CN113843403A - 一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法 - Google Patents

一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于连铸技术领域，具体涉及一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法,利用在铸坯表层形成高比例的铁素体组织的方法来减少铸坯表面裂纹。该方法可以控制铸坯表层组织，提高铸坯表层塑性，降低铸坯表面裂纹。该方法在铸机矫直段前采用冷却水控制铸坯表层温度，使该铸坯表面长时间恒定在钢种奥氏体向铁素体转变的相变温度附近，通过长时间温度恒定在铸坯表层形成一层铁素体层，提高铸坯表层组织中铁素体的比例，利用铁素体高塑性改善铸坯表层组织塑性，从而降低铸坯内弧面在矫直区拉应力作用下产生的裂纹。

Description

一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法
技术领域
本发明属于连铸技术领域，具体涉及一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，该方法通过控制铸坯的冷却来提高铸坯表层组织中的铁素体比例，在铸坯表面形成高比例铁素体组织，从而提高铸坯塑性，降低铸坯在矫直区域的裂纹发生。
背景技术
在冶金连铸的生产过程中，铸坯的内部与外部质量是冶金工作者十分关注的问题。铸坯的内部质量主要表现在成分均匀，无疏松、无缩孔、无裂纹等，外部质量则是无夹渣、无裂纹等，这些缺陷都会遗传到后续的轧制产品中，因此希望生产出铸坯内部组织和外部组织有优良的的产品。
铸坯裂纹形成是连铸过程中冶金因素和力学因素综合作用的结果，铸坯是否产生裂纹决定于钢的组织性能、凝固冶金行为、铸机工艺参数和设备运行状态。控制铸坯组织是提高材料综合性能的有效方式之一，连铸过程中通常采用控制钢液的过冷度、电磁搅拌、加铝钛或稀土元素等增加形核剂的方法控制铸坯铸态组织。连铸过程中也可以通过改变冷却速度及铸坯受热历程控制铸坯的表层组织。铸坯在出结晶器时还处于奥氏体单相区，因此结晶器和冷却强度的大小对表层组织的影响很关键。铸坯普遍发生表面裂纹都是在铸机的矫直段，因为在该区域连铸坯受到矫直作用从而在铸坯的上表面产生拉应力，铸坯的低塑性组织在拉应力的作用下产生裂纹，因此在铸机矫直区之前通过控制铸坯在铸机里冷却可以有效地控制铸坯组织，改善铸坯力学性能。
专利CN 110653352 A为了消除铁素体引发的铸坯表面裂纹在矫直段前增加一排小喷射角冷却水喷嘴，提供一个窄区域强冷带来消除表面先共析铁素体来控制铸坯表面裂纹。专利CN107695313 A同样采用快冷淬火的方式消除铸坯表层的铁素体和碳氮化物析出避免脆化提高铸坯塑性的方法来减少铸坯表面裂纹。专利CN 105478704 B建立了了二冷水喷淋架升降装置，可实现二冷水冷却面积的动态控制和水量自动调整，通过该方式避免了二冷水直接喷淋在铸坯角部导致温度过低或温度变化引发的角部裂纹。
从上面的专利分析可以看出，当前的解决铸坯表面裂纹的技术路线主要有两个，一个是采用高温运行的方式，提高铸坯表层温度，避免相变以及在晶界析出铁素体膜和碳氮析出物，该种方式下连铸机设备一直在高温状态下，对设备的精度保证和寿命都会造成很大的影响。另一种方式采用低温路线，避开钢种的第三脆性区，该种方式需要很大的冷却水量，对能源和环境有很大的影响。因此需要从钢种本身角度出发找到一种提高钢种塑性的组织状态。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法,利用在铸坯表层形成高比例的铁素体组织的方法来减少铸坯表面裂纹。该方法可以控制铸坯表层组织，提高铸坯表层塑性，降低铸坯表面裂纹。
本发明的技术方案为：
一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，在冶金连铸的生产中，通过控制铸坯表层温度，让该温度长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，得到高比例的铁素体相，使铸坯表层的铁素体相比例在铸机矫直点之前需达到35％以上。
根据本发明所述一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，在铸机弧形段区域对铸坯表层温度进行控制，根据钢种的连续冷却特性CCT曲线得到获得钢种铁素体相的冷却速度为3～0.05℃/S。
进一步优选，根据钢种的连续冷却特性CCT曲线得到获得钢种铁素体相的冷却速度为3～0.1℃/S。
进一步，所述铸坯表层在奥氏体向铁素体转变温度范围为900℃～600℃，保持时间为0.44～35min。
进一步优选，通过控制铸坯表层温度，让该温度长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，得到高比例的铁素体相，使铸坯表层的铁素体相比例在铸机矫直点之前需达到35％～100％。
根据所述利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，通过冷却水控制铸坯表层温度，利用连铸在线模型计算获得铸坯表层温度所需的冷却水量。
