CN109317631A - 改善连铸方坯组织均匀性的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，将按预设成分冶炼完成的钢水进行连铸后形成连铸方坯‑连铸方坯通过连铸机扇形段的二次冷却区，控制连铸方坯表面温度冷却至500～800℃，‑将连铸方坯依次通过电磁感应线圈总成和若干个冷却段进行反复升温冷却，使连铸方坯组织反复多次发生奥氏体→铁素体→奥氏体相变循环时细化奥氏体，不断改善原铸态组织之间的均匀性。

Description

改善连铸方坯组织均匀性的生产方法

技术领域

本发明涉及高强钢热处理技术领域，具体涉及一种改善连铸方坯组织均匀性的生产方法。

背景技术

连铸方坯中的低倍组织由外向内由三个晶带组成：细小等轴晶带(激冷层)、柱状晶带、中心等轴晶区(见图1)。由于这三种组织的形态和尺寸大小相差很大，对于一般的钢铁产品来讲钢铁铸坯塑性较差，并且，铸态组织内部有大量的粗大的柱状晶和等轴晶，在连铸方坯的周边存在相对细小的等轴晶，在后续的奥氏体化加热过程中，连铸方坯的内部和周边生成的奥氏体尺寸大小会不均匀，并且这种奥氏体晶粒的不均匀性还会“遗传”到在后续的生产过程中(见附图2、图3，图2中1为柱状晶区、2为等轴晶区，图3中3为粗大奥氏体区、4为细小奥氏体区)，影响钢的基体组织和产品性能。随着汽车工业、机械制造业和大型桥梁建设的发展，金属制品行业对帘线钢、弹簧钢、冷镦钢等棒线材产品的化学成分、金相组织和力学性能都提出来更高的要求。为了减少铸态组织不均匀性的影响，满足用户的要求，各钢厂在连铸工序采用了加大二次冷却强度、低过热度控制技术、电磁搅拌技术、轻压下和重压下技术，这些技术可以在一定程度上细化柱状晶，但是，连铸大方坯中的柱状晶依然存在，还是会对影响产品的最终组织和性能。

另一方面，由于连铸方坯通过二冷区后是在空气中自然冷却，在缓慢的冷却过程中奥氏体的晶界处会产生先共析相(亚共析钢产生先共析铁素体、过共析钢产生先共析渗碳体)，先共析相会弱化晶界的结合力，在晶界处容易产生裂纹，奥氏体晶粒尺寸越大其裂纹的敏感性越高。因此，如何控制连铸坯中的铸态组织，减少或消除柱状晶与等轴晶尺寸大小的差距，改善铸坯组织的均匀性，一直是困扰钢铁企业的产品质量提升的难题。

为了进一步地改善铸态组织的不均匀性，目前以日本神户、新日铁、中国宝钢、鞍钢、兴澄特钢等国内外钢铁企业都采用大方坯连铸(铸坯横断面边部尺寸在200～600mm范围)，开坯轧制成小方坯(铸坯横断面边部尺寸在100～200mm范围)，将连铸坯的铸态组织转变为轧态组织，改善了铸坯中的成分偏析，细化了晶粒尺寸，提高了棒线材性能等质量指标。

目前，各家钢厂采用的连铸大方坯的开坯轧制工艺：钢包中的钢水通过中间包进入结晶器凝固成连铸大方坯，拉矫辊将大方坯拉出结晶器，通过连铸机扇形段的二次冷却区后，将铸坯按照定尺切割。在开坯轧制前，将连铸大方坯装入加热炉，加热到钢中的组织奥氏体化后，轧制成小方坯的尺寸。该生产工艺存在大方坯冷却后再次装入加热炉升温的过程，延长了生产时间(加热时间至少在100min以上)，也增加了能源的消耗。目前，棒线材市场竞争日趋白日化，产品同质化严重，因此如何更好地满足用户需求，提升用户效率、降低用户成本，是钢铁生产企业不得不面对的问题。

