CN110541056B - 降低铸坯中心偏析的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低铸坯中心偏析的工艺方法，所述方法包括以下步骤：1)钢水纯净度和钢中夹杂物控制；2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制；该方法主要采用让铸坯先鼓肚后轻压下技术，提高轻压下技术的效果；通过钢水夹杂物控制从源头减少钢液凝固过程中选分结晶的杂质元素，不需增加任何设备和工艺步骤，满足高质量钢种的要求。

Description

降低铸坯中心偏析的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种方法，具体涉及降低铸坯中心偏析的工艺方法，属于冶金连铸技术领域。
背景技术
中心偏析是连铸坯的主要缺陷之一，它严重影响了钢材的性能，如焊接性能、拉拔性能等。如用来轧制成高性能线材、石油管线的高碳钢铸坯中常存在中心偏析缺陷，即使通过后步工序的轧制或锻造，也难以消除其对最终产品性能的不利影响，导致产品力学性能恶化。因此，中心偏析缺陷是实际生产中提高高碳钢及合金钢连铸坯质量的技术难题，限制了一些对中心偏析有特殊要求的高质量、高附加值钢种的开发与应用，如何有效地控制铸坯中心偏析是冶金工作者一直追求的目标。
铸坯中心线偏析主要是由铸坯凝固时的选分结晶及凝固收缩造成的富集溶质液相的流动形成的。换句话说只要有凝固就有偏析，铸坯中心线偏析只能减轻无法彻底消除。目前，铸坯轻压下技术是控制减轻该缺陷的一种有效的措施之一，但该技术对中心偏析的控制减轻效果有限，无法满足很多对中心偏析有特殊要求的高质量、高附加值钢种的质量要求，因此如何有效地控制铸坯中心偏析满足钢种的质量要求，一直是国内外连铸届的普遍难题。
经过搜索相似文件，专利公开号CN101934357B《一种有效控制连铸板坯中心偏析的工艺》，其特征在于通过控制轻压下段液压缸的压力值、铸坯冷却水量，钢水过热度、拉速等工艺参数以保证有效实施轻压下的有效长度。专利公开号CN102310178A《一种解决铸坯中心偏析的方法》：其特征在于通过钢水过热度控制、上钢S含量控制、连铸结晶器喂丝控制、连铸拉速控制、连铸二冷制度控制、铸坯堆冷控制等工艺优化改善铸坯凝固过程中由于选分结晶的原因富集溶质元素钢液被封闭而不能与其它液体交换而形成C、S、Mn等元素的中心偏析。因此迫切需要一种新的技术方案解决该技术难题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种降低铸坯中心偏析的工艺方法，该方法主要采用让铸坯先鼓肚后轻压下技术，提高轻压下技术的效果；通过钢水夹杂物控制从源头减少钢液凝固过程中选分结晶的杂质元素。本发明的运用使得轻压下技术效果显著提高，铸坯中心偏析满足质量要求，而传统工艺不具备；本发明不需要增加任何设备和工艺步骤且铸坯中心偏析水平显著减低，满足高质量要求，提升高附加值品种钢生产开发能力和获得显著经济效益。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种降低铸坯中心偏析的工艺方法，所述方法包括以下步骤：
1）钢水纯净度和钢中夹杂物控制；
2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制。
作为本发明的一种改进，所述步骤1）钢水纯净度和钢中夹杂物控制，具体如下，插入混实际生产过程中，主要通过以下步骤，来提高钢水的纯净度，减少钢中夹杂物的含量；
11）转炉终点控制：转炉采用高拉碳终点控制，出钢碳含量低碳钢﹥0.04%，中高碳钢﹥0.10%，控制钢水终点自由氧＜700ppm；转炉出钢采用下渣检测和滑板挡渣技术，控制转炉钢水下渣＜2千克/吨；
12）二次精炼控制：LF炉造白渣脱氧脱硫，精炼渣碱度﹥4.0；精炼钢水搅拌采用底吹氩弱搅拌，底吹氩气量大小以钢包中渣面轻微晃动但钢水不裸露为原则，要求底吹氩流量在40-70m3\h之间；
13）连铸保护浇注和稳态浇注控制：连铸做好钢水保护浇注，控制钢水增氮＜3ppm，钢水酸溶铝烧损＜5ppm；连铸做好稳态保护浇注，控制塞棒氩气流量2-4l/min，上水口氩气＜2l/min，结晶器内钢水液面流速在0.05-0.10m/s之间；