根据所述利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，进一步，铸坯表层长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，采用喷雾性能良好的二次冷却喷嘴，其在低水量(0.5～2.5L/min)下能够实现均匀冷却。
或者铸坯表层长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，采用非喷水冷却，即保持不喷水状态，因此铸机扇形段支撑辊需要良好的内部冷却，将支撑辊表面温度控制在550℃以下，防止扇形段损坏。
本发明方法在铸机矫直段前采用冷却水控制铸坯表层温度，使该铸坯表面长时间恒定在钢种奥氏体向铁素体转变的相变温度附近。为了更好地通过冷却水控制铸坯表层温度，需采用雾化效果良好，喷淋均匀的二次冷却喷嘴。尤其是该喷嘴能够在低水量情况下进行均匀的喷雾冷却。在某些情况下铸坯为了温度恒定需要干式冷却，即不喷二冷水进行连铸作业。此种情况下需要扇形段支撑辊有良好的内部冷却，避免铸坯高温导致的扇形段支撑辊和轴承损坏。为了将铸坯表层温度控制在某一温度需要采用连铸模型实时在线控制铸坯表层温度，当前较多的铸机已配置有连铸在线控制模型。通过该模型可设置铸坯表层温度所需要的冷却水量。通过长时间温度恒定在铸坯表层形成一层铁素体层，提高铸坯表层组织中铁素体的比例，利用铁素体高塑性改善铸坯表层组织塑性，从而降低铸坯内弧面在矫直区拉应力作用下产生的裂纹。
在连铸过程中，铸坯出结晶器后表层温度处于高温区，此时铸坯表层组织处于奥氏体区，在单一相的情况下钢种塑性较高，不易产生裂纹。但随着在弧形区受到喷淋水冷却，铸坯表层组织温度不断下降。当温度达到相变温度时，铸坯中奥氏体向先共析铁素体的转变属于扩散型相变，在较低冷却速度下，先共析铁素体首先在原始奥氏体晶界形核并沿着晶界生长，在继续冷却后，晶内的铁素体才开始形核，此时，在原始奥氏体晶界已经形成了较为粗大的先共析铁素体膜。该组织在铸坯过矫直区时受到矫直拉应力的作用，应力会在奥氏体晶界铁素体膜处发生裂纹，并在后期逐渐扩展。铸坯在矫直时，若铸坯组织中铁素体比例较低，低于35％，膜状先共析铁素体易造成应力集中而形成裂纹，但若铁素体比例超过35％则不会发生应变集中，可避免裂纹的发生，这也是钢种第三脆性区低温段产生的机理。影响铁素体析出比例的有热力学和动力学两个方面的因素，也就是一个是温度，一个是持续时间。根据钢种的连续冷却特性CCT曲线得到不同冷却速度下的相变温度。如图2所示的某钢种的CCT曲线，图中显示了若干种冷却速度下的钢种组织演化与温度和时间关系。从图中可以获得该钢种在某一冷却速度下的奥氏体向铁素体转变温度，以及获得一定比例铁素体的时间。一般钢种可以在冷却速度范围为3～0.05℃/S和温度范围900℃～600℃下形成铁素体。若将铸坯表层温度长时间控制在相变温度附近则会在铸坯表层形成大量的铁素体，时间范围为0.44～35min。当铁素体比例超过35％铸坯组织塑性会显著提高，可以避免裂纹的发生。因此当铸坯过弯曲段后，也就是弧形段采用弱冷的方式，冷却强度小于3℃/S的冷却方式将铸坯表层温度恒定在奥氏体向铁素体转变的温度范围内，并一直保持到矫直段。如此在铸坯表层形成高比例的铁素体层，而不是只有奥氏体晶界的低比例铁素体膜。高比例铁素体层铸坯过矫直时不会因为应力在晶界集中而发生铸坯表面裂纹。本发明创新之一，即该方法就是铸坯表面长时间恒定在钢种奥氏体向铁素体转变的相变温度附近，关键点：一是长时间恒定，二是温度控制在相变温度附近。
本发明有益技术效果：
本发明方法通过在铸机弧形段区域对铸坯表层温度进行控制，让铸坯表层温度长时间恒定在钢种相变温度附近，通过该工艺可以在铸坯表面形成大量的铁素体相。在该高比例铁素体相铸坯经过铸机矫直区域时，因在组织内有大量的铁素体相，因此铸坯内弧面的拉应力不会在晶界产生集中，也就不会撕裂晶界，从而避免铸坯表面裂纹的发生。该技术对提高铸坯表面塑性，减少铸坯表面裂纹发生，改善产品的表面质量非常有帮助。
附图说明
图1为铸坯表层低比例铁素体组织与采用本发明技术得到的铸坯表层高比例铁素体组织实物示意图。
图2钢种连铸冷却特性CCT曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。
下面详细说明本发明方法的实施过程：
首先对钢种连续冷却特性CCT曲线进行测试或计算，得到该钢种获得铁素体的冷却速度范围，该范围为3～0.05℃/S，并获得不同冷却速度下的奥氏体向铁素体转变的相变温度，该温度范围为900℃～600℃。然后通过二次冷却水量控制冷却速度小于3℃/S，某些钢种获得铁素体的冷却速率很低，需要采用不喷淋水的方式，即干冷方式，该方式下的冷却速度低于0.1℃/S。不同冷却速度下实现35％以上的铁素体所需要的时间也不同，范围为0.44～35min，该过程需要在矫直点前完成。
实例1:钢种1获得铁素体的冷却速度范围小于0.1℃/S，在0.1℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为620℃,需要11.67min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例。在矫直点之前完成该过程。生产后通过金相显微镜观察铸坯试样和计算得到形成了高于35％的铁素体比例。
