CN1187148C - 表面质量极好的奥氏体不锈钢带的双辊连铸方法以及利用该方法所获得的带材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接利用在两个冷却的水平辊子之间的液态金属连续铸造厚度小于或等于10毫米的奥氏体不锈钢带的方法，其特征在于：用重量百分比表示的所述钢的组成包括：C%≤0.08；Si%≤1；P%≤0.04；Mn%≤2；Cr%在17和20之间；Ni%在8和10.5之间；S%在0.007和0.040之间；其余为铁以及熔炼中所产生的杂质；Creq/Nieq比在1.55至1.90之间：其中Creq(%)＝Cr%+1.37Mo%+1.5Si%+2Nb%+3Ti%；Nieq(%)＝Ni%+0.31Mn%+22C%+14.2N%+Cu%；辊子表面具有截面形状基本上为圆形或椭圆形的凹坑，所述凹坑的直径在100-1500微米之间且深度为20-150微米之间；包围弯月面的惰性气体是一种可溶于钢中的气体或这类气体的混合物，或者由体积含量至少为50%的这样一种气体或气体混合物组成。

Description

表面质量极好的奥氏体不锈钢带的双辊连铸方法 以及利用该方法所获得的带材

本发明涉及金属的连续铸造，特别涉及利用所谓的“双辊浇注”方法直接将液态金属连续铸造成厚度为几毫米的奥氏体不锈钢带。

近年来，人们在发展直接将液态金属铸造成薄碳素钢带或不锈钢带的方法的方面已经取得了重大的进展。目前广泛使用的这种方法是在两个内部冷却并且彼此相对的辊子之间对液体金属进行浇注，所述两个辊子沿着相反的方向围绕它们的轴转动，它们表面之间的最小距离基本上等于铸带所需的厚度(例如为几毫米)。容纳钢水的浇注空间是由钢带能够在其上开始凝固的辊子侧面以及由耐火材料制成的并且抵靠在辊子端部的侧封闭板限定的。当液态金属接触辊子外表面时开始凝固，并且液态金属分别在两个辊子外表面上形成凝固的“型壳”，并使所形成的型壳在“辊隙”中相互结合在一起，所谓的“辊隙”指的是辊子之间的距离最小的区域。

当利用双辊浇注制造薄不锈钢带时所遇到的一个主要问题是，很可能出现在钢带的上有所谓的微裂纹的表面缺陷。尽管这些裂纹很小，但是它们仍然足以使所形成的冷处理产品不适于被使用。这些微裂纹是在钢的凝固过程中形成的并且深度大约为40微米，所具有的裂缝大约为20微米。它们的出现取决于在当型壳接触辊子时而它们在整个接触弧长上凝固的过程中金属的收缩。这个凝固过程可被描述为两个连续的步骤。第一个步骤是在液态金属与辊子表面之间的初始接触过程中，这时在辊子表面处形成固态金属型壳。第二个步骤涉及型壳在辊隙中的生长，如上所述，在一个辊子上所形成的型壳能够在辊隙中与在另一个辊子上所形成的型壳结合以构成完全凝固的带。钢与辊子表面之间的接触是由浇注辊的表面构形以及包围在浇注空间的惰性气体的性质和钢的化学组成决定的。利用所有这些参数能够在钢和辊子之间建立热交换并且能够控制型壳凝固的条件。当型壳凝固和冷却时，它们经受收缩。这些特别取决于从δ→γ相的转变程度，在这个转变过程中同时还存在金属密度在微观上的重大改变。这是由浇注金属的组成决定的。这些收缩还将改变型壳的凝固和冷却的条件。

