CN114985691A - 一种中高碳钢盘条用连铸坯表层晶界网状渗碳体控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种中高碳钢盘条用连铸坯表层晶界网状渗碳体控制方法。本发明的方法通过严格控制中高碳钢生产工艺的连铸工序中的结晶器保护渣总厚度和液渣层厚度，以及结晶器振动的横、纵偏振量，可以避免破坏结晶器内钢水弯月面位置处的保护渣结构，使保护渣的富碳层不与连铸坯表层接触而发生增碳，由此可避免连铸坯表层晶界形成网状渗碳体，进而能够完全消除连铸坯表层晶界渗碳体组织，既不增加冶炼成本，也不影响连铸坯金属收得率。

Description

一种中高碳钢盘条用连铸坯表层晶界网状渗碳体控制方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种中高碳钢盘条用连铸坯表层晶界网状渗碳体控制方法。

背景技术

碳含量为0.30~0.70%的中高碳钢盘条主要包括弹簧钢、冷镦钢、优质碳素钢、工具钢等，广泛应用于建筑、基建、汽车、机械等领域，用途的特殊性使得对生产盘条用连铸坯表面质量有着严格要求。

中高碳钢连铸生产时，结晶器保护渣的液渣层上方存在着很薄但碳含量很高的富碳层，其碳含量最高可达保护渣中原始碳含量的5倍左右，富碳层不仅碳含量高，而且具有非烧结特性，很容易与钢水混合，造成连铸坯表面局部增碳，进一步使得连铸坯表层晶界形成网状渗碳体组织。依据金属流变特性，该组织最终遗传至盘条表层，由于网状渗碳体组织塑性差，导致盘条在使用过程中可能会出现裂纹、脆断等质量风险，因此，非常有必要对中高碳钢盘条用连铸坯局部增碳进行控制，以减少甚至避免形成表层晶界网状渗碳体。

目前，控制中高碳钢盘条用连铸坯局部增碳形成表层晶界网状渗碳体的方法主要有：1）采用微碳或无碳保护渣，通过减少保护渣中的碳含量，来消除富碳层对铸坯的增碳，但为保证保护渣性能，需添加其他化合物如Li₂O等，会导致冶炼成本增加；2）通过优化连铸工艺减轻铸坯表面增碳，进一步结合轧制工艺氧化去除铸坯表面增碳，但这会降低金属收得率，同样也会增加冶炼成本。可见，上述方法都不能完全消除连铸坯表层因局部增碳而形成的网状渗碳体组织，那么对于本领域技术人员而言，如何完全消除中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织成为亟待解决的一个技术难题。

发明内容

鉴于此，本发明要解决的技术问题是现有技术不能完全消除连铸坯表层因局部增碳而形成网状渗碳体组织，导致冶炼成本高且产品质量风险大，进而提供一种可完全消除中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织的控制方法。

本发明还提供了一种由上述中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法生产的中高碳钢连铸坯，所述连铸坯的表层晶界不存在渗碳体组织。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，该方法需要在中高碳钢生产工艺的连铸工序中满足以下工艺条件：

（1）结晶器保护渣的总渣层厚度为80~120mm，液渣层厚度为3~7mm；以及

（2）结晶器振动的横向偏振量为0~0.2mm，纵向偏振量为0~0.2mm。

在本发明的一些实施例中，所述中高碳钢中的碳含量以质量百分数计为0.30~0.70%。

在本发明的一些实施例中，所述连铸工序使用的连铸机的断面尺寸为140mm×140mm~180 mm×180mm。

在本发明的一些实施例中，所述连铸机的拉速为2.8~4.2m/min。

在本发明的一些实施例中，所述连铸工序中使用的中间包内钢水的过热度为10~15℃。

在本发明的一些实施例中，所述保护渣的二元碱度(R=m(CaO)/m(SiO₂))为0.6~0.8。

在本发明的一些实施例中，所述保护渣的熔点为1000~1100℃，熔速为30~60s。

在本发明的一些实施例中，所述保护渣在1300℃下的粘度为0.15~0.35Pa•s。

在本发明的一些实施例中，以质量百分数计，所述保护渣的化学成分为SiO₂ 31~35%、CaO 23~27%、MgO 2.0~5.0%、Al₂O₃ 1.0~3.0%、Na₂O 7~9%、F 4~6%、C 13~17%，其余为不可避免的杂质。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器的振动参数为振幅4~6mm，振频150~170cpm。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器的电磁搅拌参数为电流300~500A，频率8~12Hz。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器的冷水量为2000~2600L/min。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器内液面波动范围在±1~2mm。