14）最终需控制铸坯全氧含量小于15ppm，钢水P含量小于0.010%、S量小于0.005%，氮含量＜35ppm，从源头减少钢液凝固过程中选分结晶的杂质及易偏析元素含量，从而减轻中心偏析的程度。
作为本发明的一种改进，所述步骤2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制，具体步骤如下：21）压下前坯壳鼓肚，
压下前坯壳鼓肚是人为让压下扇形段的前一个扇形段辊缝增大0.2-0.5mm，由于铸坯压下辊缝值最大，带液芯的坯壳在高温下自然发生相应的轻微鼓肚（辊缝值增加过小，铸坯鼓肚不够；辊缝值增加过大，导致铸坯鼓肚过大，引起铸坯皮下裂纹。
带有液芯的铸坯鼓肚后，随着铸坯的运行，然后压下压下扇形段对鼓肚的铸坯进行压下，从而对铸坯压下位置（铸坯液芯末端附近）产生更大的压下量来补偿铸坯凝固的收缩量，消除或减少铸坯凝固收缩形成的内部空隙，让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在原来的位置，防止向铸坯中心横向移动形成偏析，同时轻压下更大的压下作用使液芯钢液沿拉坯的反向流动，使中心钢液重新分配，从而使中心凝固组织更加致密，成分更加均匀，起到降低中心偏析和改善中心疏松的作用。
作为本发明的一种改进，所述步骤2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制，还包括如下步骤：22）靠前大压下，首先压下位置要适当靠前，压下位置须位于铸坯临界补缩与铸坯临界流动固相率之间，即铸坯芯部凝固液相剩余率40%-60%之间，其次压下量要足够大，以工艺上铸坯不由此产生内部裂纹和设备上压下量能够实现为原则，板坯连铸总压下量6~12mm，铸坯厚度越大，压下量越大，总压下量分配在2-3个扇形段之间，总压下量在压下扇形段之间非均匀分配，3个扇形段压下时压下量分配原则为20%、50%、30%；2个扇形段压下时压下量分配原则为30%、70%。铸坯凝固过程中靠前大压下能够对富集溶质的凝固前沿加强对流和搅拌、促进枝晶脱落和重熔、增加结晶核心和凝固过冷度，促进最后凝固的中心区域组织和成分均匀，从而得到减轻中心偏析的效果；此外，较大的压下量还可以补偿凝固末期残余钢水的体积收缩、加强铸坯的补缩充填能力，因而可减轻中心疏松程度，并可能促进中心线裂纹的焊合，达到增加铸坯的中心致密度的效果。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：1)压下前坯壳鼓肚让铸坯轻微鼓肚再实施轻压下，相当于进一步加剧钢水的宏观流动，增大压下量，提高压下效率，从而使中心凝固组织更加致密，成分更加均匀，起到降低中心偏析和改善中心疏松的作用；2)靠前大压下，压下区间提前，增大压下量，有利于消除或减少铸坯凝固收缩形成的内部空隙，防止向铸坯中心横向移动形成偏析。3）减少钢水夹杂物，提高钢水纯净度，有利于从源头上减少偏析物质，从而减轻偏析程度。采用本发明的工艺方法生产的高性能工模具钢、石油管线等高质量要求铸坯，中心偏析级别达到A级（最好等级）80%以上，中心偏析B1.0以上级别符合率100%，完全满足用户质量要求。
附图说明
图1 坯壳鼓肚和压下装置示意图；
图2 压下前坯壳鼓肚原理示意图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明做详细的说明。
实施例1：参见图1、图2，一种降低铸坯中心偏析的工艺方法，所述方法包括以下步骤：
1）钢水纯净度和钢中夹杂物控制；
根据铸坯芯部空穴抽吸理论：铸坯在凝固末期，液相转变为固相，体积收缩，在铸坯中心区域产生一定的空穴；铸坯发生鼓肚使其芯部的空穴具有负压，致使枝晶间富集了溶质元素的钢液被吸人芯部，造成中心偏析。此外由于溶质元素在液态和固态中的溶解度不同，凝固过程中选分结晶产生了偏析。偏析是凝固过程中必然产生的一种现象，但是可以通过设备、工艺等的改进，控制偏析程度。
因此在连铸钢水的凝固过程中，由于钢液凝固体积收缩，在铸坯芯部产生空穴抽吸，致使枝晶间富集了杂质元素的钢液被吸人芯部，和钢液的选分结晶现象不可避免的凝固规律，可知通过提高钢液村精度，减少易偏析杂质元素(如S、P、O)的含量，一定程度上可以减轻铸坯中心偏析程度。
实际生产过程中，主要通过以下技术，来提高钢水的纯净度，减少钢中夹杂物的含量。
