CN113145816A - 一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法 - Google Patents

一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，包括以下步骤：A)将铁水进行预处理后脱硫、扒渣，再进行转炉冶炼；B)将步骤A)得到的中碳钢钢水依次进行氩站或LF精炼后，进行连铸浇注；在所述连铸的过程中，建立均衡冷却技术的目标表面温度控制工艺参数；在不同拉速下，计算不同拉速下的压下区间，确定压下区间长度以及压下扇形段的辊子数目；根据受力分析，制定不同拉速下的采用不同压下量的自动轻压下工艺。本发明提供了减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，其解决中碳钢在不同拉速下铸坯的凝固组织和成分偏析差异性、轧材带状组、中心碳偏析、低温冲击性能不合等铸、轧材遗传性质量问题，提升了产品的机械性能和使用性能。

Description

一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金、金属材料技术领域，尤其涉及一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法。
背景技术
中碳钢是生产大型工程结构、大型机械承重、工具以及工艺用钢的重要原料，对钢的成分、金相组织、力学性能有很严苛的要求。但铸坯的一些内质缺陷一旦形成，很难通过轧钢和热处理消除，比如：轧材的中心成分偏析、带状组织受铸坯的凝固组织遗传性影响，最终恶化金属材料的加工性能和使用寿命。随着用户对产品的质量要求日益提高，如何解决连铸生产过程中铸坯的偏析指数大和异常组织是限制中碳钢质量进一步提升的瓶颈环节。
20世纪90年代，国外采用连铸结晶器电磁搅拌、二冷电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、动态轻压下等技术控制手段；21世纪初，国内中冶赛迪、中冶连铸、中冶京城等也推出了具备动态轻压下控制的设备和控制模型，但对轻压下工艺的研究和实践不足，不能满足现场实际情况；在已有的相关专利文献中公开了轻压下的工艺、设备以及针对不同钢种、规格制定不同的压下工艺参数范围，但在实际生产过程中，铸机拉速是影响凝固进程最重要的因素，在高拉速下仍然存在铸坯偏析指数大，带状组织、低温冲击功不良等问题。
现有技术中，采用电磁搅拌，在连铸二冷区或二冷末端固定的位置设置电磁搅拌装置，改善铸坯的凝固组织，但铸坯会产生“白亮带”，成分负偏析，并且不能根据连铸过程拉速的变化改变电磁搅拌的位置；或，采用动态轻压下技术，如：国内各大钢铁企业(宝钢、南钢、鞍、本钢等)，都是在同一类钢种下采用固定的压下量(如宝钢压下4.3mm，本钢压下7.2mm)，根据拉速的变化，动态控制压下位置的技术控制手段，但随着连铸拉速的不断提高，采用相同的压下量，在高拉速时的压下效率降低，控制板坯中心成分偏析指数的效果降低，同时影响钢的金相组织和机械性能。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，具体是减轻中碳钢成分偏析指数、带状组织和低温冲击热性。
有鉴于此，本申请提供了一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，包括以下步骤：
A)将铁水进行预处理后脱硫、扒渣，再进行转炉冶炼；
B)将步骤A)得到的中碳钢钢水依次进行氩站或LF精炼后，进行连铸浇注；
在所述连铸的过程中，建立均衡冷却技术的目标表面温度控制工艺参数，并控制中间包过热度；
在不同拉速下，基于稳定压下率的板坯连铸动态轻压下自动控制工艺，根据计算的铸坯的温度分布，计算不同拉速下的压下区间，确定压下区间长度以及压下扇形段的辊子数目；
根据铸坯凝固历程和温度分布计算连铸各辊处的鼓肚、弯曲矫直、位错应变，根据受力分析，制定不同拉速下的采用不同压下量的自动轻压下工艺。
优选的，所述均衡冷却技术的目标表面温度具体为：1区的温度为1060℃，2区的温度为1030℃，3区的温度为1015℃，4区的温度为1000℃，5区的温度为1000℃，6区的温度为990℃，7区的温度为990℃，8区的温度为980℃，9区的温度为980℃。
优选的，在1.0m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为2600mm，辊子数目为10；在1.2m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3200mm，辊子数目为10；在1.3m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3600mm，辊子数目为12；在1.4m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3900mm，辊子数目为13；在1.5m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为4200mm，辊子数目为14；在1.6m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为4400mm，辊子数目为15。