另一方面，本发明还提供了一种中高碳钢连铸坯，由上述中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法生产得到。所述连铸坯的表层晶界不存在渗碳体组织。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明实施例提供的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，需要在中高碳钢生产工艺的连铸工序中严格控制结晶器中保护渣的总厚度和液渣层厚度，以及结晶器振动的横、纵偏振量，以避免破坏结晶器内钢水弯月面位置处的保护渣结构，使保护渣的富碳层不与连铸坯表层接触而发生增碳，由此可避免连铸坯表层晶界形成网状渗碳体，进而能够完全消除连铸坯表层晶界渗碳体组织，既不增加冶炼成本，也不影响连铸坯金属收得率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式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为本发明实施例3制备的连铸坯表层金相图。

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。

本发明的发明构思如下：

中高碳钢盘条用途的特殊性使得对生产盘条用连铸坯的表面质量有着严格要求。当连铸坯因表层局部增碳而形成网状渗碳体时，依据组织遗传特性，对应的盘条表层易形成网状渗透体组织，进行深加工时，由于网状渗碳体组织变形性与基体组织存在差异，易导致裂纹脆断，从而影响产品质量。为解决上述技术问题，发明人依据钢中碳含量及连铸机断面尺寸，首先，选择合适的连铸机拉速及钢水过热度，采用低熔点、低熔速保护渣在结晶器内钢水弯月面上方形成稳定的三层结构（粉渣层、烧结层、液渣层），进一步地，通过控制保护渣的总渣层厚度，并采用结晶器电磁搅拌促进保护渣熔化，保证液渣层厚度为3~7mm。然后，控制结晶器振动参数，使得在前述拉速下保护渣的加入量与消耗量能够保持平衡，并结合结晶器电磁搅拌、冷却水量，保证结晶器内坯壳均匀生长。最后，控制结晶器液面波动及横、纵向偏振量，避免破坏结晶器内钢水弯月面位置处的保护渣结构，使得保护渣富碳层不与连铸坯表层接触而发生增碳。采用本发明提供的上述方法，能够完全消除中高碳钢连铸坯表层晶界网状渗碳体，既不增加冶炼成本，也不影响连铸坯金属收得率。

本发明实施例采用如下生产工艺KR→BOF→LF→CC生产中高碳钢，具体包括如下步骤：

KR工序：对铁水进行机械搅拌，并喷入石灰粉、萤石脱硫；

BOF工序：将KR脱硫得到的铁水倒入转炉，对铁水进行吹氧升温，脱碳、脱磷，得到低碳钢水；

LF工序：将钢水吊运至精炼工序，进行合金化，温度控制，得到温度、成分符合要求的钢水；

CC工序：将温度、成分符合要求的钢水吊运至连铸平台，进行保护浇注，得到连铸坯。

其中，在CC工序（连铸工序）中控制如下工艺条件，以避免中高碳钢连铸坯表层晶界产生渗碳体组织：

（1）结晶器保护渣的总渣层厚度为80~120mm，液渣层厚度为3~7mm；以及（2）结晶器振动的横向偏振量为0~0.2mm，纵向偏振量为0~0.2mm。

本发明实施例通过严格控制结晶器中保护渣的总厚度和液渣层厚度，以及结晶器振动的横、纵偏振量，避免破坏结晶器内钢水弯月面位置处的保护渣结构，使保护渣的富碳层不与连铸坯表层接触而发生增碳，由此可避免连铸坯表层晶界形成网状渗碳体，进而能够完全消除连铸坯表层晶界渗碳体组织，既不增加冶炼成本，也不影响连铸坯金属收得率。

