CN110303125A - 大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法 - Google Patents

大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是钢铁冶金领域的一种大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，着重在连铸阶段的连铸电磁搅拌采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；中包浇铸钢液过热度按35～45℃执行；连铸二冷阶段需要二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；凝固末端压下时总压下量按8～10mm执行。采用本工艺使得铸坯凝固组织组成得到改善控制，等轴晶区晶粒形态改变，凝固组织及成分均匀性改善显著，再配合合理的凝固末端压下技术，只需很小的压下量就能减小中心疏松，显著提高铸坯的致密性，从而在最经济实惠的条件下实现铸坯均质性和致密性的协同提升。

Description

大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，尤其涉及一种大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法。
背景技术
钢轨是铁路轨道的主要组成部件，在铁路运输过程中，对机车提供有效支撑及引导，需承受来自车轮的巨大垂向压力。基于我国基础建设发展需求，铁路运输正以迅猛的速度发展，并不断趋于高速化、重载化。这无疑对钢轨质量提出了更加严苛的要求。钢轨质量的提升在一定程度上体现于钢质本身质量控制水平，如高均质性、高洁净、高成分精度。其中钢轨的均质性(偏析程度越小，钢轨均质性越高)影响钢材组织的均匀性，严重的偏析会影响钢轨母材及钢轨的焊接性能，进而影响钢轨服役及使用。
在冶金行业内，大量的专家学者对铸坯偏析进行了详细研究，研究指出：钢液凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的再分配形成了铸坯化学成分的不均匀。同时，研究指出，钢液凝固过程中，从液体中先后结晶出来的固相成分不同，结果使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。此外，研究发现铸坯偏析的演变分布与凝固组织组成分布呈现显著对应关系；研究发现，等轴晶之所以改善中心偏析是由于密集的等轴晶晶粒将原本集中于中心的较大面积的正偏析区域进行划分，划分以后在相同的检测尺度条件下等轴晶较发达的铸坯由于检测样品中的晶粒(负偏析)占比增多，故正偏析值降低。但是随着研究的深入，发现当检测尺度小到一定程度，等轴晶晶粒间的正偏析明显，且等轴晶面积比例越大，弥散偏析分布越广，越严重。由此，认为提高等轴晶率并没有从根本上均匀钢质，而是将原本集中的正偏析钢液进行划分，弥散化细小化分布，结果造成严重的弥散偏析。
为提高钢质均质性及致密度水平，降低钢质偏析及疏松程度，广大冶金工作者开展了大量研究，但大部分文献都只研究了某些特定的工艺参数与特定尺寸的钢轨的单个特性之间的关系，而没有综合分析如何对大方坯重轨钢均质性与致密性进行协同提升，导致目前大方坯重轨钢很多只是单个特性较好，弥散偏析区域较大，综合性能不足等问题。
发明内容
为克服现有大方坯重轨钢弥散偏析区域较大，致密性低等不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种可协同提升大方坯重轨钢均质性与致密性，减小弥散偏析区域和中心疏松的控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，包括依次进行以下工艺，转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空、连铸、加热和轧制，在连铸阶段采用以下步骤进行控制：
a、连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为30×10-4～40×10-4T；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0～8.0Hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为350×10-4～400×10-4T；
b、中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按35～45℃执行；
c、连铸二冷：采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.33～0.35L/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；
d、凝固末端压下：凝固末端采用轻压下模式，总压下量按8～10mm执行。
进一步的是，所述大方坯重轨钢的断面为280mm×380mm，适用于至少包括U71Mn、U78CrV和U75V品种的重轨钢生产。
进一步的是，连铸过程中连铸拉速按0.67～0.70m/min进行配合，拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
进一步的是，在进行凝固末端压下时，采用6组压下辊进行，各组压下量控制在0mm、1.5～1.7mm、1.2～1.3mm、2.0～3.0mm、2～2.3mm、1.0～1.5mm。
本发明的有益效果是：针对大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升的控制要求，通过采用结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌的装备工艺，并综合设计研究特定搅拌位置及区域，进一步匹配与之合适的搅拌工艺参数以及精确控制连铸阶段的过热度和二冷参数，通过精确执行本发明的技术体系中涉及的各项工艺技术参数，使得大方坯重轨钢铸坯局部凝固速率得到改善控制，柱状晶较为发达，晶杆细而致密，等轴晶晶粒形态改变，晶杆细而致密且清晰，二次枝晶臂间距减小，钢轨凝固组织过渡平缓，凝固组织及成分均匀性改善显著，实现了大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
本申请中所述大方坯重轨钢指的是断面为280mm×380mm的方坯，可适用于生成U71Mn、U78CrV或U75V型号的重型钢轨。
目前重轨钢常规生产工艺虽趋于成熟，但与世界一流企业存在明显质量差距，随着钢轨服役环境条件日趋严苛且多样复杂化，钢轨性能要求愈发苛刻，跟钢轨均质性及凝固组织精细化控制相关的系列问题逐渐暴露，本发明针对大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制的需要，提供科学合理且切实有效的技术体系，涉及关键装备配备及配套工艺制度体系，在此基础上研究制定与质量控制需求相匹配的技术参数体系。本发明的大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，包括依次进行以下工艺，转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空、连铸、加热和轧制，主要改进点在连铸阶段，在连铸阶段采用以下步骤进行控制：
a、连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为30×10-4～40×10-4T；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0～8.0Hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为350×10-4～400×10-4T；
b、中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按35～45℃执行；
c、连铸二冷：采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.33～0.35L/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；
d、凝固末端压下：凝固末端采用轻压下模式，总压下量按8～10mm执行。