Creq/Nieq比通常被用于表示奥氏体不锈钢的凝固路径。它是利用Hammar和Swensson关系借助于下列公式(其中的百分比是重量百分比)计算出来的：

Creq(％)＝Cr％+1.37Mo％+1.5Si％+2Nb％+3Ti％

Nieq(％)＝Ni％+0.31Mn％+22C％+14.2N％+Cu％。

人们为了获得没有不可接收的诸如微裂纹的表面缺陷的质量可靠的钢带已经尝试对双辊浇注方法进行了各种改进。

对于奥氏体不锈钢带，在专利文献EP-A-0 409 645中已经进行了描述。其中将存在于辊子表面上的几何形状被限定的“凹坑”(基本上为圆形或椭圆形的受到蚀刻的凹坑)与一种惰性气体结合使用，所述惰性气体为包含30至90％的可溶于钢中的气体的气体混合物，在辊子与钢首次接触时将这种惰性气体施加到所述凹坑上。专利文献EP-A-0 481 481中将一种化学组成与辊子上的一种凹坑的几何形状结合使用以促使钢凝固成初生铁素体δ→δ+γ，在所述化学组成中，δ-Fecal的指数在5％和9％之间，并且是由δ-Fecal＝3(Cr％+1.5Si％+Mo％)-2.8(Ni％+0.5Mn％+0.5Cu％)-84(C％+N％)-19.8限定的。所述凹坑通常是利用喷丸处理或激光加工形成的。在上述两篇文献中，都需要使这些凹坑相互分开。

专利文献EP-A-0 679 114中使用了形成在辊子表面上的周向沟槽，所述沟槽使所述表面的表面粗糙度达到2.5至15微米。它结合使用了一种能够使钢凝固成初生奥氏体的化学组成，其特征在于，Creq/Nieq比小于1.60。但是，使钢凝固成初生奥氏体增加了不锈钢热裂的敏感性并且增大了在钢带上形成纵向裂纹的可能性。

专利文献EP-A-0 796 685中披露了对一种Creq/Nieq比大于1.55的钢进行浇注以使在高温下的相变达到最小化并且利用表面具有直径为100-1500微米且深度为20-150微米的凹坑的辊子以及利用一种可溶于钢中的气体或者一种主要由这样一种可溶性气体的气体混合物在弯月面(在液态金属的表面和辊子表面之间的交界面)周围对该区域惰化来进行浇注。该粗糙区域的峰处用作开始凝固的位置，该粗糙区域的谷地在凝固过程中构成了金属收缩的接合点，并且使应力分布更加合理。但是，当Creq/Nieq比大于1.70时，通常不能避免少量微裂纹的存在。

本发明的一个目的是，提供一种浇注薄奥氏体不锈钢带的方法，这种钢带的表面没有微裂纹以及其它主要缺陷，并且在实施该方法时不需要对浇注条件提出特别的要求，而且能够对Creq/Nieq比的范围宽于目前方法中所用的钢带进行浇注。

为了达到这个目的，本发明提供一种直接利用在两个冷却的水平辊子之间的液态金属连续铸造厚度小于或等于10毫米的奥氏体不锈钢带的方法，其特征在于：

-用重量百分比表示的所述钢的组成包括：C％≤0.08；Si％≤1；P％≤0.04；Mn％≤2；Cr％在17和20之间；Ni％在8和10.5之间；S％在0.007和0.040之间；其余为铁以及熔炼中所产生的杂质；

-Creq/Nieq比在1.70至1.90之间：其中

Creq(％)＝Cr％+1.37Mo％+1.5Si％+2Nb％+3Ti％

以及

Nieq(％)＝Ni％+0.31Mn％+22C％+14.2N％+Cu％

-辊子表面具有截面形状基本上为圆形或椭圆形的凹坑，所述凹坑的直径在100-1500微米之间且深度为20-150微米之间；

-包围弯月面的惰性气体是一种可溶于钢中的气体或包含这种气体的混合物，或者由体积含量至少为50％的这样一种气体或气体混合物组成。

本发明还提供一种可利用这种方法所生产的带材。

应该理解的是，本发明将关于浇注金属的组成、辊子的表面光洁度和用于使弯月面惰化的气体组成的条件结合在一起以获得一种没有微裂纹的带材表面。所需组成的新颖之处主要在于，金属必须包含含量大于最常遇到(但是，不高于可能危及产品耐腐蚀性能的数值)的含硫量的硫并且该含硫量必须与Creq/Nieq比的一个准确范围结合在一起。

