本專(zhuān)利涉及鋼鐵冶金連鑄坯質(zhì)量控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，適用于微合金化鋼的連鑄生產(chǎn)。連鑄坯較高的等軸晶率和良好的表層組織強(qiáng)度對(duì)于減少元素宏觀偏析、降低矯直過(guò)程表面裂紋發(fā)生率具有重要作用。本專(zhuān)利通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)模型闡明了鋼種的凝固特性及其組織演變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，歸納提出了一種基于鋼種凝固特性與組織演變規(guī)律的微合金鋼連鑄冷卻控制方法，運(yùn)用此方法能夠在提高微合金鋼連鑄坯等軸晶率的同時(shí)強(qiáng)化鑄坯表層組織，改善鑄坯的質(zhì)量。
背景技術(shù)：
：連鑄坯實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)晶器內(nèi)氣隙的形成及二次冷卻區(qū)水量的非均勻分配會(huì)導(dǎo)致連鑄坯“縱-橫”非均勻凝固冷卻，這一現(xiàn)象與連鑄坯典型質(zhì)量缺陷如裂紋及宏觀偏析的產(chǎn)生密切相關(guān)。因此，有必要針對(duì)鑄坯連鑄過(guò)程的凝固特性及組織性能進(jìn)行研究，分析連鑄冷卻條件下的凝固特性變化規(guī)律，闡明連鑄坯平衡/非平衡組織演變規(guī)律對(duì)鑄坯典型凝固缺陷的影響機(jī)制，最終結(jié)合鋼種特性從凝固原理和金屬學(xué)角度對(duì)連鑄凝固冷卻工藝提出相應(yīng)工藝優(yōu)化建議。鋼的連鑄過(guò)程冷卻控制是提高連鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)，主要分為結(jié)晶器冷卻控制和二冷區(qū)控制。其中，結(jié)晶器冷卻控制主要通過(guò)調(diào)整鋼液過(guò)熱度、結(jié)晶器冷卻水流速及進(jìn)出水溫差來(lái)對(duì)鋼液的初始凝固過(guò)程進(jìn)行控制；二冷區(qū)控制主要通過(guò)調(diào)整二冷各段冷卻水量來(lái)實(shí)現(xiàn)鑄坯的“縱向”均勻冷卻，并以此為基礎(chǔ)合理調(diào)整冷卻水在鑄坯橫截面方向的覆蓋率及噴嘴布置方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鑄坯的“橫向”均勻冷卻，通過(guò)上述控制方法的配合實(shí)現(xiàn)連鑄坯的“縱-橫”均勻冷卻，以保證鑄坯經(jīng)過(guò)連鑄機(jī)矯直點(diǎn)時(shí)的表面溫度避開(kāi)所澆鋼種的“脆性溫度區(qū)間”。然而，對(duì)于微合金化鋼種來(lái)說(shuō)，微合金元素V，Ti，Nb等的存在及溶質(zhì)元素的偏析作用將使鑄坯在凝固冷卻過(guò)程中產(chǎn)生微合金碳氮化物第二相粒子。若連鑄冷卻控制不當(dāng)，第二相粒子將在晶界大量析出，使鋼的塑性降低，導(dǎo)致矯直過(guò)程連鑄坯表面橫裂紋的產(chǎn)生。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，連鑄坯的凝固組織結(jié)構(gòu)對(duì)于溶質(zhì)元素的偏析行為有著重要作用。連鑄坯較高的中心等軸晶率能夠促進(jìn)溶質(zhì)元素的均勻分布，從而減輕了其偏析行為。這一特點(diǎn)要求其連鑄坯應(yīng)當(dāng)具有良好的凝固質(zhì)量，避免出現(xiàn)中心偏析、疏松和裂紋等缺陷。溶質(zhì)宏觀偏析作為連鑄坯常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，其形成機(jī)理與連鑄坯的凝固冷卻方式聯(lián)系緊密。因此，可以通過(guò)調(diào)控連鑄過(guò)程冷卻模式來(lái)改善連鑄坯凝固組織質(zhì)量，從而降低溶質(zhì)元素的偏析程度。連鑄過(guò)程中結(jié)晶器/二冷區(qū)冷卻效果的直接表現(xiàn)形式為鑄坯表面/內(nèi)部冷卻速率的變化。連鑄過(guò)程鋼液的凝固相變、溶質(zhì)元素的偏析、第二相的析出、樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)及初生坯殼的固態(tài)相變及熱塑性均會(huì)受到冷卻速率的顯著影響。因此，連鑄過(guò)程中結(jié)晶器/二冷區(qū)的冷卻方式將會(huì)對(duì)連鑄坯的內(nèi)部/表面質(zhì)量產(chǎn)生重要作用。通過(guò)合理控制連鑄坯冷卻速率能夠在一定程度上降低連鑄坯中心偏析和表面矯直裂紋的產(chǎn)生。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CNI01912953A控制連鑄坯表層凝固組織的二次冷卻方法，通過(guò)在鑄機(jī)垂直段采用增大原來(lái)水量的2～5倍對(duì)鑄坯進(jìn)行強(qiáng)冷，控制析出物和凝固組織來(lái)控制鑄坯表層凝固組織。但其在垂直段冷卻強(qiáng)度過(guò)大，致使鑄坯溫度過(guò)低，而當(dāng)鑄坯經(jīng)過(guò)彎曲段和矯直段時(shí)，會(huì)因塑性降低而產(chǎn)生裂紋。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN102861890A一種降低微合金鋼板坯角部橫裂紋的二次冷卻方法，通過(guò)控制垂直段內(nèi)的冷卻水量及噴水模式，以3～8℃/s的冷卻速度對(duì)鑄坯進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)鑄坯的強(qiáng)冷。之后通過(guò)弱冷對(duì)鑄坯進(jìn)行回溫，強(qiáng)化表層組織強(qiáng)度，減小角部裂紋敏感性。