CN113953477A - 一种芯部高致密度连铸厚板坯及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种芯部高致密度连铸厚板坯及其生产方法。生产方法主要包括“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等工序。本领域通常认为高拉速和高过热度不利于铸坯偏析的控制，而本发明却采用高拉速(0.7‑0.8m/min)和高过热度(35‑50℃)浇铸以及二冷区强冷工艺，促进柱状晶生长，在保证柱状晶高致密度的同时，保持中心液芯具备较好的流动性；根据不同固相分数时液芯的偏析、疏松及变形能力特性，在不同的固相分数区间采用不同的压下速率，既促进中心浓化钢水的逆向流动，减小铸坯中心偏析，又提高内部致密度，同时不产生裂纹。

Description

一种芯部高致密度连铸厚板坯及其生产方法
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种芯部高致密度连铸厚板坯及其生产方法。
背景技术
随着我国经济的腾飞，重型机械、交通运输、石油化工、船舶制造、海洋工程等领域飞速发展，同时也对钢铁材料的质量和尺寸提出了更高的要求，极大的推动了厚钢板生产工艺与装备技术的快速发展。连铸金属收得率达到98％，远高于传统模铸过程，连铸过程冷却速度快，元素偏析轻，同时省去开坯工艺，缩短生产流程，易于实现机械自动化，从而成为最佳的厚板坯生产工艺。
但是，随着连铸坯断面尺寸的增加，其内部冷却条件明显恶化，凝固组织中柱状晶发达，容易造成枝晶“搭桥”，阻止钢水向下流动补缩，加剧铸坯中心疏松和偏析等缺陷，从而影响轧材的力学性能及成品的使用性能，成为高品质钢连铸生产的共性技术难题。
为了解决上述问题，专利CN111570741A公开了一种连铸工艺与轻压下技术相结合的铸坯质量控制方法，具体包含以下步骤：(1)轻压下收缩补偿区域和轻压下液芯反流区域的定量控制；(2)铸坯收缩量的定量计算；(3)轻压下区域强冷工艺；(4)合适过热度浇铸工艺；(5)轻压下量的定量分配。该方法有利于控制铸坯芯部偏析和疏松缺陷，压下效率提高30％以上，但是，其在中心固相率为0.3-0.7位置压下，中心固相率低，压下位置靠前，存在铸坯内部裂纹风险。另外，该专利并未涉及压下速率和铸坯厚度等相关说明。
专利CN107081413B公开了一种提高高层建筑用钢连铸坯中心致密度的方法，通过稳定铸机拉速、降低中间包过热度、二冷动态控制、凝固末端重压下等技术的综合运用，降低高建钢铸坯的中心疏松，进而提高铸坯中心致密度。该方法在固相率为0.9位置开始重压下，最大压下量为20mm，尽管能压合铸坯中心，提高中心致密度，但中心固相率较高，压下位置靠后，且低过热度下固相率为0.9位置中心等轴晶框架已形成，未考虑是否可以有效改善铸坯中心偏析问题，同时压下速率较大，未考虑是否会引起铸坯裂纹问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于不需要对连铸机进行重压下设备改造，克服现有技术中生产芯部高致密度连铸厚板坯存在的铸坯中心偏析和裂纹等缺陷，提供一种芯部高致密度连铸厚板坯及其生产方法。
为此，本发明提供如下技术方案:
本发明提供一种芯部高致密度连铸厚板坯，板坯厚度为300-320mm，芯部致密度≥0.995，内部裂纹控制在0.02％以下；
其中，芯部致密度为板坯中心密度与板坯下表面密度的比值。
可选的，以质量百分含量计，其化学组成为：C≤0.20％、N≤0.003％、H≤0.0002％、P≤0.007％、S≤0.003％、Al 0.02～0.05％、Ti 0.01～0.03％、碳当量CE≤0.60、冷裂纹敏感指数Pcm≤0.29。
可选的，所述板坯中心密度为板坯中心取边长为10mm正方体样本的密度；
所述板坯下表面密度为距板坯下表面5mm取边长为10mm正方体样本的密度。
本发明还提供一种上述芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，包括铁水预脱硫，转炉冶炼，LF精炼，RH真空精炼，连铸工序，
其中，连铸工序拉速为0.7-0.8m/min，钢水过热度为35-50℃，二冷水量为2200-2500L/min；
铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下：
当0.7≤fs<0.9时，压下速率为0.008-0.012mm/s，
当0.9≤fs<1时，压下速率为0.013-0.017mm/s，
在fs＝1.0位置及其后5m区间，压下速率为0.018-0.022mm/s。
可选的，所述转炉冶炼工序的出钢温度≥1650℃，可选的，出钢温度为1650-1670℃。
可选的，转炉冶炼终点钢水磷含量≤0.006％，硫含量≤0.004％。
可选的，所述LF精炼的通电时间≤15min。
可选的，所述RH真空精炼工序中，真空度≤2mbar，脱气时间≥20min。
可选的，所述RH真空精炼工序中，控制原辅料水分含量≤0.05％，精炼结束钢水磷含量≤0.007％，硫含量≤0.003％，氮含量≤0.0025％，氢含量≤0.00015％。
可选的，所述连铸工序采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为5-7L/min。
碳当量CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；
冷裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