钢轨生产的整个工艺过程已经是比较成熟的了，主要区别在于工艺过程中的关键装备配备、关键工艺制度及工艺参数控制上。本申请系统研究并制定了系列装备工艺制度及工艺参数，包括：连铸电磁搅拌特定搅拌位置(区域)，进一步匹配与合适的搅拌工艺参数，主要为搅拌磁场强度、电流频率；研究连铸过程铸坯液心分布以匹配适宜的二冷区域覆盖；此外研究匹配以适宜过热度、二冷比水量等参数，以实现大方坯重轨钢铸坯凝固组织生长演变过程控制；研究匹配科学压下工艺制度以实现超大断面重轨钢铸坯中心疏松控制，具体采用6组压下辊进行，各组压下量控制在0mm、1.5～1.7mm、1.2～1.3mm、2.0～3.0mm、2～2.3mm、1.0～1.5mm。
本申请通过精细调配适宜的磁场强度、电流频率、过热度、二冷比水量和凝固末端压下等工艺控制参数，根据大量试验对比，按照该参数进行控制，凝固组织及成分均匀性改善显著，能很大程度上减小弥散偏析区域和中心疏松，达到均质性与致密性协同提高的目的。
除了上述核心技术外，要达到更好的连铸效果，还需要连铸拉速的配合控制，具体为，连铸过程中连铸拉速按0.67～0.70m/min进行配合，拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
下面通过三个具体实施例进一步说明。
实施例1
国内某钢厂采用本发明技术生产U71Mn系列重轨钢，轧制轨型为60kg/m。本发明关键技术点实际工艺执行情况为：(1)连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为35×10-4T；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为8.0Hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为350×10-4T的二冷电磁搅拌；(2)中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按41～45℃执行；(3)连铸二冷：本发明采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.33L/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；(4)凝固末端轻压下，总压下量8.0～9.0mm。
协同配合的连铸拉速按0.68～0.69m/min进行配合，连铸过程实际拉速控制波动极差值≤0.02m/min。压下起始于2#拉矫机，终止于6#拉矫机，各组压下辊实际压下量分别为：1.7mm、1.3mm、2.0～3.0mm、2mm、1.0mm。
对试验铸坯进行凝固组织检验，从铸坯窄面向铸坯中心方向，铸坯柱状晶截止于距离窄面83～88mm，等轴晶区晶粒形态发生改变(常规条件下等轴晶晶粒呈短而粗的形态，晶杆呈团簇状，晶杆不清晰)，等轴晶区晶粒呈细小状，晶粒的晶杆清晰，二次枝晶臂间距小，晶杆组织细而致密；对钢轨进行凝固组织腐蚀检验，凝固组织晶杆清晰，凝固组织过渡平缓(常规条件下，大方坯重轨钢铸坯凝固组织分区明显，呈激冷层——柱状晶——混晶——等轴晶分布)。对铸坯进行5mm钻头钻样偏析化学检验，C元素偏析度演变过渡平缓，无较大幅度的“负—正—负—正”偏析交替；对采用本技术发明生产的重轨钢铸坯轧制成钢轨，对钢轨轨高方向进行切片光谱直读检验及低倍检验，钢轨C元素偏析度极差控制在0.04～0.05，中心偏析线长度之和为4～7mm，单根偏析线长度为2～4mm；轨腰致密度大于0.926(1.0为绝对致密)。
实施例2
国内某钢厂采用本发明技术生产U78CrV系列重轨钢，轧制轨型为75kg/m。本发明关键技术点实际工艺执行情况为：(1)连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为40×10-4T；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0Hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为375×10-4T的二冷电磁搅拌。(2)中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按38～42℃执行。(3)连铸二冷：本发明采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.34L/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m。(4)凝固末端轻压下，总压下量8.5～9.5mm。
协同配合的连铸拉速按0.67～0.68m/min进行配合，连铸过程实际拉速控制波动极差值≤0.02m/min。压下起始于2#拉矫机，终止于6#拉矫机，各组压下辊实际压下量分别为：1.5mm、1.2mm、2.0～3.0mm、2.3mm、1.5mm。
对试验铸坯进行凝固组织检验，从铸坯窄面向铸坯中心方向，铸坯柱状晶截止于距离窄面84～89mm，等轴晶区晶粒形态发生改变(常规条件下等轴晶晶粒呈短而粗的形态，晶杆呈团簇状，晶杆不清晰)，等轴晶区晶粒呈细小状，晶粒的晶杆清晰，二次枝晶臂间距小，晶杆组织细而致密；对钢轨进行凝固组织腐蚀检验，凝固组织晶杆清晰，凝固组织过渡平缓(常规条件下，大方坯重轨钢铸坯凝固组织分区明显，呈激冷层——柱状晶——混晶——等轴晶分布)。对铸坯进行5mm钻头钻样偏析化学检验，C元素偏析度演变过渡平缓，无较大幅度的“负—正—负—正”偏析交替；对采用本技术发明生产的重轨钢铸坯轧制成钢轨，对钢轨轨高方向进行切片光谱直读检验及低倍检验，钢轨C元素偏析度极差控制在0.03～0.06，中心偏析线长度之和为4～8mm，单根偏析线长度为1～4mm；轨腰致密度大于0.93(1.0为绝对致密)。
实施例3
国内某钢厂采用本发明技术生产U75V系列重轨钢，轧制轨型为60kg/m。本发明关键技术点实际工艺执行情况为：(1)连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为30×10-4T；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为7.0Hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为400×10-4T的二冷电磁搅拌。(2)中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按35～39℃执行。(3)连铸二冷：本发明采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.35L/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m。(4)凝固末端轻压下，总压下量9.0～10.0mm。
此外，协同配合的连铸拉速按0.68～0.70m/min进行配合，连铸过程实际拉速控制波动极差值≤0.02m/min。压下起始于2#拉矫机，终止于6#拉矫机，各组压下辊实际压下量分别为：1.5mm、1.2mm、2.5～3.5mm、2.0mm、1.8mm。
对试验铸坯进行凝固组织检验，从铸坯窄面向铸坯中心方向，铸坯柱状晶截止于距离窄面83～86mm，等轴晶区晶粒形态发生改变(常规条件下等轴晶晶粒呈短而粗的形态，晶杆呈团簇状，晶杆不清晰)，等轴晶区晶粒呈细小状，晶粒的晶杆清晰，二次枝晶臂间距小，晶杆组织细而致密；对钢轨进行凝固组织腐蚀检验，凝固组织晶杆清晰，凝固组织过渡平缓(常规条件下，大方坯重轨钢铸坯凝固组织分区明显，呈激冷层——柱状晶——混晶——等轴晶分布)。对铸坯进行5mm钻头钻样偏析化学检验，C元素偏析度演变过渡平缓，无较大幅度的“负—正—负—正”偏析交替；对采用本技术发明生产的重轨钢铸坯轧制成钢轨，对钢轨轨高方向进行切片光谱直读检验及低倍检验，钢轨C元素偏析度极差控制在0.03～0.05，中心偏析线长度之和为4～8mm，单根偏析线长度为2～4mm；轨腰致密度大于0.934(1.0为绝对致密)。
上述实施例说明采用本发明技术生产的重轨钢，铸坯凝固组织组成得到改善控制，柱状晶较为发达，晶杆细而致密，等轴晶晶粒形态改变，晶杆细而致密且清晰，二次枝晶臂间距减小；钢轨凝固组织过渡平缓，凝固组织及成分均匀性改善显著，实现了大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制。

