CN116020987A - 高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法，目的是利用连铸生产代替原有模铸生产。为实现上述目的，具体采取以下方案：⑴钢种成分设计,将主元素在国家标准范围内进行设计优化；⑵保护渣设计,降低熔化温度、提高熔化速度；⑶连铸机准备；⑷封引锭，引锭头低位距离结晶器下口150mm即可；⑸开浇，浸入式水口吐出孔的上沿插入结晶器深度锁定在100mm～105mm；⑹起拉矫，确保结晶器液位波动不大于±2.5mm；⑺脱锭及出坯。本发明的有益之处在于：能够解决结晶器漏钢、扇形段内铸坯断裂、铸坯表面横向凹陷、铸坯表面横纵裂纹、轧材开裂等技术难题。高合工钢Cr12MoV系列连铸的方法，代替原有的模铸生产，使炼钢生产效率提高、成本显著降低。
Description
技术领域
本发明属于冶金连鋳技术领域，具体涉及一种高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法。
背景技术
高合工钢Cr12MoV系列属于冷作模具钢，从凝固组织观察其属于高碳高铬型莱氏体钢，钢中含碳量超过1.45％，其主要成分如表1所示。
表1
该钢种熔点偏低，凝固两相脆性温度区间较宽、裂纹敏感性强，造成此类钢种连铸生产难度非常大。
与连铸相比，传统模铸具有钢液冷却均匀、凝固缓慢的优势，模铸生产高合工钢Cr12MoV系列可避免原始锭坯凹陷、裂纹，轧材开裂的问题，因此之前国内外的高合工钢Cr12MoV系列均采用模铸生产。但传统模铸生产具有生产效率低、冶炼成本高的缺点，因此尽快探索连铸机生产高合工钢Cr12MoV系列的方法是重要课题。
发明内容
本发明公开了一种高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法，目的是利用连铸生产代替原有模铸生产，在保证钢坯质量的情况下提高生产效率、降低冶炼成本、提升Cr12MoV系列模具钢行业市场竞争力。
为实现上述目的，具体采取以下方案：
⑴钢种成分设计
将Cr12MoV主元素在国家标准范围内进行设计优化，如表2所示。
表2
⑵保护渣设计
保护渣具体理化指标如表3所示。
表3
⑶连铸机准备
在一台两机两流、弧形半径为16.5m的弧形连铸机上面生产规格为200mm×(515～850)mm的板坯Cr12MoV系列钢；根据Cr12MoV品种工艺要点中的要求，对结晶器、扇形段、拉矫机、保护渣、冷却水等工装设备、原辅材料、工艺参数进行试验准备,即是连铸机生产前常规产前准备，确保均可满足要求。
⑷封引锭
连铸机生产前准备就绪后，将引锭杆从出坯辊道送入结晶器，引锭头低位距离结晶器下口150mm即可；将引锭头与结晶器间的缝隙使用石棉绳严密封堵，在引锭头上方放入专用封引锭工具，摆好弹簧及冷料。
⑸开浇
利用钢包回转台将钢包从接包位运转至浇注位，中包车运载着中间包开到浇注位，利用滑板机构将钢包水口拉开，Cr12MoV钢液进入中间包，当中间包内钢液到达6t时，塞棒抬起，钢液从中间包的浸入式水口流入结晶器，浸入式水口两侧吐出孔向下倾角15°，吐出孔的上沿插入结晶器深度锁定在100mm～105mm。
⑹起拉矫