11）转炉终点控制：转炉采用高拉碳终点控制，出钢碳含量低碳钢﹥0.04%，中高碳钢﹥0.10%，控制钢水终点自由氧＜700ppm；转炉出钢采用下渣检测和滑板挡渣技术，控制转炉钢水下渣＜2千克/吨。
12）二次精炼控制：LF炉造白渣脱氧脱硫，精炼渣碱度﹥4.0；精炼钢水搅拌采用底吹氩弱搅拌，底吹氩气量大小以钢包中渣面轻微晃动但钢水不裸露为原则，要求底吹氩流量在40-70m3\h之间。
13）连铸保护浇注和稳态浇注控制：连铸做好钢水保护浇注，控制钢水增氮＜3ppm，钢水酸溶铝烧损＜5ppm；连铸做好稳态保护浇注，控制塞棒氩气流量2-4l/min，上水口氩气＜2l/min，结晶器内钢水液面流速在0.05-0.10m/s之间。
14）最终需控制铸坯全氧含量小于15ppm，钢水P含量小于0.010%、S量小于0.005%，氮含量＜35ppm，从源头减少钢液凝固过程中选分结晶的杂质及易偏析元素含量，从而减轻中心偏析的程度。
2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制；
由铸坯中心偏析形成机理可知，抑制凝固末端枝晶间富集杂质残余母液的流动，可以有效改善铸坯的中心偏析。相应的控制技术主要有：机械轻压下、热轻压下、连续锻压、静磁场技术等，本发明专利采用的是压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制技术，技术要点如下：
21）压下前坯壳鼓肚；
压下前坯壳鼓肚是人为让压下扇形段的前一个扇形段辊缝增大0.2-0.5mm，由于铸坯压下辊缝值最大，带液芯的坯壳在高温下自然发生相应的轻微鼓肚（辊缝值增加过小，铸坯鼓肚不够；辊缝值增加过大，导致铸坯鼓肚过大，引起铸坯皮下裂纹）。
带有液芯的铸坯鼓肚后，随着铸坯的运行，然后压下压下扇形段对鼓肚的铸坯进行压下，从而对铸坯压下位置（铸坯液芯末端附近）产生更大的压下量来补偿铸坯凝固的收缩量，消除或减少铸坯凝固收缩形成的内部空隙，让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在原来的位置，防止向铸坯中心横向移动形成偏析，同时轻压下更大的压下作用使液芯钢液沿拉坯的反向流动，使中心钢液重新分配，从而使中心凝固组织更加致密，成分更加均匀，起到降低中心偏析和改善中心疏松的作用。
22）靠前大压下；
靠前大压下技术，首先压下位置要适当靠前，压下位置须位于铸坯临界补缩与铸坯临界流动固相率之间，即铸坯芯部凝固液相剩余率40%-60%之间。
其次压下量要足够大，以工艺上铸坯不由此产生内部裂纹和设备上压下量能够实现为原则。板坯连铸总压下量6~12mm（铸坯厚度越大，压下量越大）。总压下量分配在2-3个扇形段之间，总压下量在压下扇形段之间非均匀分配，3个扇形段压下时压下量分配原则为20%、50%、30%；2个扇形段压下时压下量分配原则为30%、70%。
铸坯凝固过程中靠前大压下能够对富集溶质的凝固前沿加强对流和搅拌、促进枝晶脱落和重熔、增加结晶核心和凝固过冷度，促进最后凝固的中心区域组织和成分均匀，从而得到减轻中心偏析的效果；此外，较大的压下量还可以补偿凝固末期残余钢水的体积收缩、加强铸坯的补缩充填能力，因而可减轻中心疏松程度，并可能促进中心线裂纹的焊合，达到增加铸坯的中心致密度的效果。
应用实施例1：我厂生产机械结构用的高碳高强时，具体的工艺如下。
钢水冶炼时加强钢水脱氧控制、钢水精炼控制、钢包下渣控制及全过程保护浇注，控制铸坯全氧含量小于25ppm，钢水P含量小于0.010%、S量小于0.005%，促进钢水中夹杂物充分上浮，提高钢水纯净度。
钢水浇铸过程同原有的浇铸过程，但铸坯压下工艺和压下前铸机辊缝调整如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
首先压下位置要适当靠前，压下位置须位于铸坯临界补缩与铸坯临界流动固相率之间，即铸坯芯部凝固液相剩余率40%-60%之间。
Figure 741558DEST_PATH_IMAGE002
其次压下量要足够大，以工艺上铸坯不由此产生内部裂纹和设备上压下量能够实现为原则。对于我厂的230mm厚*1650宽的常规板坯连铸，总压下量10mm，分3个扇形段压下，每个扇形段的压下量依次为2mm、5mm、3mm。