优选的，在1.0m/min拉速下，压下量为3.0mm，压下区间长度为2600mm，压下率为1.15mm/min；在1.2m/min拉速下，压下量为3.6mm，压下区间长度为3200mm，压下率为1.12mm/min；在1.4m/min拉速下，压下量为4.0mm，压下区间长度为3900mm，压下率为1.03mm/min；在1.6m/min拉速下，压下量为4.6mm，压下区间长度为4400mm，压下率为1.05mm/min。
优选的，所述中碳钢钢水的温度≥1300℃。
优选的，所述脱硫的时间≤25min，铁水的温度≥1260℃。
优选的，所述转炉冶炼的终点温度为1630～1670℃。
优选的，所述LF精炼的出站温度为1560～1580℃。
优选的，所述连铸过程中，中间包烘烤温度≥1100℃，中间包覆盖剂烘烤≥24h，中间温度为1530～1545℃。
本申请提供了一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，其具体流程包括：铁水预处理-转炉冶炼-氩站或LF精炼-连铸-热连轧，在连铸的过程中突破当前沿铸机长度方向冷却强度递减的冷却制度，建立均衡冷却技术的目标表面温度控制工艺参数，使得冷却更加均匀，铸坯组织结构更加稳定，进一步的，采用一种在不同拉速下，基于稳定压下率的板坯连铸动态轻压下自动控制工艺，在拉速不同时采用不同的压下量，能较为稳定控制压下率，使得中心质量稳定，性能稳定。
附图说明
图1为本发明实施例连铸二次冷却参数数据曲线图和数据表；
图2为本发明实施例不同拉速下的温度、凝固历程和应变分析曲线图；
图3为本发明实施例不同拉速下的压力、应变分析曲线图；
图4为本发明实施例不同拉速下的辊缝压下量示意图；
图5为本发明实施例改善前后下的热轧卷板的显微照片；
图6为本发明实施例改善前后的热轧板卷的冲击功对比曲线图；
图7为本发明计算过程中离散点分布示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
为了解决中碳钢板卷宏观、微观中心成分碳偏析、带状组织级别高以及低温冲击不满足要求的问题，本申请提供了一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，其控制各工序温度、连铸保护浇注、二次冷却工艺和不同拉速下动态轻压下的压下量、压下率等参数，最终使得中碳钢成分偏析指数、带状组织和低温冲击韧性得到了改善。具体的，本发明实施例公开了一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，包括以下步骤：
A)将铁水进行预处理后脱硫、扒渣，再进行转炉冶炼；
B)将步骤A)得到的中碳钢钢水依次进行氩站或LF精炼后，进行连铸浇注；
在所述连铸的过程中，建立均衡冷却技术的目标表面温度控制工艺参数，并控制中间包过热度；
在不同拉速下，基于稳定压下率的板坯连铸动态轻压下自动控制工艺，根据计算的铸坯的温度分布，计算不同拉速下的压下区间，确定压下区间长度以及压下扇形段的辊子数目；
根据铸坯凝固历程和温度分布计算连铸各辊处的鼓肚、弯曲矫直、位错应力、应变，根据受力分析，制定不同拉速下的采用不同压下量的自动轻压下工艺。
本申请提供的控制方法仅适用于中碳钢及添加一定量合金成分的中碳低合金钢。
按照本发明，首先将高炉合格铁水进行预处理，所述铁水优先通过鱼雷罐车快速的运输铁水预处理工序，有效保障了铁水温度≥1300℃。
本申请然后将得到的铁水进行脱硫、扒渣，时间≤25min，使入炉铁水温度≥1260℃，铁水的物理热条件是保证冶炼过程顺行的重要因素。本申请然后进行转炉冶炼，在该工序通过减少补吹、大氧气流量、缩短冶炼周期、红包出钢、钢包加盖保温，降低出钢温度，保证终点温度控制在1600～1700℃，更具体控制在1630～1670℃。
按照本发明，然后将得到的中碳钢钢水进行氩站或LF精炼后，运送到连铸浇注；根据连铸浇注周期，氩站或LF精炼的出站温度为1540～1600℃，更具体为1560～1580℃，以保证连铸过程低过热度浇注。在连铸的过程中，中间包烘烤温度≥1100℃，中间包覆盖剂烘烤≥24h，中间温度为1525～1550℃，更具体为1530～1545℃。
在连铸的过程中，突破当前沿铸机长度方向冷却强度递减的冷却制度，建立均衡冷却技术的目标表面温度控制工艺参数，并且稳定控制中间包过热度；所述目标表面温度控制工艺参数具体为：1区的温度为1060℃，2区的温度为1030℃，3区的温度为1015℃，4区的温度为1000℃，5区的温度为1000℃，6区的温度为990℃，7区的温度为990℃，8区的温度为980℃，9区的温度为980℃。在此过程中，二冷各区的水量根据钢种的物理性能和喷嘴换热系数，计算各区二冷水量，使铸坯凝固过程均匀冷却。