通过下面结合附图进行描述的内容中可以更完全地理解本发明：

-图1示出了根据现有技术在辊子间浇注的奥氏体不锈钢带的截面，其中示出了需要防止的微裂纹的构形；

-图2是表示金属中的含硫量对铸带表面上的微裂纹的存在的影响的一个曲线图。

液态金属第一次与辊子接触的条件是在带材凝固过程中的一个很重要的因素并且会对带材的表面质量产生很大的影响。因此，确保铸带中没有微裂纹，对它们进行很好的控制是非常重要的。但是，辊子之间的液态金属表面高度所出现的不可避免的波动会使这种控制复杂化，特别是由于在该区域进行第一次接触时而进行的热交换过程中它们是不规则性的源头。由于在型壳凝固的后面阶段中金属在凝固过程中的收缩会导致其它这样的不规则性，金属收缩特别会导致奥氏体不锈钢出现独有的高温相变。这些收缩可能会产生微裂纹。图1示出了从一种薄奥氏体不锈钢带1的样本上获得的显微照片，其中示出的是纵向截面。带1的表面2上具有微裂纹3，这种类型的微裂纹特别是本发明想要防止出现的。在该样本中所进行的金相腐蚀露出了在微裂纹3周围以及沿着其延伸部分的一个浅色区域；该区域对应于富含某些金属(诸如镍和锰)的隔离区域。

已经发现，在液态金属中加入表面活性元素(诸如硫)能够对金属第一次接触浇注辊的条件造成很大的影响，所述表面活性元素会对液态金属在辊子表面处的表面张力起作用。特别是，这种添加会通过提高与辊子表面之间的浸润性而使液态金属弯月面的形状变得非常稳定。这会在液态金属与辊子之间的第一次接触中能够随着时间的变化大大地提高它们之间的热交换的均匀性和规则性。本发明人通过对由304号奥氏体不锈钢制成的薄铸带在横向上的金相截面上形成的柱状壳厚度的规则性测试已证明了上述这些影响。铸带在其表面上展现微裂纹的高倾向性可以证明在这些厚度中的不规则性。相反，如果凝固壳的柱状部分的厚度是规则的，这表示在浇注过程中弯月面的高度仅出现很小的变化，同时在带材的表面上也没有出现微裂纹。

图2中的曲线表示了这些研究的结果，这些研究的对象是以50米/分的速度浇注的厚度为3毫米的带材。浇注辊的表面被平均深度达到80微米且平均直径达到1000微米的凹坑粗糙化。这些浇注钢的组成在下面所述的范围内：C：0.02-0.06％；Mn：1.3-1.6％；P：0.019-0.024％；Si：0.34-0.45％；Cr：18.0-18.7％；Ni：8.6-9.8％；Si：0.0005-0.446％。这些钢的Creq/Nieq比在从1.79至1.85的范围内变化。包含体积含量为60％的氮以及体积含量为40％的氩的惰性气体包围弯月面。X轴表示的是金属中的含硫量，Y轴表示的是在浇注过程中弯月面高度的波动程度，这代表在带材凝固结构中所观察到的柱状区域的厚度的标准偏差。可以看出，在相同的浇注条件下，金属的含硫量越高，尽管其它元素的含量基本类似，弯月面高度中的波动程度越小。当含硫量在0.007％以上时，所述波动会大幅度地减小，即使在含量处于下限时，也能够看出这种效果。还应该理解的是，在带材表面存在微裂纹与这些波动是有直接的联系，对于0.007％的含硫量的下限也就是防止微裂纹产生所需的最低限度。

概括地说，本发明人已经确定了一组需要符合的条件以便能够在带材表面不出现微裂纹的情况下将奥氏体不锈钢的浇注成薄带材，这些条件如前面所述。利用下面的方式证明它们的正确性。

当含硫量低于0.007％时，弯月面的高度的波动会变得很大并且热交换是不规则的，这将导致微裂纹的形成，特别是在Creq/Nieq比大于1.70的情况下。含硫量的上限被设定在0.04％，这是因为在该数值以上，含硫量对弯月面稳定性的影响不再明显地增大，并且另外会增大使由这种带材制成的最终产品的抗点蚀性能下降的可能性。