为减少连铸与热轧工序之间坯料再加热的能源消耗，目前，国内外一些钢厂采用热送热装和直接轧制技术，提高生产率和节能降耗。但是，不论是热送热装，还是直接轧制技术，在加热连铸坯奥氏体化的生产工序，传统的方法是用煤、气、油、电作为电源，通过辐射、对流和传导等方式将热量传给连铸坯。加热装置有井式炉、罩式炉贯通式连续炉等，通称为外热式炉。外热式加热存在三个主要缺点：(1)加热时间比较长，对于连续加热炉，连铸坯加热时间多为100min以上，井式炉和罩式炉等周期性加热炉的时间达几小时，生产效率低，并有表面氧化与脱碳现象发生。(2)外热式炉的效率低，燃料炉的效率低于40～50％，电阻炉的效率为70％左右。并且，热惰性大，需要较长的启动预热时间。(3)较长的加热时间会存在脱碳层深度增加、奥氏体晶粒尺寸异常长大、过烧的异常组织(如魏氏体)产生等。所以，外热式加热炉的生产效率、节能降耗和加热工艺还可以进一步提高和改进。

感应加热技术从20世纪下半叶以来，由于半导体技术、计算机控制以及金属快速加热相变理论的发展和进步，使得感应加热的能量转换效率大幅度提高，可靠性增加，能够实现整个生产过程的自动控制。感应加热是由感应器交变磁场产生涡流，涡流在金属中将电磁能转换为焦耳热，成为了热处理加热的理想选择。但是，由于感应加热的集肤效应(升温集中在金属的表面)，造成感应加热技术多用于薄板坯加热，或连铸板坯表面局部的补热，以获得温度的均匀性。对于横断面边部长宽比较小的连铸方坯，如何采用感应加热技术提高连铸坯整体的温度，是非常有实际意义的问题有待于解决。

在连铸坯柱状晶和等轴晶均匀化方面，中国发明专利申请(申请号CN201510189511.7、申请日2015.4.21)提出了一种在稳态磁场条件下连铸过程二次冷却区晶粒细化的方法及装置，通过seebeck效应在二次冷却区固液界面前沿产生的热电流与稳态磁场相互作用产生热电磁力，热电磁力使横向生长的柱状晶被打断，产生柱状晶-等轴晶转变，同时也引起熔体的流动，起到搅拌作用，柱状晶碎片游离在连铸坯的液相穴中成为新的晶核，提高了等轴晶数量，抑制了柱状晶生长，扩大了等轴晶区，细化了连铸坯晶粒。本发明解决了连铸过程中二次冷却区存在的横向柱状晶长大形成穿晶以及连铸坯晶粒细化的问题，抑制了柱状晶的生长，扩大了等轴晶区，克服了现有技术中初生坯壳屏蔽交变电磁场的难题，显著提升铸坯质量，节约能耗，有利于大规模工业化应用。

在先共析铁素体和先共析渗碳体控制方面，中国发明专利(申请号201480035272.3、申请日2014.6.23)提出了一个高碳钢线材含有规定的化学成分，剩余部分包含Fe及杂质；在与长度方向垂直的截面中，珠光体的面积率为95％以上，剩余部分为含有贝氏体、伪珠光体、先共析铁素体、先共析渗碳体中的1种以上的非珠光体组织；上述珠光体的平均块粒径为15～35μm，块粒径为50μm以上的上述珠光体的面积率为20％以下；在从表面至深度1mm为止的区域中，上述珠光体中的片层间距为150nm以下的区域为20％以下。

在连铸坯感应加热方面，中国发明专利申请(申请号CN201710240071.2、申请日2017.4.13)提出了一种基于机理模型简化整定的连铸坯感应加热快速自适应温控方法，也就是机理模型参照有限元感应加热网格建模的方法，考察电磁感应加热整个过程的电磁耦合、涡流生热、以及热传导、热辐射等演变，将机理模型抽象简化为“初始状态”和“最终状态”的映射状态方程。上述的专利，主要是建立感应加热网格模型，并通过数据校核，提高运用该模型具有较高的重复精度。

