CN1210121C - 无微裂纹的铁素体不锈钢带的双辊连铸法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在两个绕其水平轴旋转的冷却的辊子之间直接由液体金属连铸厚度不大于10mm的铁素体不锈钢带的方法，特点在于：液体金属的组成用重量百分数表示如下：C%+N%≤0.12，Mn%≤1，P%≤0.04，Si%≤1，Mo%≤2.5，Cr%在1 1-19之间，Al≤1%，Ti%+Nb%+Zr%≤1，其余为铁和由于制备产生的杂质；液体金属的γ_p指数在35%-60%之间，γ_p由下式确定：γ_p＝420 C%+470 N%+23 Ni%+9 Cu%+7 Mn%-11.5 Cr%-11.5 Si%-12 Mo%-23 V%-47 Nb%-49 Ti%-52 Al%+189；所述辊子的表面粗糙度Ra大于5微米；在辊子之间的液体金属弯月面附近，使用含有至少60%体积的可溶于钢的气体的惰性气体。

Description

无微裂纹的铁素体不锈钢带的双辊连铸法

技术领域

本发明涉及使用所谓“双辊铸造”法的金属连铸，更具体地，涉及直接从液体金属连铸铁素体型不锈钢带，其厚度在几毫米数量级。

背景技术

近年来，直接从液体金属铸造薄碳钢或不锈钢带的工艺研究已经取得了很大的进步。目前主要使用的方法是，在绕其水平轴反向旋转的相对布置的两个内部冷却辊子之间铸造所述液体金属的方法，两个辊子表面之间的最小间距约等于铸带的要求厚度(例如几毫米)。辊子的侧表面和靠着辊子端部安装的耐火材料侧封板，决定了容纳钢水的铸造空间，钢带在辊子的侧表面上开始凝固。液体金属在与辊子外表面接触时开始凝固，在辊子外表面上形成凝固的“壳层(shell)”，并且进行布置得使壳层在“辊隙”，即辊子间距最小的区域结合在一起。

用双辊铸造法制造薄铁素体不锈钢带遇到的主要问题之一是，存在在带表面上出现称为微裂纹的表面缺陷的很大危险。这些裂纹很小，但是他们足以使所得的冷处理产品不适合于使用。微裂纹在钢的凝固过程中形成，深度约40微米，开口约20微米。其产生取决于凝固过程中的条件，在这些条件下，钢在其整个接触弧线长度上与辊子表面接触。这些条件可以描述为有两个连续的步骤。第一个步骤涉及在钢水与辊子表面之间的初始接触，它导致在辊子表面形成固体钢壳层。第二个步骤涉及这种壳层的生长，直到辊隙处，如上所述，在辊隙处，该钢壳层与在另一个辊子上形成的壳层结合构成整个凝固钢带。在钢与辊子表面之间的接触，由铸辊的表面形貌以及惰性气体性质和钢的化学组成决定。所有这些参数参与建立在钢与辊子之间的热传递，并主宰钢壳凝固的条件。

已经进行了各种尝试来研究双辊铸造工艺，以便可靠地获得没有不可接受的表面缺陷(如微裂纹)的带材。

在碳钢的情况下提出的解决方案，依赖于对钢与辊子表面之间热交换的良好控制。特别地，已经尝试一旦钢材开始凝固，就通过铸辊增大从钢中排除的热流量。为此，文献EP-A-0 732 163提出，使用非常小粗糙度(Ra小于5微米)的辊子，并与钢的组成和促进在金属中形成润湿钢表面/辊子界面的液态氧化物形成的生产条件结合使用。对于奥式体不锈钢，文献EP-A-0 796 685提出铸造Cr_eq/Ni_eq比大于1.55的钢，以便减小高温时的相变，使用其表面带有直径100-1500微米，深20-50微米的开缝隙浇口凹痕(touching dimple)的辊子，并用可溶解在钢中的气体或主要由这种可溶性气体组成的气体混合物钝化铸造空间来进行这种铸造。