当结晶器内钢液面没过浸入式水口吐出孔，开浇时间介于90s～120s时，拉矫机起步，结晶器液位转自动控制，通过结晶器液位检测、控制系统的升级、扇形段及拉矫机装备的精细维护，确保结晶器液位波动不大于±2.5mm；结晶器振动参数优化与上文中保护渣优化，共同配合达到提高液渣渗漏、保证渣膜厚度、均匀渣膜的目的，振动参数如下：振幅＝1.5+3.0×VC、振频＝120+20×VC；结晶器冷却采用宽面2167L/mi n、窄面500L/mi n；钢液过热度选择40℃～50℃较合适；拉速选择0.75m/mi n～0.80m/mi n，铸坯运行400mm后拉速快速涨到工作拉速。
设计二冷区喷嘴排布，减缓铸坯近角部冷却，一区窄面第四排、二、三区宽面两侧喷嘴、四五区所有喷嘴均采用不喷水的形式；二冷喷淋优化，二冷比水量不大于0.18L/kg，即弱冷。
应确保铸坯矫直温度不低于850℃。
扇形段静态压下方案：连铸坯凝固末端，即是固相率90％～100％的位置落在扇形四段后5个辊子与扇形五段前5个辊子区间，因此对上述10个辊子的辊缝进行优化设计，使连铸坯在凝固过程中获得合适的压下量，来弥补钢液凝固体积收缩带来的中心偏析、中心孔洞缺陷,如图1所示。
每浇次前5m左右的铸坯因横向凹陷要切废。
⑺脱锭及出坯
特设计制作一个高合金工具钢开浇专用封引锭工具，封引锭工具已经获得国家实用新型专利，专利号ZL202122344599.9；当坯头运行至脱锭辊上方时，脱锭辊上顶，脱锭完成；连铸坯依靠自身重力及拉矫机压下作用，按照工艺设定拉速向下运行，不断输出合格连铸坯。
本发明的机理及发明点分析：
⑴钢种成分设计
Cr12MoV国家标准当中碳及合金元素范围均较宽且碳、铬含量高，因此钢种液相线较低，考虑到保护渣熔化、成渣速度，以确保其发挥良好的润滑、传热效果，因此将Cr12MoV主元素在国家标准范围内进行设计优化，如表2所示。
⑵保护渣设计
Cr12MoV品种本身液相线温度较低，因此保护渣熔化速度是制约保护渣性能发挥的首要因素；要想提高Cr12MoV品种保护渣的熔化速度，得到稳定且厚度合适的保护渣三层结构，首先是通过调整保护渣各组元配比，降低其熔化温度；其次是通过调整保护渣碳含量及碳酸盐含量，提高其熔化速度。
Cr12MoV品种高温下热膨胀系数低，因此渣膜通道相对窄，液渣的流入量小且不均匀；渣膜薄且不均匀第一会造成结晶器内坯壳传热不均匀产生裂纹，第二会造成初生坯壳受到结晶器壁的冷却过强而产生横向凹陷，第三会造成坯壳与结晶器壁之间无渣膜而产生粘结漏钢；因此，通过降低保护渣的粘度来提高液渣渗漏量及均匀渣膜；保护渣具体理化指标如表3所示。
⑶浸入式水口插入深度选择
此连铸机板坯断面结晶器为厚度为200mm、宽度为(515～850)mm可调，浸入式水口选择两侧吐出孔向下倾角15°的形式；在生产Cr12MoV品种时，浸入式水口插入深度的选择遵循两点：一是插入深度来提高结晶器液面的温度，提高保护渣熔化效果；二是保证结晶器液面不会因钢液冲击铜壁后反流带来的卷渣问题。
基于以上两点考虑，最终通过试验摸索，将浸入式水口吐出孔的上沿插入深度锁定在100mm～105mm。
⑷结晶器液位波动
对于常规品种，结晶器液位波动范围达到±3mm，甚至达到±5mm都不会对连铸坯表面产生不利影响；而对于Cr12MoV品种而言，上文中提到过此品种高温下热膨胀系数低，因此渣膜通道相对窄，液渣的流入量小且不均匀；当结晶器液位波动超过±2.5mm时，随之带来的影响一是恶化液渣渗漏均匀性，二是形成发达的渣条，最终导致铸坯表面横向凹陷缺陷。通过大量试验证明，Cr12MoV品种可适应的结晶器液位波动范围较窄，波动在±2.5mm以内能够保证其顺利生产及表面质量。因此通过结晶器液位检测、控制系统的升级；扇形段及拉矫机装备的精细维护，确保结晶器液位波动不大于±2.5mm。