实例2:钢种2获得铁素体的冷却速度为0.1～3℃/S，在0.1℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为750℃,需要26.67min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例，在在3℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为630℃,需要0.44min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例。在矫直点之前完成该过程。生产后通过金相显微镜观察铸坯试样和计算得到形成了高于35％的铁素体比例。
实例3:钢种3获得铁素体的冷却速度为0.1～3℃/S，在0.1℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为790℃,需要28.33min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例，在在3℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为730℃,需要0.72min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例。在矫直点之前完成该过程。生产后通过金相显微镜观察铸坯试样和计算得到形成了高于35％的铁素体比例。
实例4:钢种4为获得铁素体的冷却速度为0.1～3℃/S，在0.1℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为830℃,需要35min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例，在在3℃/S的冷却速度下奥氏体向铁素体转变温度为780℃,需要0.89min铸坯表层可形成高于35％的铁素体比例。在矫直点之前完成该过程。生产后通过金相显微镜观察铸坯试样和计算得到形成了高于35％的铁素体比例。
以上只是列出4个钢种的冷却速度、相变温度和时间组合，并不排除其他钢种的其他工艺参数组合。
当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变换、变形都将落在本发明权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：在冶金连铸的生产中，通过控制铸坯表层温度，让该温度长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，得到高比例的铁素体相，使铸坯表层的铁素体相比例在铸机矫直点之前需达到35％以上。
2.根据权利要求1所述一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：在铸机弧形段区域对铸坯表层温度进行控制，根据钢种的连续冷却特性CCT曲线得到获得钢种铁素体相的冷却速度为3～0.05℃/S。
3.根据权利要求2所述一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：在铸机弧形段区域对铸坯表层温度进行控制，根据钢种的连续冷却特性CCT曲线得到获得钢种铁素体相的冷却速度为3～0.1℃/S。
4.根据权利要求1所述一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：通过控制铸坯表层温度，让该温度长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，得到高比例的铁素体相，使铸坯表层的铁素体相比例在铸机矫直点之前需达到35％～100％。
5.根据权利要求1所述一种利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：所述铸坯表层在奥氏体向铁素体转变温度范围为900℃～600℃，保持时间为0.44～35min。
6.根据权利要求1-5任一项所述利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：通过冷却水控制铸坯表层温度，利用连铸在线模型计算获得铸坯表层温度所需的冷却水量。
7.根据权利要求6所述利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：铸坯表层长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，采用喷雾性能良好的二次冷却喷嘴，其在低水量水量下能够实现均匀冷却。
8.根据权利要求1-5任一项所述利用铁素体相改善铸坯表面裂纹的方法，其特征在于：铸坯表层长时间保持在奥氏体向铁素体转变温度，采用非喷水冷却，因此铸机扇形段支撑辊需要良好的内部冷却，将支撑辊表面温度控制在550℃以下，防止扇形段损坏。
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