可选的，所述厚板坯芯部致密度的取样示意图如图1所示，在所述厚板坯横截面中心位置取边长10mm的小立方体样品1，在同一横截面上，从距离下表面5mm处取边长10mm的小立方体样品0；使用QB/T2855-2007标准的测量方法，分别测得中心样品密度ρ1和下表面样品密度ρ0，以ρ1/ρ0的值表征连铸厚板坯芯部致密度。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的芯部高致密度连铸厚板坯，板坯厚度为300-320mm，芯部致密度≥0.995，内部裂纹控制在0.02％以下；其中，芯部致密度为板坯中心密度与板坯下表面密度的比值。铸坯厚度大，芯部致密度高，且内部裂纹风险低，能够满足重型机械、交通运输、石油化工、船舶制造、海洋工程等领域的使用需求。
本发明提供的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，主要包括“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等工序。本领域通常认为高拉速和高过热度不利于铸坯偏析的控制，而本发明却采用高拉速(0.7-0.8m/min)和高过热度(35-50℃)浇铸以及二冷区强冷(二冷水量2200-2500L/min)工艺，促进柱状晶的生长，在保证柱状晶高致密度的同时，保持中心液芯具备较好的流动性；根据不同固相分数时液芯的偏析、疏松及变形能力特性，在不同的固相分数区间采用不同的压下速率，既促进中心浓化钢水的逆向流动，减小铸坯中心偏析，又提高内部致密度，同时不产生裂纹，凝固结束后5m区间采用较大的压下速率和较小的压下量可以实现中心的有效压合，实现不需要重压下设备改造条件下铸坯内部质量的提升。
本发明提供的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，通过有害元素的带入管控和强化去除，降低钢液中有害杂质元素含量，减少铸坯压下时引起的裂纹。
本发明提供的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，在冶炼工序：转炉高温出钢；减少LF通电时间；提高RH炉真空度，延长脱气时间；严格控制石灰和合金等原辅料中的水分含量，从而减少钢液中的有害元素含量，能够进一步减少铸坯压下时引起的裂纹风险。同时采用二冷区强冷工艺，实现铸坯表层与内部高的温度梯度，提高轻压下时芯部的压下效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是厚板坯芯部致密度的取样示意图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，连铸厚板坯依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等主要工艺过程：
①炼钢工序，兑入转炉的铁水须经脱硫预处理并扒渣干净，硫含量为0.0028％，温度为1380℃，控制废钢中杂质含量(硫含量为0.005％)；转炉出钢磷含量为0.0052％，硫含量为0.0035％，转炉出钢温度为1660℃，转炉终渣碱度3.8。
②精炼工序，钢水就位后开底吹氩气，压力0.5Mpa，LF通电时间为12min，RH真空度≤2mbar情况下的深脱气时间为25min，同时石灰、合金等辅料中的平均水分含量在0.03％；精炼结束前5分钟不加入任何原辅材料，精炼结束后钢水磷含量为0.0059％，硫含量为0.0025％，氮含量为0.0021％，氢含量为0.00008％。
③连铸工序，厚板坯断面为320×2300mm，钢水过热度为40℃，恒拉速为0.75m/min，连铸过程采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为6L/min，结晶器液面波动范围控制在±2mm；中包覆盖剂为常规碱性覆盖剂，上面外加碳化稻壳进行双层保温；二冷区采用强冷工艺，水量为2350L/min；铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下，当0.7≤fs<0.9时，压下速率为0.01mm/s，当0.9≤fs<1.0时，压下速率为0.015mm/s，在fs＝1.0位置及其后5m区间，压下速率为0.02mm/s。
最终，连铸厚板坯化学成分(质量百分比)为：C＝0.12％、N＝0.002％、H＝0.00008％、P＝0.0059％、S＝0.0025％、Al＝0.035％、Ti＝0.023％、碳当量CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.42、冷裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B＝0.22。
对连铸厚板坯进行取样热酸洗，低倍中心偏析C类0.5级，无表面和中间裂纹，测得芯部致密度为0.997。
实施例2
本实施例提供一种芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，连铸厚板坯依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等主要工艺过程：
①炼钢工序，兑入转炉的铁水须经脱硫预处理并扒渣干净，硫含量为0.0022％，温度为1375℃，控制废钢中杂质含量(硫含量为0.005％)；转炉出钢磷含量为0.0048％，硫含量为0.0031％，转炉出钢温度为1652℃，转炉终渣碱度3.7。
②精炼工序，钢水就位后开底吹氩气，压力0.5Mpa，LF通电时间为15min，RH真空度≤2mbar情况下的深脱气时间为20min，同时石灰、合金等辅料中的平均水分含量在0.03％；精炼结束前5分钟不加入任何原辅材料，精炼结束后钢水磷含量为0.0055％，硫含量为0.0022％，氮含量为0.0034％，氢含量为0.00013％。