对于铁素体不锈钢，文献JP-A-5337612提出铸造低碳含量(小于0.05％)和低氮含量(小于0.05％)且含有铌(0.1-5％)和钛的钢。在带材离开辊子时，还必须使其高速冷却，然后必须控制钢带卷取的温度。这些生产和铸造条件是昂贵且苛刻的，并且要求的等级的具体特性限制了所得产的应用领域。

发明内容

本发明的一个目的是提供铸造其表面没有微裂纹的薄铁素体不锈钢带的方法。这种方法不要求特别苛刻的铸造条件来实施，并且可以用于多种级别的这种钢材中。

为此，本发明的主题是，在两个旋转(其轴水平)的冷却辊子之间，直接从液体金属连铸厚度小于或等于10mm的铁素体不锈钢带的方法，特征在于：

-液体金属的组成用重量百分数表示为：C％+N％≤0.12，Mn％≤1，P％≤0.04，Si％≤1，Mo％≤2.5，Cr％在11-19之间，Al≤1％，Ti％+Nb％+Zr％≤1，其余为铁和熔炼产生的杂质；

-液体金属的γ_p指数在35％-60％之间，γ_p由下式确定：

γ_p＝420C％+470N％+23Ni％+9Cu％+7Mn％-11.5Cr％-11.5Si％-12Mo％-23V％-47Nb％-49Ti％-52Al％+189；

-所述辊子的表面粗糙度Ra大于5微米；

-在辊子之间的液体金属弯月面附近使用至少含有60％体积的可溶于钢的气体的惰性气体。

正如将会理解的那样，本发明在于对于金属组成的复合条件(它主宰金属凝固后在高温形成奥氏体的可能性)、铸造表面的最小粗糙度条件，和惰性气体的条件。按照这种组合，可能防止在钢带表面形成微裂纹，而没有相应地对铸造工艺提出太苛刻的限制，并且没有过分限制用该铸带材制造的产品的应用领域。

阅读下面的详细描述，将会更完全地理解本发明。

具体实施方式

在辊子之间成功铸造薄钢带的必要参数之一是凝固钢带和辊子之间的热交换的控制。这种传热的适当控制，要求凝固的壳层粘附到辊壁上的条件应是已知的并且是可再现的。但是，在铸造含有11-19％铬的铁素体不锈钢制成的钢带时，在壳层靠着辊子完全固化后，会发生下列现象。固化的壳层首先具有完全的铁素体组织(δ相)，然后在其冷却时，虽然仍粘附在辊子表面上，但是，它在1300-1400℃C的温度范围内进行δ-铁素体/γ-奥氏体的相变。这种相变引起金属的局部收缩，导致在这两相之间在显微水平上出现明显密度差。这些收缩可能足够大，导致在凝固的壳层和辊子表面之间局部失去接触。正如将会理解的那样，这种失去接触从根本上改变了局部的传热条件。结合辊子的表面光洁度和在所述表面的凹陷区内存在的惰性气体的性质，取决于金属组成的这种相变的程度因此影响传热强度。

在铁素体不锈钢中的δ→γ相变的程度可以用γ_p指数来表述。这代表了高温下在金属中存在的奥氏体的最大量。用已知的方式，使用所谓”Tricot和Castro”公式从金属的组成计算这种γ_p指数(百分比是重量百分比)：

γ_p＝420C％+470N％+23Ni％+9Cu％+7Mn％-11.5Cr％-11.5Si％-12Mo％-23V％-47Nb％-49Ti％-52Al％+189。

在形成本发明的研究中，明显的是，在所有其它情况相同时，γ_p值是在凝固过程中通过铸辊排出的热流量程度的良好表示，通过辊子从金属中排出的热流量可以通过实验量化，用平均值表示，由用于冷却辊子的流体的加热测量来计算。经验表明，γ_p指数的值越高，通过辊子从金属中排出的平均热流量越低。