采用一种在不同拉速下，基于稳定压下率的板坯连铸动态轻压下自动控制工艺，根据计算的铸坯的温度分布，计算不同拉速下的压下区间，确定压下区间长度以及压下扇形段的辊子数目，具体为：在1.0m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为2600mm，辊子数目为10；在1.2m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3200mm，辊子数目为10；在1.3m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3600mm，辊子数目为12；在1.4m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3900mm，辊子数目为13；在1.5m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为4200mm，辊子数目为14；在1.6m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为4400mm，辊子数目为15。
在此过程中，根据铸坯凝固历程和温度分布计算连铸各辊处的鼓肚、弯曲矫直、位错应变，以稳定各拉速下压下率为目的，并且增加铸坯凝固界面受力分析限制，制定不同拉速下的采用不同压下量的自动轻压下工艺；根据生产实践中碳合金钢板坯临界应变ε临≤0.4％；每一个连铸辊处对应的允许压下量：
Figure BDA0002921299780000061
ε总-铸机不同拉速下的总应变；L-辊间距；d-同拉速下各辊对应的凝固坯壳厚度的一半；
不同拉速下的理论压下量为：△H＝△hn+△hn+1+△hn+2+……；
由此，确定的不同拉速下的压下量、压下区间长度和压下率具体为：在1.0m/min拉速下，压下量为3.0mm，压下区间长度为2600mm，压下率为1.15mm/min；在1.2m/min拉速下，压下量为3.6mm，压下区间长度为3200mm，压下率为1.12mm/min；在1.4m/min拉速下，压下量为4.0mm，压下区间长度为3900mm，压下率为1.03mm/min；在1.6m/min拉速下，压下量为4.6mm，压下区间长度为4400mm，压下率为1.05mm/min。
本申请上述参数的确定的计算基础是是基于板坯凝固传热模型，对于模型的求解公式较为复杂：一般取铸坯断面为中心对称区域，选取四分之一断面做为研究对象，见图7；板坯宽度为A，厚度为B，将1/2边长分别取m节点和n节点，取X，Y方向空间步长为△x和△y，于是有：
Figure BDA0002921299780000062
Figure BDA0002921299780000063
在坐标轴X和Y所确定的平面内，以节点的温度T(xi,yi)代替该节点所在网格温度，记作Ti,j；
在垂直X-Y平面的时间轴上，取时间步长为Δt，则Δt＝tn+1-tn＝tn-tn-1；研究区域内时间坐标为
Figure BDA0002921299780000071
其中，
l-从结晶器弯月面向下开始的铸坯长度，m；
v-铸机拉坯速度，m/s。
因此，研究区域
Figure BDA0002921299780000072
就转变为一系列离散点。
记
Figure BDA0002921299780000077
为tn时刻，坐标(xi,yi)位置上点的温度，利用差分原理及离散方法，采用中心差分法可得到温度与坐标的二阶导数差分式：
Figure BDA0002921299780000073
利用向前差分法和中心差分可以得到：
Figure BDA0002921299780000074
整理后得到二维非稳态传热方程的差分形式：
Figure BDA0002921299780000075
对于边界条件，可以采用以下方法处理：
1)A点(i＝1；j＝1)，A点的温度差分式：
Figure BDA0002921299780000076
2)AB线(i＝2,3,...,m-1；j＝)，AB线上节点温度差分式：
Figure BDA0002921299780000081
3)B点(i＝m；j＝1)，根据铸坯断面对称性得到
Figure BDA0002921299780000082
整理得到B点差分式：
Figure BDA0002921299780000083
4)BO线(i＝m；j＝2,3,...,n-)，根据铸坯断面对称性，
Figure BDA0002921299780000084
整理得到BO线上节点的差分式：
Figure BDA0002921299780000085
5)O点(i＝m,j＝n)
由于
Figure BDA0002921299780000086
将以上二式代入，整理得到O点的差分式：
Figure BDA0002921299780000087
6)OC线(i＝2,3,...,m-1；j＝n)，根据