但是如何将感应加热器与连铸坯之间进行合理配置，减少或消除连铸坯中的粗大柱状晶组织是有待亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种既可以提高效率、又能减少或消除粗大铸态晶粒影响从而提高产品组织均匀性的改善连铸方坯组织均匀性的生产方法。

为实现上述目的，本发明所设计的改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，包括如下步骤：

1)将按预设成分冶炼完成的钢水进行连铸后形成连铸方坯；

2)连铸方坯通过连铸机扇形段的二次冷却区，控制连铸方坯表面温度冷却至500～800℃，冷却速率不大于200℃/m，确保连铸方坯中奥氏体组织晶界处已经有先共析铁素体或先共析渗碳体以连续线状或网状的形态析出；

3)将经过步骤2)的连铸方坯依次通过第一组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃、第一组若干个冷却段进行冷却至500～800℃、第二组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃、第二组若干个冷却段进行冷却至500～800℃、……、第n-1组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃、第n-1组若干个冷却段进行冷却至500～800℃、第n组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃；连铸方坯通过每组电磁感应线圈时均加热至1000℃以上，确保连铸方坯的组织全部奥氏体化；另外，相邻两组电磁感应线圈之间采用气雾冷却连铸方坯至500～800℃，将细化后的奥氏体转变为铁素体或珠光体，之后可以多次采用电磁感应线圈加热和气雾冷却连铸方坯，使连铸方坯组织反复多次发生奥氏体→铁素体→奥氏体(即γ→α→γ)相变循环时细化奥氏体，不断改善原铸态组织之间的均匀性；

4)将经过步骤3)的连铸方坯冷却至500～800℃后热送轧制生产线，或者将经过步骤3)的连铸方坯冷却至室温后库存。

进一步地，所述步骤1)中，连铸方坯的规格为：连铸方坯横断面边部尺寸为100～200mm。

进一步地，所述步骤3)中，每组电磁感应线圈总成包括依次沿输送方向布置的1～3个电磁感应线圈，每个电磁感应线圈的长度为500～2000mm，相邻两个电磁感应线圈之间的距离为100～1000mm，每个电磁感应线圈与连铸方坯表面之间的距离为10～300mm。

进一步地，所述步骤3)中，每个电磁感应线圈的电流强度500～10000A、加热频率50～5000Hz，连铸方坯通过每个电磁感应线圈的速度为0.1～2.0m/min，使连铸方坯有足够的时间升温至1000℃以上，从而确保连铸方坯组织全部奥氏体化。

进一步地，所述步骤3)中，每组若干个冷却段安装有多个气雾喷嘴，多个气雾喷嘴对连铸方坯的四个面进行冷却，且冷却水的比水量为0.2～0.8L/kg钢。

连铸方坯通过连铸机扇形段的二次冷却区后，按照定尺要求切割，在连铸方坯表面温度冷却到500～800℃时，采用电磁感应线圈加热至1000℃以上，将连铸方坯中的组织奥氏体化。此时，将铸态组织重新转化为奥氏体，新的奥氏体在晶界和延伸到晶体内部的铁素体或渗碳体处形核，跨越原奥氏体晶界生长(见附图4、图5和图6)，其尺寸小于原奥氏体，减少粗大铸态组织(铸坯内部的柱状晶和等轴晶)的尺寸。同时，利用电磁感应线圈加热时连铸方坯表面快速升温的特点，使周边的细小的等轴晶比较快地长大(见附图7和图8，图7中5为柱状晶区、6为等轴晶区，图8中7为粗大奥氏体区、8为细小奥氏体区)，减少连铸方坯内部柱状晶与等轴晶，以及与激冷层等轴晶的尺寸差异性。然后，在电磁感应线圈加热之间采用气雾冷却连铸方坯，再次缓慢冷却到500～800℃，将细化后的奥氏体转变为铁素体或珠光体。之后多次采用电磁感应线圈加热和气雾冷却连铸方坯，使连铸方坯组织反复多次发生奥氏体→铁素体→奥氏体(即γ→α→γ)相变循环时细化奥氏体，不断改善原铸态组织之间的均匀性。最后，可以将冷却到500～800℃的连铸方坯热送轧制生产线，也可以冷却到室温后库存。