防止在辊子之间铸造的薄铁素体不锈钢带上出现裂纹的必要条件是，在液体金属与辊子之间的初始接触过程中排出的热流量高。为此，优选的是，在弯月面(它是在液体金属表面和辊子表面之间的交界处的名称)区域内的液体金属表面周围的惰性气体，含有可溶于钢的气体或者完全由这样的气体组成。为此，通常使用氮，但是使用氢、氨或CO₂也是可能的。由于不溶性的气体最多可以构成惰性气氛的100％，通常使用氩，但是，使用另一种不溶性气体(如氦)也是可能的。用一种主要是可溶于钢的气体，获得了在钢与辊子之间的更好的接触，因为不溶性气体在金属渗入辊子表面的凹陷处方面比可溶性气体有更大的缓和作用。类似地，辊子表面的微小粗糙度提高了高热流量，因为它导致在辊子和金属之间的紧密接触。

然而，在凝固开始时，非常高的平均热流量增大了在这种热流量的局部数值之间产生变化的危险。实际上，正是这种不均匀性是在钢带上产生表面裂纹的原因，因为它们在仍然很弱的表面各个区域之间产生拉力。所以，在可能的情况下，如果希望在靠着辊子的壳层的凝固和冷却步骤中防止微裂纹的形成，那么就要在铸造条件方面应满足的各种要求之间找到一种折衷。

为此，试验了从液体金属铸造铁素体不锈钢带的各种条件。通过在其外表面用铜制成并镀敷镍的辊子之间铸造厚度为2.9-3.4mm的钢带进行该试验，其中辊子用内部循环水冷却。下表1表示在各种试验(表示为A-F)过程中铸造的金属的组成和相应的γ_p指数值，表2表示在各种试验过程中获得的结果，根据钢的组成、惰性气体的组成和辊子的粗糙度，用获得的表面质量表示。辊子粗糙度参数用平均粗糙度Ra表示，通过沿着测量路径l_m的平均线的粗糙度轮廓变化的算术平均值，根据ISO4287(1997)标准确定。平均线的定义为通过滤除产生的线，所述滤除是以一种方式切割测量的轮廓，使得在该线上面的面积等于在该线下面的面积。根据该定义：

$\mathrm{Ra}=\frac{1}{\mathrm{lm}}\underset{x=0}{\overset{x=\mathrm{lm}}{\∫}}\left|y\right|\mathrm{dx}$

表1：试验中铸造的钢的组成

	C％	Mn％	P％	S％	Si％	Ni％	Cr％	Cu％	Mo％	Nb％	V％	Ti％	N％	Al％	γp％
																A	0.046	0.415	0.028	0,0012	0.191	0.319	16.08	0.083	0.119	0.006	0.062	0.005	0.050	0.005	52.1
B	0.043	0.420	0.027	0.0023	0.214	0.335	16.30	0.091	0.023	0.002	0.076	0.002	0.041	0.003	45.7
																C	0.038	0.320	0.023	0.008	0.448	0.142	16.67	0.059	0.152	0.003	0.074	0.007	0.042	0.008	29.5
D	0.051	0.392	0.029	0.0012	0.210	0.550	16.02	0.090	0.150	0.007	0.053	0.005	0.055	0.004	62.0
																E	0.041	0.404	0.024	0.004	0.247	0.540	16.34	0.037	0.052	0.005	0.063	0.006	0.030	0.004	42.3
F	0.012	0.290	0.015	0.0013	0.560	0.090	11.50	0.022	0.001	0.002	0.079	0.178	0.010	0.005	53.4

表2：铸造参数对微裂纹存在的影响

钢	γp(％)	惰性气体中的N％	Ra(μm)	表面质量
					AAAA	52.1	20506095	7	微裂纹微裂纹无微裂纹无微裂纹
BBBB	45.7	20506095	11	微裂纹微裂纹无微裂纹无微裂纹
					CCC	29.5	206095	8.5	微裂纹微裂纹微裂纹
D	62.0	90	7.5	微裂纹
					E	42.3	90	4	微裂纹
F	53.4	60	7	无微裂纹

对于钢A、B和F，当惰性气体(为氮/氩混合气体)中的氮含量至少60％时，没有微裂纹。所有这些钢的γ_p指数为45.7-53.4％，用Ra为7-11微米的辊子铸造。

