.036V-0.2904，式中Q_{扇形三四段}为扇形三四段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min；

扇形五六段却水量与拉速的经验公式：Q_{扇形五六段}＝4.20V-0.30，式中Q_{扇形五六段}为扇形五六段冷却总水量，单位：吨/m2；V表示拉速，单位：m/min。