⑸结晶器振动参数
结晶器振动参数依然选择正弦振动的形式，但是主要考虑液渣渗漏、渣膜均匀性，因此适当提高振动频率、降低负滑脱率。振动参数的优化与上文中保护渣优化，共同配合达到提高液渣渗漏、保证渣膜厚度、均匀渣膜的目的。
振动参数如下：
振幅＝1.5+3.0×VC
1.5：振幅常数
3.0：振幅拉速系数
VC：拉速
振频＝120+20×VC
120：振频常数
20：振频拉速系数
VC：拉速
⑹过热度
Cr12MoV品种受其钢种成分的影响，其液相线与固相线相差较大，在120℃左右。连铸坯的凝固过程较为缓慢，枝晶生长速度受钢液过热度影响较小。因此，过热度的控制方向需要考虑保护渣熔化速度及坯壳形成厚度。实践证明，过热度选择40℃～50℃较合适。
⑺拉速
一是出结晶器下口有足够的坯壳厚度及强度来确保铸坯运行至结晶器下口位置不会因钢水静压力的作用而撕裂漏钢，根据凝固定律计算得出拉速在0.75m/mi n～0.85m/mi n之间出结晶器下口坯壳厚度介于18mm～20mm之间，属于安全厚度。凝固过程中平方根公式如下：
d＝k√t＝k√l/v
式中：d为凝固坯壳厚度，mm；k为综合凝固系数，mm/mi n1/2；t为凝固时间，mi n；L为结晶器有效长度，m；v为拉坯速度，m/mi n。
二是通过拉速优化将铸坯凝固末端落在扇形段压下终点位置，有助于降低铸坯中心缩孔、中心偏析，改善铸坯芯部质量。通过固相率控制模型计算，拉速选择0.75m/mi n～0.80m/mi n较为合适。
⑻结晶器冷却
结晶器冷却的主要目的是确保出结晶器下口的凝固坯壳达到安全厚度，同时保证坯壳受到的冷却均匀。在实际产前检查及生产过程中关注结晶器铜板水缝的均匀性、结晶器进出水温差稳定性；结晶器冷却采用宽面2167L/mi n、窄面500L/mi n。
⑼二冷区喷嘴结构优化
板坯冷却分为五个冷却区：一区为足辊段全水冷却，宽窄面均有喷淋；二、三区为扇形一&二段气雾冷却，仅宽面有冷却，宽面四排交替喷嘴；四、五区为扇形三、四段气雾冷却，仅宽面有冷却，宽面双排水嘴喷淋。板坯连铸坯，因其在结晶器内四个角部极其周边坯壳受到的冷却较其它部位强，加之Cr12MoV裂纹敏感性强，最终生产的连铸坯及轧材易出现近角部裂纹问题。因此，通过重新设计二冷区喷嘴排布，减缓铸坯近角部冷却，最终解决了铸坯及轧材近角部裂纹问题。一区窄面第四排、二三区宽面两侧喷嘴、四五区所有喷嘴均采用不喷水的形式。
⑽二冷喷淋优化
Cr12MoV钢裂纹敏感性强，应确保铸坯矫直温度不高于850℃。因此将钢种成分、过热度、拉速、结晶器冷却、需要的表面温度参数输入表面温度、中心温度以及固相率控制模型，计算得出二冷比水量不大于0.18L/kg，即弱冷。
⑾扇形段静态压下
高碳钢因两相区较宽，偏析、疏松、缩孔问题突出。为改善连铸板坯Cr12MoV心部质量，依据凝固坯壳公式计算了凝固终点位置，设计了静态压下方案，如图1所示。
⑿混拉提高成坯率
Cr12MoV品种除了裂纹敏感性强，其还有一个特性即硬度大。因此每次开浇后，在坯头出最后一组拉矫机之前，拉矫机压下的是引锭杆而非铸坯，硬度较大的Cr12MoV铸坯在扇形段及拉矫机内受到强大的阻力与抗变性力，最终导致结晶器液面稳定性差，液位波动严重超标，每浇次前5m左右的铸坯因横向凹陷要切废。