磷含量必须被保持在小于0.04％的范围内以便当Creq/Nieq比接近1.55，即当凝固部分地表现为初生奥氏体，而不是主要为初生铁素体时时避免出现带材热裂的危险性。

Creq/Nieq比必须至少为1.55，这是因为，当Creq/Nieq比在该数值以下时，凝固部分地表现为初生奥氏体，从而增大了带材的断裂的敏感性并且促使纵向裂纹的出现，这也是必须被防止的。对于Creq/Nieq比对于1.90的情况下，由于铁素体-奥氏体转变而出现的收缩会变得过于剧烈，从而必然产生微裂纹。另外，带材中的铁素体含量会过于高，可能会在由铸带所生产的最终产品成型后断裂。

对于铸钢的其它分析条件通常是相对于最常用的奥氏体不锈钢，特别是304号或者类似类型的钢材。当然，除了上述的元素以外的元素也可以杂质的形式或者作为少量的合金化元素存在于钢中，但是应该保证的是，它们不能对凝固条件以及钢水在辊子表面处的表面张力产生很大的影响，这才能保证在所生产的带材中没有微裂纹。

如上所述，包围弯月面的惰性气体的性质会对钢与辊子表面接触的条件产生强烈的影响，特别是当辊子的粗糙度为“负值”时惰性气体在带材表面上的移动，具有形成微裂纹的危险性。对于完全或基本上不能溶于钢中的气体来说，诸如氩或氦，几乎没有或没有渗入到在辊子表面中的凹坑中的凝固钢。因此，实际仅在粗糙度峰处出现排热，这使在辊子表面上的排热是不均匀的。这种不均匀性会导致微裂纹的形成。相反，对于一种包含能够适量溶于钢中的气体的惰性气体，诸如氮、氢、氨或二氧化碳，如果惰性气体完全由这样一种气体或这样的气体的混合物构成的，那么钢会很好地渗入到辊子表面中的凹坑中并且在第一次接触后会有效地排热。此外，这也降低了在粗糙度峰处和凹坑处排热的不均匀性。所有这些都具有限制形成微裂纹可能性的趋势。在实际中，相对于金属的组成和辊子的表面粗糙度考虑其它所需的浇注条件时，可溶于钢中的气体(或气体混合物)在惰性气体的含量的下限设定在50％。

如果辊子表面上具有直径在100-1500微米之间且深度为20-150微米之间的凹坑，那么上述条件能够导致所需结果。

为了对本发明进行说明以及证明这种要求是合理的，下面将给出应用实施例。

实施例1：

在双辊间浇注厚度为3毫米的奥氏体不锈钢带。辊子的表面具有平均直径为1000微米且平均深度为100微米的凹坑。包围在弯月面的惰性气体包含40％的氩和60％的氮。钢的组成在下列范围内变化：C：0.02-0.06％；Mn：1.3-1.6％；P：0.019-0.024％；Si：0.34-0.45％；Cr：18.0-18.7％；Ni：8.6-9.8％；Si：0.0005-0.0446％。铸钢的Creq/Nieq比在1.79至1.85之间变化。对铸带上的微裂纹的表面密度进行测量并且将测量的结果与在铸钢中的硫含量进行比对。表1给出了这些试验的结论。

表1：钢中的硫含量对微裂纹的表面密度的影响

S％	每dm2的微裂纹的数量
		0.0005	110
0.0028	75
		0.0066	10
0.0075	0
		0.0080	0
0.0150	0
		0.0388	0
0.0446	0

在这些实施例中，当铸钢的Creq/Nieq比在1.79至1.85之间变化(并因此仅在很窄的范围内改变时)时，可以明显地看出，所观察到的微裂纹的密度主要取决于钢中的硫含量。对于硫含量大于0.007％的情况，没有观察到微裂纹，而当硫含量低或很低时，微裂纹会大量的出现。图2中所示的曲线中是根据这些结果绘制的。