本发明相关工作机理如下：

控制连铸方坯中粗大柱状晶的原理：

连铸方坯中的低倍组织由外向内由三个晶带组成：细小等轴晶带、柱状晶带、中心等轴晶带，对于一般的钢铁产品来讲钢铁铸坯塑性较差，这是因为相邻柱状晶的晶界比较平直，晶粒间彼此结合的不如等轴晶牢固，特别是沿不同方向延伸的柱状晶交接处往往出现脆弱界面。因此，在轧制时容易开裂。柱状晶在连铸方坯中也易产生内部裂纹，而等轴晶区没有明显的弱面，晶粒间搭扣得很牢固，因而热加工时不易开裂。等轴晶区在铸坯中也不易产生内部裂纹。一般情况下中心等轴晶粒较为粗大，若能人为将其细化，就将进一步提升产品综合力学性能与延展性。同时，可以扩大和细化中心等轴晶区。

连铸方坯中柱状晶是在连铸方坯出结晶器，进入二次冷却区的过程中逐步形成的。本发明减少或消除连铸方坯内部粗大铸态组织的方法就是连铸方坯中的钢液完全凝固后，在500～800℃范围，通过电磁感应线圈加热，将连铸方坯中的组织全部奥氏体化。由于电磁感应线圈加热是内源加热，加热速度快，导致奥氏体的形成速度比外热式加热快，可以控制奥氏体组织的异常长大。同时，新的奥氏体在铁素体或渗碳体晶界处形核，跨越原奥氏体晶界生长，其尺寸小于原奥氏体，减少粗大铸态组织(连铸方坯内部的柱状晶和等轴晶)的影响。也就是连铸方坯组织由奥氏体冷却到铁素体后再加热转变为新的奥氏体(即γ→α→γ)相变过程后，新的奥氏体尺寸细化了。

另外，利用电磁感应线圈加热时连铸方坯周边比内部升温快的特点，使周边的细小等轴晶长大，减少连铸方坯内部柱状晶与等轴晶，以及与激冷层等轴晶的尺寸差异性。

在连铸方坯冷却过程中，在冷却段安装气雾喷嘴，对连铸方坯的四个面进行冷却，冷却水的比水量：0.2～0.8L/kg钢。实验结果表明，在要求的比水量范围内可以获得较好的冷却效果，比水量值较低时，连铸方坯难以达到冷却效果，而较大的比水量值的冷却效果没有明显的增加。连铸方坯缓慢冷却到500～800℃，将细化后的奥氏体转变为铁素体或珠光体。之后可以多次采用电磁感应线圈加热和水雾冷却连铸方坯，反复多次γ→α→γ相变循环时细化奥氏体，不断改善原铸态组织之间的均匀性。

电磁感应线圈加热原理

电磁感应线圈加热是利用自加热和加热导体引起的高频磁场中产生的感应电流。磁场感应涡流原理，即通过线圈的电流产生磁场，在磁金属材料内的磁场会使金属体产生无数的小涡流(通过感应线圈交变磁场在电磁场中的金属物体中的作用，产生许多封闭的旋转电流的对象)，由于电流具有热效应，它会产生大量的内热，使金属材料本身高温加热。