在本发明的一些实施例中，所述中高碳钢中的碳含量以质量百分数计为0.30~0.70%。

在本发明的一些实施例中，所述连铸工序使用的连铸机的断面尺寸为140mm×140mm~180 mm×180mm。

在本发明的一些实施例中，所述连铸机的拉速为2.8~4.2m/min。该拉速是依据连铸机断面所决定的，相同断面，拉速越高，铸坯中心质量不易控制；拉速太低，会影响生产节奏及钢产量。因此，本发明选择连铸机拉速为2.8~4.2m/min，能够兼顾铸坯质量和钢产量。

在本发明的一些实施例中，所述连铸工序中使用的中间包内钢水的过热度为10~15℃。过热度的高低可间接反映出与结晶器内保护渣接触的钢水温度的高低，对于相同的保护渣来说，过热度低，则钢水温度低，保护渣液渣层厚度薄，易导致富碳层与钢水接触，发生增碳；过热度高，则钢水温度高，保护渣液渣层厚度厚，在结晶器振动作用下，易使得结晶器弯月面位置处形成渣条，阻碍保护渣液渣流入结晶器与铸坯之间的缝隙，恶化了保护渣的润滑性能，进一步导致铸坯出现表面裂纹，甚至漏钢等问题。因此本发明将过热度稳定控制在10~15℃，有利于稳定控制保护渣液渣层厚度。

在本发明的一些实施例中，所述保护渣的二元碱度(R=m(CaO)/m(SiO₂))为0.6~0.8。二元碱度与熔点呈正相关，与粘度呈负相关，当碱度值高时，会造成保护渣熔点上升明显，导致在中间包钢水温度相同时，连铸过程中保护渣液渣层薄，润滑性能差，在结晶器振动下，坯壳与结晶器铜板之间摩擦力大，坯料表面易形成裂纹；当碱度值低时，会造成粘度上升明显，不利于增加保护渣渣耗及形成良好的润滑性能。本发明选择二元碱度R为0.6~0.8，以确保保护渣具备合适的润滑性。

在本发明的一些实施例中，所述保护渣的熔点为1000~1100℃，熔速为30~60s。采用低熔点、低熔速的保护渣，可在结晶器内钢水弯月面上方形成稳定的三层结构（粉渣层、烧结层、液渣层），从而避免液渣层厚度波动大导致铸坯表面增碳或形成渣条等问题。

在本发明的一些实施例中，所述保护渣在1300℃下的粘度为0.15~0.35Pa•s。粘度大于该范围，保护渣液渣层不易流入坯壳与结晶器铜管壁之间的间隙，润滑性能差；粘度小于该范围，则保护渣容易流入坯壳与结晶器铜管壁之间的间隙，传热速率高，易造成坯壳集中收缩，铸坯热应力增大，产生表面裂纹等缺陷。

在本发明的一些实施例中，以质量百分数计，所述保护渣的化学成分为SiO₂ 31~35%、CaO 23~27%、MgO 2.0~5.0%、Al₂O₃ 1.0~3.0%、Na₂O 7~9%、F 4~6%、C 13~17%，其余为不可避免的杂质。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器的振动参数为振幅4~6mm，振频150~170cpm。由此可使保护渣的加入量与消耗量保持平衡，从而稳定控制保护渣总渣层及液渣层厚度，避免液渣层厚度太薄导致连铸坯表层增碳形成晶界网状渗碳体，或液渣层厚度过厚易使得结晶器弯月面位置形成渣条，阻碍保护渣液渣流入结晶器与铸坯之间的缝隙，恶化保护渣润滑性能，进一步导致铸坯出现表面裂纹，甚至漏钢等问题。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器的电磁搅拌参数为电流300~500A，频率8~12Hz。该电磁搅拌条件可提高结晶器弯月面钢液流速及温度，促进保护渣熔化，结合控制总渣层厚度，保证液渣层厚度为3~7mm。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器的冷水量为2000~2600L/min，同时结合结晶器的电磁搅拌工艺条件，可保证结晶器内坯壳均匀生长，从而进一步使得结晶器内各位置保护渣总渣层厚度及液渣层厚度基本一致。