实施例2：

在双辊间浇注厚度为3.8毫米的奥氏体不锈钢带。每一种钢的组成在表2中给出。辊子的表面粗糙度的特征在于，具有平均直径在1000微米且平均深度为120微米的凹坑。

表2：实施例2的钢中的化学组成

钢	C％	Mn％	P％	S％	Si％	Ni％	Cr％	Cu％	Mo％	N％	Crep/Niep
												A	0.038	0.87	0.019	0.004	0.451	8.61	18.28	0.128	0.071	0.0456	1.82
B	0.035	0.82	0.021	0.019	0.562	8.58	18.23	0.114	0.218	0.0535	1.85
												C	0.015	1.57	0.020	0.005	0.510	10.16	18.25	0.108	0.082	0.0423	1.64
D	0.053	1.50	0.023	0.039	0.266	9.07	18.11	0.264	0.299	0.0509	1.62

在这些钢被浇注时，在弯月面区域中存在的惰性气体的组成是通过改变各自的氩和氮的比例来改变的，并且在使用各种组成的惰性气体的情况下，对铸带上所观察到的微裂纹的表面密度进行测量。这些结果示出在表3中：

表3：惰性气体的组成相对于铸钢中的硫含量和Creq/Nieq比对在带材上的微裂纹的表面密度的影响。

％氢/％氮	微裂纹数量/dm2钢A	微裂纹数量/dm2钢B	微裂纹数量/dm2钢C	微裂纹数量/dm2钢D
					0/100	200	0	0	0
10/90	290	0	0	0
					20/80	280	0	0	0
30/70	320	0	5	0
					40/60	330	0	20	0
50/50	370	0	40	0
					60/40	350	5	70	15
70/30		40	110	30
					80/20		110	130	120

这些试验显示，对于钢A，Creq/Nieq比是合适的，但硫含量低，无论惰性气体的组成是多少，都会产生一定数量的微裂纹。钢C的硫含量稍高一些，并且足以大大地提高带材的表面质量，因此当惰性气体的含氮量至少为80％时，可以观察到没有微裂纹。但是，这个结果并不是完全令人满意的，这是因为需要使惰性气体中的含氮量保持在高水平上会降低了操作者对浇注设备的工作进行精细控制的可能性。这是由于惰性气体的组成通常是应该为了控制工作和金属之间热交换强度而需要改变的参数，例如为了改变能够影响带材形状的辊子的凸度(见专利文献EP-A-0 736 350)。因此，利用钢C所获得的结果可得出的结论是，0.005％的硫含量不在本发明的保护范围内。

另一方面，利用保证惰性气体的氮含量至少为50％的钢B和钢D浇注的带材上没有微裂纹。它们的硫含量分别为0.019和0.039％，它们的Creq/Nieq比分别为1.82和1.64。因此，这些实施例显然落入在本发明的保护范围内。本发明最好用于Creq/Nieq比在1.70至1.90之间的情况下，这是由于在这个范围内所对应的钢中，所加入的贵重元素(诸如镍)的量低于Creq/Nieq比较低的钢，因此在制造上更加经济。

Claims (3)

1.一种直接利用在两个冷却的水平辊子之间的液态金属连续铸造厚度小于或等于10毫米的奥氏体不锈钢带的方法，其特征在于：

-用重量百分比表示的所述钢的组成包括：C％≤0.08；Si％≤1；P％＜0.04；Mn％≤2；Cr％在17和20之间；Ni％在8和10.5之间；S％在0.007和0.040之间；其余为铁以及熔炼中所产生的杂质；

-Creq/Nieq比在1.70至1.90之间：其中

Creq(％)＝Cr％+1.37Mo％+1.5Si％+2Nb％+3Ti％

以及

Nieq(％)＝Ni％+0.31Mn％+22C％+14.2N％+Cu％

-辊子表面具有截面形状基本上为圆形或椭圆形的凹坑，所述凹坑的直径在100-1500微米之间且深度为20-150微米之间；

-包围弯月面的惰性气体是一种可溶于钢中的气体或这类气体的混合物，或者由体积含量至少为50％的这样一种气体或气体混合物组成。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述惰性气体是由体积含量在50-100％之间的氮和体积含量在0-50％的氩组成。

3.奥氏体不锈钢带，其特征在于，它可以利用如权利要求1或2所述的方法获得。

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