压下前坯壳鼓肚，操作方法是人为让压下前一个扇形段的辊缝值增大0.2-0.5mm，让带有液芯的铸坯鼓肚，随着铸坯的运行，然后压下扇形段对鼓肚的铸坯进行轻压下，相当于进一步加剧钢水的宏观流动，增大压下量，提高压下效率，从而使中心凝固组织更加致密，成分更加均匀，起到降低中心偏析和改善中心疏松的作用。
应用实施例2，我厂生产高强高扩孔钢590DP时，为验证钢水纯净度对中心偏析的影响，共生产6炉钢，前3炉采用全脱氧工艺，钢水纯净度高，钢中夹杂物少；后3炉采用半脱氧工艺，钢水纯净度差，钢中夹杂物多，其余同实施例1。铸坯低倍分析结果表明：采用B全脱氧工艺时（钢中夹杂物含量少），铸坯中心偏析明显好于A半脱氧工艺（钢中夹杂物含量多）。
应用实施例3，我厂生产超高碳钢75Cr时，为减低板坯中心偏析级别，采用压下前坯壳鼓肚和靠前大压下工艺，大压下位置在铸机的4号、5号、6号扇形段，总压下量10mm ,其中4号扇形段压下2mm，5号扇形段压下5mm，,6号扇形段压下3mm。压下前的3号扇形段开口度即辊缝人为增大0.3mm,其余同实施例1。铸坯低倍分析结果表明：板坯中心偏析B1.0以上级别符合率100%，完全满足质量要求。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (1)

1.一种降低铸坯中心偏析的工艺方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）钢水纯净度和钢中夹杂物控制；
2)压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制；
所述步骤1）钢水纯净度和钢中夹杂物控制，具体如下，实际生产过程中，主要通过以下步骤，来提高钢水的纯净度，减少钢中夹杂物的含量；
11）转炉终点控制：转炉采用高拉碳终点控制，出钢碳含量低碳钢﹥0.04%，中高碳钢﹥0.10%，控制钢水终点自由氧＜700ppm；转炉出钢采用下渣检测和滑板挡渣技术，控制转炉钢水下渣＜2千克/吨；
12）二次精炼控制：LF炉造白渣脱氧脱硫，精炼渣碱度﹥4.0；精炼钢水搅拌采用底吹氩弱搅拌，底吹氩气量大小以钢包中渣面轻微晃动但钢水不裸露为原则，要求底吹氩流量在40-70m3/ h之间；
13）连铸保护浇注和稳态浇注控制：连铸做好钢水保护浇注，控制钢水增氮＜3ppm，钢水酸溶铝烧损＜5ppm；连铸做好稳态保护浇注，控制塞棒氩气流量2-4L/min，上水口氩气＜2L /min，结晶器内钢水液面流速在0.05-0.10m/s之间；
14）最终需控制铸坯全氧含量小于15ppm，钢水P含量小于0.010%、S含量小于0.005%，氮含量＜35ppm，从源头减少钢液凝固过程中选分结晶的杂质及易偏析元素含量，从而减轻中心偏析的程度；
所述步骤2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制，具体步骤如下：21）压下前坯壳鼓肚，压下前坯壳鼓肚是人为让压下扇形段的前一个扇形段辊缝增大0.2-0.5mm，带有液芯的铸坯鼓肚后，随着铸坯的运行，然后压下扇形段,对鼓肚的铸坯进行压下，从而对铸坯压下位置即铸坯液芯末端附近产生更大的压下量来补偿铸坯凝固的收缩量，消除或减少铸坯凝固收缩形成的内部空隙，让枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在原来的位置，防止向铸坯中心横向移动形成偏析，同时轻压下更大的压下作用使液芯钢液沿拉坯的反向流动，使中心钢液重新分配，从而使中心凝固组织更加致密，成分更加均匀，起到降低中心偏析和改善中心疏松的作用，所述步骤2）压下前坯壳鼓肚和靠前大压下控制，还包括如下步骤：22）靠前大压下，首先压下位置要适当靠前，压下位置须位于铸坯临界补缩与铸坯临界流动固相率之间，即铸坯芯部凝固液相剩余率40%-60%之间，其次压下量要足够大，以工艺上铸坯不由此产生内部裂纹和设备上压下量能够实现为原则，板坯连铸总压下量6~12mm，铸坯厚度越大，压下量越大，总压下量分配在2-3个扇形段之间，总压下量在压下扇形段之间非均匀分配，3个扇形段压下时压下量分配原则为20%、50%、30%；2个扇形段压下时压下量分配原则为30%、70%。
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