Figure BDA0002921299780000088
整理得到OC线上节点的差分式：
Figure BDA0002921299780000089
7)C点(i＝1；j＝n)，根据
Figure BDA00029212997800000810
整理得到C点的差分式：
Figure BDA00029212997800000811
8)AC线(i＝1；j＝2,3,...,n-)，整理得到AC线上节点的差分式：
Figure BDA0002921299780000091
9)内部节点(i＝2,3,...,m-1；j＝2,3,..n.,-)：
Figure BDA0002921299780000092
因此，本申请主要依靠以上9个有限差分方程的计算，建立板凝固传热模型，并通过射钉试验验证模型的正确性，从而计算出中碳钢在各拉速下连铸机各辊位置处的板坯温度分布及中心固相率的位置，确定压下位置为固相率0.3～0.9，不同拉速下对应的扇形段位置进行压下，本发明的优点之一是，中碳钢在不同拉速下的压下位置按工艺计算好的压下位置执行，压下位置和压下量只是和拉速关联；不同于现有的动态轻压下模型同钢组下压下量是不变的，压下位置和中间包温度、拉速、成分波动频繁，质量不稳定。
为了进一本申请步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的减轻中碳钢组织缺陷的控制方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
1)铁水预处理-转炉冶炼-氩站(LF精炼)-连铸-板坯热送辊道-热连轧-成品热板卷。
2)铁水通过鱼雷罐车快速的运输铁水预处理工序，有效保保障了铁水温度≥1300℃；
3)铁水在脱硫站进行脱硫扒渣，要求其处理周期在≤25min，使入炉铁水温度≥1260℃，铁水的物理热条件是保证冶炼过程顺行的重要因素；
4)转炉工序通过减少补吹、大氧气流量、缩短冶炼周期、红包出钢、钢包加盖保温，降低出钢温度，保证终点温度控制在1630～1670℃；
5)氩站(LF)工序温度控制温度，根据连铸浇注周期，出站温度1560～1580℃之间，保证连铸过程低过热度浇注；
连铸过程中间包烘烤要求温度≥1100℃，中间包覆盖剂进行烘烤≥24小时中间包双层覆盖剂保证浇注过程温降小，控制中间温度在1530℃～1545℃；
6)连铸二冷冷却各区合理设计目标表面温度进行动态控制；
二冷各区的水量根据钢种的物理性能和喷嘴换热系数，计算各区二冷水量，使铸坯凝固过程均匀冷却；
7)根据计算得到的板坯温度分布，计算不同拉速下的压下区间，确定压下位置及所压下扇形段的辊子数目；
8)根据铸坯凝固历程和温度分布计算连铸各辊处的鼓肚、弯曲矫直、位错应力、应变，根据受力分析，在满足钢种临界应变、不产生裂纹的情况下，制定不同拉速下的压下量；
9)根据生产实践中碳合金钢板坯临界应变ε临≤0.4％；
10)每一个连铸辊处对应的允许压下量：
Figure BDA0002921299780000101
ε总-铸机不同拉速下的总应变；L-辊间距；d-不同拉速下各辊对应的凝固坯壳厚度的一半；
11)不同拉速下的理论压下量为：
△H＝△hn+△hn+1+△hn+2+……
实施例
按照上述步骤制备中碳合金钢板卷：
1)各工序按目标温度要求进行控制，如表1所示：
表1各工序目标温度控制数据表
项目 铁水 铁水预处理 转炉 氩站 LF炉 连铸
第一炉 ≥1300℃ ≥1260℃ ≤1670℃ ≤1600℃ ≤1595℃ 1540～1550℃
2～3炉 ≥1300℃ ≥1260℃ ≤1660℃ ≤1590℃ ≤1585℃ 1535～1545℃
连浇炉 ≥1300℃ ≥1260℃ 1630～1650℃ 1570～1580℃ 1560～1570℃ 1535～1545℃
2)氩站和精炼控制钢水成分如表2所示：
表2钢水成分数据表
C％ Si％ Mn％ P％ S％ AlS％
0.15～0.24 0.10～0.20 0.40～1.20 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.030
3)连铸过程中间包烘烤要求温度≥1100℃，中间包覆盖剂进行烘烤≥24小时中间包双层覆盖剂保证浇注过程温降小，中间包开浇加入500kg中间包覆盖剂，然后加入10～20kg碳化稻壳；
4)连铸二次冷却参数：如图1所示；
5)计算不同拉速下的温度、凝固历程和应变分析，确保每个辊子处的最大压下量，不超过允许的临界应变值，参数如图2所示；按照下述公式进行每个连铸辊处最大允许压下量计算，并进行应力、应变分析，如图3所示，保证凝固前沿的应变不超过中碳钢板坯临界应变ε临0.4％；
Figure BDA0002921299780000111
6)根据以上数据确定不同拉速下压下量和压下率的参数，如表3所示：
表3不同拉速下压下量和压下率的参数数据表
拉速(m/min) 压下量 压下区间长度mm 压下率mm/min
1.0 3.0mm 2600 1.15