为了减少凹陷切废量提升成坯率，发明一种DLCr8混拉Cr12MoV的方法。运用此方法，每浇次因横向凹陷被迫切废量由15m降低至5m。减少横向凹陷量的原理是DLCr8品种硬度较Cr12MoV低很多，开浇由DLCr8钢坯引出，降低铸坯在扇形段及拉矫机内的阻力与抗变性力，从而提升结晶器液面稳定性。
DLCr8与Cr12MoV混拉方法：首炉DLCr8品种，第二炉及后续为Cr12MoV品种，在第一炉与第二炉衔接时，将中间包吨位控制在5t左右，中包内混合的过渡坯按照过渡坯管理及销售。
⒀运用封引锭工具提高开浇成功率
Cr12MoV钢硬度大、塑性差、易断裂，因此开浇坯头的矫直及脱锭困难是制约顺利产出合格铸坯的最大问题。针对此问题，特设计制作一个高合金工具钢开浇专用封引锭工具。确保开浇后坯头矫直及脱锭顺利。封引锭工具已经获得国家实用型专利，专利号ZL202122344599.9。
本发明的有益之处在于：能够解决结晶器漏钢、扇形段内铸坯断裂、铸坯表面横向凹陷、铸坯表面横纵裂纹、轧材开裂等技术难题。高合工钢Cr12MoV系列连铸的方法，代替原有的模铸生产，使炼钢生产效率提高、成本显著降低，目前东北特殊钢集团股份有限公司每月生产高合工钢Cr12MoV系列1500余吨合格连铸坯。
附图说明
图1采用辊缝收缩的静态压下方案；
图2表面合格的Cr12MoV板坯；
图3低倍质量合格的Cr12MoV板坯。
具体实施方式
下面结合具体实施例进行详细描述和说明。
实施例1
2020年11月2日，运用以上发明的“高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法”，成功生产出规格为200mm×650mm一个浇次共计5炉Cr12MoV品种，其中：
⑴可浇性方面：整浇次无漏钢事故；
⑵成坯率：5炉钢合格铸坯556.2吨，成坯率高达97.2％；
⑶铸坯表面质量：连铸坯表面无裂纹、凹陷、划伤、压坑等缺陷，满足下工序轧制使用；表面合格的Cr12MoV板坯见图2。
⑷铸坯内部质量：连铸坯低倍中松2.0、缩孔0.5级，满足下工序轧制使用；低倍质量合格的Cr12MoV板坯见图3。
实施例2
2021年1月～12月，运用以上发明的“高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法”，成功生产出规格为200mm×525mm、200mm×550mm、200mm×625mm、200mm×650mm多个浇次共计96炉Cr12MoV品种，其中：
⑴可浇性方面：整浇次无漏钢事故；
⑵成坯率：96炉钢合格铸坯9888.5吨，成坯率高达97.25％；
⑶铸坯表面质量：连铸坯表面无裂纹、凹陷、划伤、压坑等缺陷，满足下工序轧制使用；
⑷铸坯内部质量：连铸坯低倍中松1.5级～2.0级、缩孔0级～0.5级，满足下工序轧制使用。
实施例3
2022年1月～11月，运用以上发明的“高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法”，成功生产出规格为200mm×525mm、200mm×550mm、200mm×625mm、200mm×650mm多个浇次共计135炉Cr12MoV品种，其中：
⑴可浇性方面：整浇次无漏钢事故；
⑵成坯率：145炉钢合格铸坯14925.6吨，成坯率高达97.27％；
⑶铸坯表面质量：连铸坯表面无裂纹、凹陷、划伤、压坑等缺陷，满足下工序轧制使用；