在钢C上进行的试验表明，即使Ra为8.5微米，惰性气体富含氮，在铸造γ_p指数低(29.5％)的钢时，仍然会系统地产生微裂纹。然而，对钢D(其γ_p指数为62.0％)进行的试验表明，在铸造的钢具有非常高的γ_p指数时，也会产生微裂纹。

在钢E上进行的试验表明，即使相对于前面的试验，钢的组成和保护条件合适，低的辊子粗糙度(Ra为4微米)也会导致微裂纹的形成。

用下面的方式解释这些结果。

为了获得无裂纹的钢带，首先必须使在金属和辊子之间最初接触过程中排出的热流量高。如果惰性气体不能充分溶解在钢中，排出的平均热流量太低，钢不能足够均匀地凝固，从而促进了微裂纹的形成。从这种观点出发，事先具有低的辊子表面粗糙度也是希望的。但是，如果粗糙度Ra太低，凝固初始位置的数量和总表面积变得非常高，从而导致过分急剧的冷却，引起微裂纹产生。此外，还必须考虑在壳层凝固和冷却过程中的下列步骤要求的条件。试验已经表明，通过在惰性气体中至少60％的可溶性气体含量与大于5微米的辊子粗糙度Ra的组合，获得了令人满意的结果。

在该过程的其它部分中，因为壳层靠着辊子凝固和冷却，如上所述，必须避免排出的热流量过高，以防热不均匀性，因这也是微裂纹产生的根源。从这个观点出发，最小粗糙度Ra为5微米被证明是合理的，因为粗糙的峰作为凝固开始和发展的位置，而在金属渗入而不必到达谷底的谷中部分作为收缩点，吸收在其凝固和冷却时表层体积的变化。然而，粗糙度Ra大于20微米是不可取的，否则，在钢带表面上“作为负型”留下的粗糙度高，并且这在随后的冷轧和转化步骤中难以降低。所以，有最终产品表观又不能令人满意的危险。为此，可以通过任何熟知的方式获得希望的辊子粗糙度，如喷砂、激光加工、光刻蚀、放电机加工等。

由金属组成产生的高γ_p指数值，放大了在整个接触弧上的δ→γ相变。所以，在所述接触弧上，凝固的壳层产生可降低排出热流量并保持其在合适水平上的分离，因此当壳层已经充分凝固时，没有由于弱的壳层产生的微裂纹。实验已经表明，γ_p指数的下限确定为35％。γ_p指数高于60％，由于δ→γ相变引起的分离太大，导致由于壳层的过度弱化形成微裂纹。

所以，本发明在防止由许多不同机理在铸带材上形成表面微裂纹而所提出的有时是相互矛盾的要求之间，提供了一种折衷。使得有可能无需昂贵的合金化元素(稳定化元素如铝、钛、锆和铌可能是任选存在的)。同样，在钢带离开辊子之后，在钢带的冷却和卷取时不要求特殊的条件。

Claims (3)

1.一种在两个具有水平轴的旋转冷却辊子之间直接由液体金属连铸厚度小于或等于10mm的铁素体不锈钢带的方法，特点在于：

-液体金属的组成用重量百分数表示为：C％+N％≤0.12，Mn％≤1，P％≤0.04，Si％≤1，Mo％≤2.5，Cr％在11-19之间，Al≤1％，Ti％+Nb％+Zr％≤1，其余为铁和熔炼产生的杂质；

-液体金属的γ_p指数在35％-60％之间，γ_p由下式确定：

γ_p＝420C％+470N％+23Ni％+9Cu％+7Mn％-11.5Cr％-11.5Si％-12Mo％-23V％-47Nb％-49Ti％-52Al％+189；

-所述辊子的表面粗糙度Ra大于5微米；

-在辊子之间的液体金属的弯月面附近使用含有至少60％体积的可溶于钢的气体的惰性气体。

2.根据权利要求1的方法，特点在于所述惰性气体是一种氮和氩的混合物，各自的比例为60-100％和0-40％。

3.根据权利要求1或2的方法，特点在于所述辊子的表面粗糙度在5-20微米之间。