Claims (4)

1.大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，包括依次进行以下工艺，转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空、连铸、加热和轧制，其特征是，在连铸阶段采用以下步骤进行控制：
a、连铸电磁搅拌：采用连铸结晶器电磁搅拌结合二冷电磁搅拌，其中二冷电磁搅拌具体安装位置为距离结晶器钢液面5.0～6.0m区间；结晶器电磁搅拌采用轻微搅拌，搅拌磁场强度为30×10-4～40×10-4T；二冷电磁搅拌的搅拌电流频率为6.0～8.0Hz，通过调节电流强度以控制搅拌磁场强度为350×10-4～400×10-4T；
b、中包浇铸钢液过热度：连铸过程中包钢液采用高过热度工艺浇铸，过热度控制具体按35～45℃执行；
c、连铸二冷：采用的二冷强度为强冷，具体冷却水量按比水量0.33～0.35L/kg钢执行，二冷区域覆盖至距离结晶器钢液面15.0m；
d、凝固末端压下：凝固末端采用轻压下模式，总压下量按8～10mm执行。
2.如权利要求1所述的大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，其特征是：所述大方坯重轨钢的断面为280mm×380mm，适用于至少包括U71Mn、U78CrV和U75V品种的重轨钢生产。
3.如权利要求1所述的大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，其特征是：连铸过程中连铸拉速按0.67～0.70m/min进行配合，拉速控制波动极差值≤0.02m/min。
4.如权利要求1所述的大方坯重轨钢均质性与致密性协同提升控制方法，其特征是：在进行凝固末端压下时，采用6组压下辊进行，各组压下量控制在0mm、1.5～1.7mm、1.2～1.3mm、2.0～3.0mm、2～2.3mm、1.0～1.5mm。
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