在本发明的一些实施例中，所述结晶器内液面波动范围在±1~2mm。由此可避免破坏结晶器内钢水弯月面位置处的保护渣结构，使得保护渣富碳层不与连铸坯表层接触而发生增碳。

在本发明的一些实施例中，生产中高碳钢的连铸工序包括如下步骤：

（1）LF冶炼结束后，钢水吊运至连铸平台，进行保护浇注，中间包钢水过热度为10~15℃，钢水由中间包经浸入式水口流入结晶器，连铸拉速为2.8~4.2m/min，结晶器冷却水流量2000~2600L/min，结晶器电磁搅拌参数为电流300~500A，频率8~12Hz，结晶器液面波动范围为±1~2mm；

（2）连铸结晶器采用保护渣浇注，保护渣化学成分为SiO₂ 31~35%、CaO 23~27%、MgO 2.0~5.0%、Al₂O₃ 1.0~3.0%、Na₂O 7~9%、F 4~6%、C 13~17%，其余为不可避免的杂质，二元碱度R 0.6~0.8，熔点为1000~1100℃，1300℃下的粘度为0.15~0.35Pa•s，熔速为30~60s；

（3）采用自动加渣装置加入保护渣，保护渣总渣层厚度为80~120mm，液渣层厚度为3~7mm；

（4）结晶器振动参数为振幅4~6mm，振频150~170cpm，横、纵向偏振量为0~0.2mm；

（5）铸坯出结晶器，经二冷区冷却及火焰切割，得到连铸坯。

下面结合具体实施例，对本发明提供的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法进行详细说明。

实施例1

钢种为SWRCH35K，C含量为0.35%，连铸机断面尺寸为140mm×140mm。

（1）LF冶炼结束后，钢水吊运至连铸平台，进行保护浇注，中间包钢水过热度为15℃，钢水由中间包经浸入式水口流入结晶器，连铸拉速为4.0m/min，结晶器冷却水流量2600L/min，结晶器电磁搅拌参数300A，8Hz，结晶器液面波动范围为±2mm；

（2）连铸结晶器采用保护渣浇注，保护渣化学成分为SiO₂ 31%、CaO 23%、MgO5.0%、Al₂O₃ 2.0%、Na₂O 8%、F 6%、C 13%，其余为不可避免的杂质，二元碱度R 0.87，熔点为1100℃，1300℃下的粘度为0.15Pa•s，熔速为50s；

（3）采用自动加渣装置加入保护渣，保护渣总渣层厚度为120mm，液渣层厚度为7mm；

（4）结晶器振动参数为振幅6mm，振频170cpm，横、纵向偏振量为0.2mm；

（5）铸坯出结晶器，经二冷区冷却及火焰切割，得到连铸坯。

实施例2

钢种为SWRH52A，C含量为0.52%，连铸机断面尺寸为160mm×160mm。

（1）LF冶炼结束后，钢水吊运至连铸平台，进行保护浇注，中间包钢水过热度为13℃，钢水由中间包经浸入式水口流入结晶器，连铸拉速为3.5m/min，结晶器冷却水流量2300L/min，结晶器电磁搅拌参数400A，10Hz，结晶器液面波动范围为±1.5mm；

（2）连铸结晶器采用保护渣浇注，保护渣化学成分为SiO₂ 33%、CaO 25%、MgO4.0%、Al₂O₃ 3.0%、Na₂O 7%、F 5%、C 15%，其余为不可避免的杂质，二元碱度R 0.76，熔点为1050℃，1300℃下的粘度为0.25Pa•s，熔速为40s；

（3）采用自动加渣装置加入保护渣，保护渣总渣层厚度为100mm，液渣层厚度为5mm；

（4）结晶器振动参数为振幅5mm，振频160cpm，横、纵向偏振量为0.1mm；

（5）铸坯出结晶器，经二冷区冷却及火焰切割，得到连铸坯。

实施例3

钢种为70，C含量为0.70%，连铸机断面尺寸为180mm×180mm。

（1）LF冶炼结束后，钢水吊运至连铸平台，进行保护浇注，中间包钢水过热度为10℃，钢水由中间包经浸入式水口流入结晶器，连铸拉速为2.8m/min，结晶器冷却水流量2000L/min，结晶器电磁搅拌参数500A，12Hz，结晶器液面波动范围为±1.0mm；