③连铸工序，厚板坯断面为320×2300mm，钢水过热度为49℃，恒拉速为0.7m/min，连铸过程采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为6L/min，结晶器液面波动范围控制在±2mm；中包覆盖剂为常规碱性覆盖剂，上面外加碳化稻壳进行双层保温；二冷区采用强冷工艺，水量为2200L/min；铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下，当0.7≤fs<0.9时，压下速率为0.012mm/s，当0.9≤fs<1.0时，压下速率为0.017mm/s，在fs＝1.0位置及其后5m区间，压下速率为0.022mm/s。
最终，连铸厚板坯化学成分(质量百分比)为：C＝0.13％、N＝0.0035％、H＝0.00015％、P＝0.0056％、S＝0.0023％、Al＝0.032％、Ti＝0.024％、碳当量CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.43、冷裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B＝0.25。
对连铸厚板坯进行取样热酸洗，低倍中心偏析C类0.5级，无表面和中间裂纹，测得芯部致密度为0.996。
实施例3
本实施例提供一种芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，连铸厚板坯依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等主要工艺过程：
①炼钢工序，兑入转炉的铁水须经脱硫预处理并扒渣干净，硫含量为0.0031％，温度为1392℃，控制废钢中杂质含量(硫含量为0.005％)；转炉出钢磷含量为0.0057％，硫含量为0.0030％，转炉出钢温度为1668℃，转炉终渣碱度4.0。
②精炼工序，钢水就位后开底吹氩气，压力0.5Mpa，LF通电时间为10min，RH真空度≤2mbar情况下的深脱气时间为30min，同时石灰、合金等辅料中的平均水分含量在0.03％；精炼结束前5分钟不加入任何原辅材料，精炼结束后钢水磷含量为0.0061％，硫含量为0.0023％，氮含量为0.0015％，氢含量为0.00007％。
③连铸工序，厚板坯断面为320×2300mm，钢水过热度为36℃，恒拉速为0.8m/min，连铸过程采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为6L/min，结晶器液面波动范围控制在±2mm；中包覆盖剂为常规碱性覆盖剂，上面外加碳化稻壳进行双层保温；二冷区采用强冷工艺，水量为2450L/min；铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下，当0.7≤fs<0.9时，压下速率为0.008mm/s，当0.9≤fs<1.0时，压下速率为0.013mm/s，在fs＝1.0位置及其后5m区间，压下速率为0.018mm/s。
最终，连铸厚板坯化学成分(质量百分比)为：C＝0.11％、N＝0.0016％、H＝0.00008％、P＝0.0060％、S＝0.0025％、Al＝0.031％、Ti＝0.022％、碳当量CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.41、冷裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B＝0.23。
对连铸厚板坯进行取样热酸洗，低倍中心偏析C类0.5级，无表面和中间裂纹，测得芯部致密度为0.996。
对比例1
本对比例提供一种芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，连铸厚板坯依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等主要工艺过程：
①炼钢工序，兑入转炉的铁水须经脱硫预处理并扒渣干净，硫含量为0.0025％，温度为1375℃，控制废钢中杂质含量(硫含量为0.005％)；转炉出钢磷含量为0.0049％，硫含量为0.0036％，转炉出钢温度为1657℃，转炉终渣碱度3.8。
②精炼工序，钢水就位后开底吹氩气，压力0.5Mpa，LF通电时间为13min，RH真空度≤2mbar情况下的深脱气时间为23min，同时石灰、合金等辅料中的平均水分含量在0.03％；精炼结束前5分钟不加入任何原辅材料，精炼结束后钢水磷含量为0.0057％，硫含量为0.0027％，氮含量为0.0022％，氢含量为0.00009％。
③连铸工序，厚板坯断面为320×2300mm，钢水过热度为41℃，恒拉速为0.75m/min，连铸过程采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为6L/min，结晶器液面波动范围控制在±2mm；中包覆盖剂为常规碱性覆盖剂，上面外加碳化稻壳进行双层保温；二冷区采用强冷工艺，水量为2400L/min；铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下，当0.3≤fs<0.7时，压下速率为0.01mm/s，当0.7≤fs<1.0时，压下速率为0.015mm/s，在fs＝1.0位置及其后3m区间，压下速率为0.02mm/s。
最终，连铸厚板坯化学成分(质量百分比)为：C＝0.13％、N＝0.0023％、H＝0.00009％、P＝0.0058％、S＝0.0026％、Al＝0.033％、Ti＝0.021％、碳当量CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.41、冷裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B＝0.23。