⑷铸坯内部质量：连铸坯低倍中松1.5级～2.0级、缩孔0级～0.5级，满足下工序轧制使用。
Claims (1)
1.高合工钢Cr12MoV系列的连铸方法，在一台两机两流、弧形半径为16.5m的弧形连铸机上面生产规格为200mm×(515～850)mm的板坯Cr12MoV系列钢，连铸机常规产前准备确保满足要求,其特征在于，连铸方法具体如下：
⑴钢种成分设计
将Cr12MoV元素进行设计优化为：碳：1.45％～1.50％，硅：0.30％～0.40％，锰：0.20％～0.40％，磷：0.000％～0.030％，硫：0.000％～0.030％，铬：11.00％～11.20％，钼：0.41％～0.44％，钒：0.15％～0.30％，铜：0.00％～0.25％，镍：0.00％～0.25％；
⑵保护渣设计
保护渣具体理化指标为：CaO/SiO2(％)：0.84±0.06，SiO2(％)：28.00±3.00，CaO(％)：23.60±3.00，Al 2O3(％)：3.80±1.50，MgO(％)：3.60±1.00，R2O(％)：24.10±3.00，F-(％)：11.70±1.50，C(％)：5.30±1.50，熔点温度(℃)：980±30，粘度(1300℃)(Pa.s)：0.05±0.15；
⑶封引锭
连铸机生产前准备就绪后，将引锭杆从出坯辊道送入结晶器，引锭头低位距离结晶器下口150mm即可；将引锭头与结晶器间的缝隙使用石棉绳严密封堵，在引锭头上方放入专用封引锭工具，摆好弹簧及冷料；
⑷开浇
利用钢包回转台将钢包从接包位运转至浇注位，中包车运载着中间包开到浇注位，利用滑板机构将钢包水口拉开，Cr12MoV钢液进入中间包，当中间包内钢液到达6t时，塞棒抬起，钢液从中间包的浸入式水口流入结晶器，浸入式水口两侧吐出孔向下倾角15°，吐出孔的上沿插入结晶器深度锁定在100mm～105mm；
⑸起拉矫
当结晶器内钢液面没过浸入式水口吐出孔，开浇时间介于90s～120s时，拉矫机起步，结晶器液位转自动控制，通过结晶器液位检测、控制系统的升级、扇形段及拉矫机装备的精细维护，确保结晶器液位波动不大于±2.5mm；结晶器振动参数优化如下：振幅＝1.5+3.0×VC、振频＝120+20×VC；结晶器冷却采用宽面2167L/min、窄面500L/min；钢液过热度选择40℃～50℃；拉速选择0.75m/min～0.80m/min，铸坯运行400mm后拉速快速涨到工作拉速；
⑹设计二冷区喷嘴排布，减缓铸坯近角部冷却，一区窄面第四排、二、三区宽面两侧喷嘴、四、五区所有喷嘴均采用不喷水的形式；二冷喷淋优化，二冷比水量不大于0.18L/kg，即弱冷；
⑺应确保铸坯矫直温度不低于850℃；
⑻扇形段静态压下方案：连铸坯凝固末端，即是固相率90％～100％的位置落在扇形四段后5个辊子与扇形五段前5个辊子区间，因此对上述10个辊子的辊缝进行优化，使连铸坯在凝固过程中获得合适的压下量，来弥补钢液凝固体积收缩带来的中心偏析、中心孔洞缺陷；
⑼每浇次前5m左右的铸坯因横向凹陷要切废；
⑽脱锭及出坯
利用高合金工具钢开浇专用封引锭工具引锭，当坯头运行至脱锭辊上方时，脱锭辊上顶，脱锭完成；连铸坯依靠自身重力及拉矫机压下作用，按照工艺设定拉速向下运行，不断输出合格连铸坯。
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