对于连铸大方坯而言，感应加热属于电磁-热耦合的过程，电磁场和温度场相互影响，电磁规律都遵循麦克斯韦微分方程组，可表达为式(1)方程组：

式中：为拉普拉斯算子；D为电通密度，C/m²；ρ为电荷密度，C/m³；E为电场强度，V/m；B为磁感应强度，Wb/m²；H为磁场强度，A/m；j为电流密度矢量，A/m²；t为时间，s。

利于ANSYS软件中复矢量磁位势法求解电磁场，引入矢量磁矢A，矢量磁矢定义为：

代入式(1)的方程组，可以得到解交变磁场的有限元公式为：

[K+jωC]{A}＝{F} (3)

连铸方坯的感应加热过程中，温度场的变化是一个典型的有内热源三维非稳态导热过程。导热微分方程可表达为式(4)。

铸坯在感应器内部运行，属于具有不均匀内热源的非稳态导热过程，热源来自电涡流，即电磁场在铸坯内的功率损失，忽略铸坯轴向导热，则具有不均匀内热源的非稳态导热过程：

式中：T为温度，K；k为导热系数，W(/m·K)；q_v为内热源强度，W/m³；ρ_d为密度，kg/m³；c为比热容，J(/kg·K)。

铸坯在进感应器之前及感应器之间运行时，属于无内热源的非稳态导热过程，其内热源项：q_v＝0，温度场求解过程中，工件的热损失主要由热对流和热辐射引起。温度场的边界条件分析可表达为式(5)。

式中：k_x、k_y、k_z分别为x、y、z方向的导热系数，W(/m·K)；n_x、n_y、n_z分别为空间域三维的方向向量；α_c为对流换热系数，W(/m²·K)；α_r为热辐射系数，W(/m²·K)；T_α、T_s分别为工件外围环境温度和工件表面温度，K。

加热工艺对奥氏体晶粒尺寸的影响

(1)加热工艺对奥氏体晶粒尺寸的影响

随着加热温度的升高，奥氏体晶粒明显长大，晶界愈加清晰，出现平直化的倾向，但晶粒尺寸尚不均匀；温度较高时，晶粒长大。这主要是因为随着加热温度的升高，钢中碳化物和氮化物等第二相颗粒逐步溶解，奥氏体晶界缺少了第二相粒子的钉扎阻力，晶粒将逐渐长大，温度越高，晶粒长大驱动力随之增加，使晶粒长大速度急剧增加。按照钢铁材料奥氏体晶粒长大速率公式，不同温度同一保温时间下奥氏体晶粒的长大速率公式为：

式中：k为常数；Q为晶界移动激活能；R为气体常数；σ为界面能；T为温度；d为平均晶粒尺寸。根据公式(6)，奥氏体晶粒长大速率与晶粒尺寸成反比，与界面能成正比。即起始晶粒尺寸越小，界面能越大，晶粒的长大速率越大。与加热温度具有指数相关性，即升高加热温度，奥氏体晶粒尺寸将呈指数增加。

(2)保温时间对奥氏体晶粒尺寸的影响

在一定的温度下，较高的保温温度影响奥氏体晶粒长大的因素方面，加热温度占有主导地位。另外，增加保温时间，试验钢的晶粒尺寸将逐渐增加，且奥氏体晶粒尺寸的长大过程可分为加速长大期和平稳长大期，在保温初期，奥氏体晶粒迅速长大，随后晶粒长大趋于平缓，进入平稳长大期。由此可见，保温时间亦明显影响奥氏体晶粒尺寸。钢铁材料的晶粒尺寸与保温时间的数学关系可以用Beck方程描述：

d－d₀＝ktⁿ (7)