对连铸厚板坯进行取样热酸洗，低倍中心偏析C类1.0级，中间裂纹0.5级，无表面质量问题，测得芯部致密度为0.992。
对比例2
本对比例提供一种芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，连铸厚板坯依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH真空精炼→连铸”等主要工艺过程：
①炼钢工序，兑入转炉的铁水须经脱硫预处理并扒渣干净，硫含量为0.0031％，温度为1386℃，控制废钢中杂质含量(硫含量为0.005％)；转炉出钢磷含量为0.0054％，硫含量为0.0036％，转炉出钢温度为1655℃，转炉终渣碱度3.7。
②精炼工序，钢水就位后开底吹氩气，压力0.5Mpa，LF通电时间为13min，RH真空度≤2mbar情况下的深脱气时间为24min，同时石灰、合金等辅料中的平均水分含量在0.03％；精炼结束前5分钟不加入任何原辅材料，精炼结束后钢水磷含量为0.0058％，硫含量为0.0028％，氮含量为0.0023％，氢含量为0.00008％。
③连铸工序，厚板坯断面为320×2300mm，钢水过热度为25℃，恒拉速为0.65m/min，连铸过程采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为6L/min，结晶器液面波动范围控制在±2mm；中包覆盖剂为常规碱性覆盖剂，上面外加碳化稻壳进行双层保温；二冷区采用强冷工艺，水量为2200L/min；铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下，当0.7≤fs<0.9时，压下速率为0.01mm/s，当0.9≤fs<1.0时，压下速率为0.015mm/s，在fs＝1.0位置及其后5m区间，压下速率为0.02mm/s。
最终，连铸厚板坯化学成分(质量百分比)为：C＝0.12％、N＝0.0024％、H＝0.00009％、P＝0.0059％、S＝0.0025％、Al＝0.033％、Ti＝0.024％、碳当量CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.44、冷裂纹敏感指数Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B＝0.26。
对连铸厚板坯进行取样热酸洗，低倍中心偏析C类0.5级，中心疏松0.5级，无表面和中间裂纹，测得芯部致密度为0.993。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种芯部高致密度连铸厚板坯，其特征在于，板坯厚度为300-320mm，芯部致密度≥0.995，内部裂纹控制在0.02％以下；
其中，芯部致密度为板坯中心密度与板坯下表面密度的比值。
2.根据权利要求1所述的芯部高致密度连铸厚板坯，其特征在于，以质量百分含量计，其化学组成为：C≤0.20％、N≤0.003％、H≤0.0002％、P≤0.007％、S≤0.003％、Al 0.02～0.05％、Ti 0.01～0.03％、碳当量CE≤0.60、冷裂纹敏感指数Pcm≤0.29。
3.根据权利要求1或2所述的芯部高致密度连铸厚板坯，其特征在于，所述板坯中心密度为板坯中心取边长为10mm正方体样本的密度；
所述板坯下表面密度为距板坯下表面5mm取边长为10mm正方体样本的密度。
4.一种权利要求1-3任一项所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，包括铁水预脱硫，转炉冶炼，LF精炼，RH真空精炼，连铸工序，
其中，连铸工序拉速为0.7-0.8m/min，钢水过热度为35-50℃，二冷水量为2200-2500L/min；
铸坯在不同的中心固相率fs区间进行轻压下：
当0.7≤fs<0.9时，压下速率为0.008-0.012mm/s，
当0.9≤fs<1时，压下速率为0.013-0.017mm/s，
在fs＝1.0位置及其后5m区间，压下速率为0.018-0.022mm/s。
5.根据权利要求4所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼工序的出钢温度≥1650℃，可选的，出钢温度为1650-1670℃。
6.根据权利要求4所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，转炉冶炼终点钢水磷含量≤0.006％，硫含量≤0.004％。
7.根据权利要求4所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，所述LF精炼的通电时间≤15min。
8.根据权利要求4-7任一项所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，所述RH真空精炼工序中，真空度≤2mbar，脱气时间≥20min。
9.根据权利要求8所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，所述RH真空精炼工序中，控制原辅料水分含量≤0.05％，精炼结束钢水磷含量≤0.007％，硫含量≤0.003％，氮含量≤0.0025％，氢含量≤0.00015％。
10.根据权利要求4-9任一项所述的芯部高致密度连铸厚板坯的生产方法，其特征在于，所述连铸工序采用大包长水口、中包覆盖剂和浸入式水口全程保护浇铸，水口氩封流量为5-7L/min。
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