（2）连铸结晶器采用保护渣浇注，保护渣化学成分为SiO₂ 35%、CaO 23%、MgO2.0%、Al₂O₃ 1.0%、Na₂O 9%、F 4%、C 17%，其余为不可避免的杂质，二元碱度R 0.66，熔点为1000℃，1300℃下的粘度为0.35Pa•s，熔速为30s；

（3）采用自动加渣装置加入保护渣，保护渣总渣层厚度为80mm，液渣层厚度为3mm；

（4）结晶器振动参数为振幅4mm，振频150cpm，横、纵向偏振量为0mm；

（5）铸坯出结晶器，经二冷区冷却及火焰切割，得到连铸坯。

本实施例制得的连铸坯的浅表层金相组织如图1所示，从图1可以看出，该连铸坯晶界为铁素体，晶内为铁素体和珠光体组织，无晶界渗碳体组织。

实施例4

除以下内容外，其余内容与实施例1相同。

中间包钢水过热度为20℃，连铸机的拉速为2m/min。

实施例5

除以下内容外，其余内容与实施例1相同。

结晶器液面波动范围为±3mm。

实施例6

除以下内容外，其余内容与实施例1相同。

结晶器冷却水流量为1900L/min，结晶器电磁搅拌参数为电流200A，频率7Hz，结晶器振动参数为振幅8mm，振频180cpm。

对比例1

除以下内容外，其余内容与实施例1相同。

结晶器的横、纵向偏振量均为0.3mm。

对比例2

除以下内容外，其余内容与实施例1相同。

保护渣总渣层厚度为60mm，液渣层厚度为2mm。

测试例

对制备得到的铸坯表层金相组织进行分析统计，统计方法为统计每种工艺方案对应生产的500块连铸坯表层存在晶界渗碳体的块数，结果如表1所示，表层晶界渗碳体发生率（%）=存在表层晶界渗碳体的连铸坯块数/500×100%。

表1连铸坯表层晶界渗碳体发生率

	表层晶界渗碳体发生率，%
		实施例1	0.0
实施例2	0.0
		实施例3	0.0
实施例4	0.5
		实施例5	1.1
实施例6	4.6
		对比例1	35.2
对比例2	22.7

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。而由此所引伸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)

1.一种中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，在中高碳钢生产工艺的连铸工序中，满足以下工艺条件：

（1）结晶器保护渣的总渣层厚度为80~120mm，液渣层厚度为3~7mm；以及

（2）结晶器振动的横向偏振量为0~0.2mm，纵向偏振量为0~0.2mm。

2.根据权利要求1所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述中高碳钢中的碳含量以质量百分数计为0.30~0.70%。

3.根据权利要求1所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述连铸工序使用的连铸机的断面尺寸为140mm×140mm~180 mm×180mm。

4.根据权利要求3所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述连铸机的拉速为2.8~4.2m/min；

可选地，所述连铸工序中使用的中间包内钢水的过热度为10~15℃。

5.根据权利要求1~4任一项所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述保护渣的二元碱度为0.6~0.8；

可选地，所述保护渣的熔点为1000~1100℃，熔速为30~60s；

可选地，所述保护渣在1300℃下的粘度为0.15~0.35Pa•s。

6.根据权利要求5所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，以质量百分数计，所述保护渣的化学成分为SiO₂ 31~35%、CaO 23~27%、MgO 2.0~5.0%、Al₂O₃1.0~3.0%、Na₂O 7~9%、F 4~6%、C 13~17%，其余为不可避免的杂质。

7.根据权利要求1所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述结晶器的振动参数为振幅4~6mm，振频150~170cpm。

8.根据权利要求1或7所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述结晶器的电磁搅拌参数为电流300~500A，频率8~12Hz。

9.根据权利要求8所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法，其特征在于，所述结晶器的冷水量为2000~2600L/min；

可选地，结晶器内液面波动范围在±1~2mm。

10.一种中高碳钢连铸坯，由权利要求1~9任一项所述的中高碳钢连铸坯表层晶界渗碳体组织控制方法生产得到。

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