式中：d为保温t时的平均晶粒尺寸；d₀为初始平均晶粒尺寸；t为保温时间；k为常数；n为晶粒长大指数。公式(2)两边取自然对数，得ln(d－d₀)与lnt的关系式，以ln(d－d₀)与lnt两参量进行拟合可获得直线斜率n，即长大指数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)利于电磁感应线圈加热的升温速度快，与二火开坯工艺相比缩短了加热时间，节约了生产时间，同时并避免了粗大铸态组织在后工序中的进一步长大；与外热式加热比较，本发明利用连铸方坯的高温余热，节约坯料在在加热过程中所消耗的能源，为钢铁企业简化流程、节能减排，降低企业生产成本、提高市场竞争力；

2)减少或消除了连铸方坯中的粗大铸态组织(内部的柱状晶和等轴晶)对产品组织和性能的影响，同时使激冷层的细小等轴晶长大，提高了铸坯中组织的均匀性，更有利于最终产品的质量提升

3)充分利用连铸方坯缓慢冷却时在奥氏体晶界和延伸晶内处的先共析铁素体或先共析渗碳体，增加新奥氏体的形核，细化了晶粒的尺寸，为控制连铸坯中先共析相提供了全新的解决方案。

附图说明

图1为传统生产方法制备的连铸方坯横截面组织示意图；

图2为图1中连铸方坯局部组织示意图；

图3为图1中连铸方坯局部高温奥氏体组织示意图；

图4为本发明连铸方坯1200℃时奥氏体组织图；

图5为本发明冷却到600℃的奥氏体组织图；

图6为本发明感应加热到1200℃的奥氏体组织图；

图7为本发明连铸方坯边部组织示意图；

图8为本发明连铸方坯边部高温奥氏体组织示意图。

具体实施方式

通过控制低合金高强度桥索钢化学成分，控制热处理工艺参数，可以获得更细化更均匀的组织。下面结合附图、具体实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

表1为本发明各实施例和对比例的成分均相同，具体成分及重量百分比如表1，余量为铁；

表2为本发明各实施例和对比例电磁感应线圈加热过程工艺参数列表；

表3为本发明各实施例和对比例试验列表。

表1(wt，％)

C	Si	Mn	P	S	Cr	Nb+V	Ti	N	B
										1.01	0.96	0.65	0.008	0.007	0.35	0.61	0.010	0.010	0.0010

表2

表3

Claims (5)

1.一种改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，其特征在于：所述生产方法包括如下步骤：

1)将按预设成分冶炼完成的钢水进行连铸后形成连铸方坯；

2)连铸方坯通过连铸机扇形段的二次冷却区，控制连铸方坯表面温度冷却至500～800℃，冷却速率不大于200℃/m；

3)将经过步骤2)的连铸方坯依次通过第一组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃、第一组若干个冷却段进行冷却至500～800℃、第二组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃、第二组若干个冷却段进行冷却至500～800℃、……、第n-1组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃、第n-1组若干个冷却段进行冷却至500～800℃、第n组电磁感应线圈总成进行加热至1000～1450℃；

4)将经过步骤3)的连铸方坯冷却至500～800℃后热送轧制生产线，或者将经过步骤3)的连铸方坯冷却至室温后库存。

2.根据权利要求1所述改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，其特征在于：所述步骤1)中，连铸方坯的规格为：连铸方坯横断面边部尺寸为100～200mm。

3.根据权利要求1所述改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，每组电磁感应线圈总成包括依次沿输送方向布置的1～3个电磁感应线圈，每个电磁感应线圈的长度为500～2000mm，相邻两个电磁感应线圈之间的距离为100～1000mm，每个电磁感应线圈与连铸方坯表面之间的距离为10～300mm。

4.根据权利要求1所述改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，每个电磁感应线圈的电流强度500～10000A、加热频率50～5000Hz，连铸方坯通过每个电磁感应线圈的速度为0.1～2.0m/min。

5.根据权利要求1所述改善连铸方坯组织均匀性的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，每组若干个冷却段安装有多个气雾喷嘴，多个气雾喷嘴对连铸方坯的四个面进行冷却，且冷却水的比水量为0.2～0.8L/kg钢。