1.2 3.6mm 3200 1.13
1.4 4.0mm 3900 1.00
1.6 4.6mm 4400 1.00
根据计算结果，不同拉速下辊缝压下量示意图，如图4：
本实施例下不同拉速下的铸坯偏析指数如表4所示，
表4不同拉速下的铸坯偏析指数数据表
Figure BDA0002921299780000112
Figure BDA0002921299780000121
表4不同拉速下的铸坯偏析指数数据表(续表)
Figure BDA0002921299780000122
由表4可知，本申请提供的工艺制备的钢板卷的偏析指数明显降低。
上述得到的热轧板卷的显微照片如图5所示，图5中左图为改善前的热轧板卷，右图为本申请热轧卷板的显微照片；由图5可知，热轧板卷中心带状组织改善，中心碳偏析情况消除。图6为不同工艺的不同温度下热轧板卷的冲击功对比曲线图；由图6可知，采用本申请制备工艺制备的产品低温冲击韧性改善，显著降低了卷板的韧脆转变温度。
上述改善前没有采用上述系统温度控制、均衡二冷控制技术以及基于稳定压下率的压下工艺制度前的控制方法。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种减轻中碳钢组织缺陷的控制方法，包括以下步骤：
A)将铁水进行预处理后脱硫、扒渣，再进行转炉冶炼；
B)将步骤A)得到的中碳钢钢水依次进行氩站或LF精炼后，进行连铸浇注；
在所述连铸的过程中，建立均衡冷却技术的目标表面温度控制工艺参数，并控制中间包过热度；
在不同拉速下，基于稳定压下率的板坯连铸动态轻压下自动控制工艺，根据计算的铸坯的温度分布，计算不同拉速下的压下区间，确定压下区间长度以及压下扇形段的辊子数目；
根据铸坯凝固历程和温度分布计算连铸各辊处的鼓肚、弯曲矫直、位错应变，根据受力分析，制定不同拉速下的采用不同压下量的自动轻压下工艺。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述均衡冷却技术的目标表面温度具体为：1区的温度为1060℃，2区的温度为1030℃，3区的温度为1015℃，4区的温度为1000℃，5区的温度为1000℃，6区的温度为990℃，7区的温度为990℃，8区的温度为980℃，9区的温度为980℃。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在1.0m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为2600mm，辊子数目为10；在1.2m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3200mm，辊子数目为10；在1.3m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3600mm，辊子数目为12；在1.4m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为3900mm，辊子数目为13；在1.5m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为4200mm，辊子数目为14；在1.6m/min拉速下，压下区间为fs(0.3～0.9)，压下区间长度为4400mm，辊子数目为15。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在1.0m/min拉速下，压下量为3.0mm，压下区间长度为2600mm，压下率为1.15mm/min；在1.2m/min拉速下，压下量为3.6mm，压下区间长度为3200mm，压下率为1.12mm/min；在1.4m/min拉速下，压下量为4.0mm，压下区间长度为3900mm，压下率为1.03mm/min；在1.6m/min拉速下，压下量为4.6mm，压下区间长度为4400mm，压下率为1.05mm/min。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述中碳钢钢水的温度≥1300℃。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述脱硫的时间≤25min，铁水的温度≥1260℃。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述转炉冶炼的终点温度为1630～1670℃。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述LF精炼的出站温度为1560～1580℃。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述连铸过程中，中间包烘烤温度≥1100℃，中间包覆盖剂烘烤≥24h，中间温度为1530～1545℃。
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