然而，該專(zhuān)利忽略了連鑄機(jī)垂直段強(qiáng)冷對(duì)連鑄坯中心等軸晶率的影響，易加重溶質(zhì)元素的中心偏析程度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明核心技術(shù)為提出一種基于鋼種凝固特性與組織演變規(guī)律的微合金鋼連鑄冷卻控制方法。通過(guò)該方法的應(yīng)用，可以同時(shí)提高微合金化鋼連鑄坯的中心等軸晶率和表層組織強(qiáng)度，從而減少鑄坯中心偏析和表面裂紋缺陷的發(fā)生。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明相關(guān)技術(shù)方案主要從兩方面出發(fā)：(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定目標(biāo)鋼種在不同冷卻速率下的熱塑性曲線，闡明連鑄溫度范圍內(nèi)的目標(biāo)鋼種第三脆性溫度區(qū)間分布范圍，在此基礎(chǔ)上，確定連鑄坯矯直點(diǎn)目標(biāo)表面溫度；(2)運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)-有限元法對(duì)連鑄坯凝固組織形成過(guò)程進(jìn)行分析，確定柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)在連鑄機(jī)冷卻區(qū)段中的位置，在此基礎(chǔ)上，研究澆注溫度、二冷水量對(duì)中心等軸晶率的影響規(guī)律。結(jié)合(1)和(2)兩方面的研究，以鑄坯柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變開(kāi)始處對(duì)應(yīng)的連鑄冷卻區(qū)位置為分界點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)CET點(diǎn))，針對(duì)目標(biāo)鋼種連鑄過(guò)程過(guò)熱度及二次冷卻水量進(jìn)行合理調(diào)控。在CET點(diǎn)之前，為了擴(kuò)大鑄坯等軸晶率，對(duì)鋼液澆注溫度按照下限控制；在CET點(diǎn)之后，對(duì)連鑄二冷區(qū)進(jìn)行強(qiáng)冷，促進(jìn)鑄坯表層組織中微合金第二相粒子的均勻析出及鐵素體的均勻分布，以此來(lái)提高鑄坯表層組織強(qiáng)度，通過(guò)上述連鑄冷卻控制策略擴(kuò)大連鑄坯中心等軸晶率并提高鑄坯表層組織強(qiáng)度，最終減輕溶質(zhì)中心偏析程度并降低鑄坯表面矯直裂紋的發(fā)生率。附圖說(shuō)明圖1為冷卻速率對(duì)連鑄坯熱塑性曲線的影響，圖2為YQ450NQR1鋼連鑄坯凝固組織形成模擬計(jì)算結(jié)果，圖3為微合金鋼連鑄過(guò)程V(C,N)析出量隨溫度的變化規(guī)律曲線，圖4為冷卻速率對(duì)鋼中V(C,N)第二相析出位置的影響檢測(cè)結(jié)果(掃描電鏡)，圖5為YQ450NQR1鋼連鑄過(guò)程鐵素體析出原位觀察結(jié)果(共聚焦顯微鏡)，圖6冷卻模式調(diào)整前/后的YQ450NQR1鋼鑄坯寬面溫度曲線對(duì)比，圖7冷卻模式調(diào)整后的YQ450NQR1鋼鑄坯凝固組織結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果。具體實(shí)施方式下面以具體實(shí)施案例，針對(duì)某鋼廠連鑄生產(chǎn)YQ450NQR1釩微合金化鋼為例對(duì)本專(zhuān)利作進(jìn)一步說(shuō)明。YQ450NQR1鋼的化學(xué)成分如表1所示。YQ450NQR1鋼連鑄過(guò)程工況及相關(guān)冷卻工藝參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。表1YQ450NQR1鋼化學(xué)成分(單位，％)CSiMnPSCuCrNiVN0.1230.421.330.0120.00730.2880.2810.1590.120.0125表2YQ450NQR1鋼澆鑄工況鋼種斷面尺寸，mm拉坯速度，m/min澆鑄溫度，℃結(jié)晶器水量，m3/hYQ450NQR1360×4500.51550240表3二冷各區(qū)長(zhǎng)度及水量分布(L/min)本專(zhuān)利具體實(shí)施方式如下：運(yùn)用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)針對(duì)YQ450NQR1鋼連鑄坯表層組織在不同冷卻速率下的熱塑性進(jìn)行研究分析，確定冷卻速率對(duì)熱塑性的影響規(guī)律，獲得不同冷卻速率條件下的鋼試樣斷面收縮率隨溫度變化曲線(圖1)。以斷面收縮率60％為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，確定第三脆性溫度區(qū)間的范圍。運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)-有限元法針對(duì)連鑄方坯凝固組織進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，確定正常工況(見(jiàn)表2)下的YQ450NQR1鋼連鑄坯柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)位置(圖2)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整過(guò)熱度和二冷水量，分析其對(duì)連鑄坯中心等軸晶率的影響。連鑄冷卻過(guò)程對(duì)鑄坯凝固組織的影響取決于鑄坯凝固終點(diǎn)之前冷卻區(qū)的工藝條件，其中對(duì)于中心等軸晶率的影響主要集中于鑄坯發(fā)生柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)之前的冷卻區(qū)。CET轉(zhuǎn)變發(fā)生后鑄坯凝固結(jié)構(gòu)由柱狀晶變?yōu)榈容S晶，由此形成了中心等軸晶區(qū)。通過(guò)計(jì)算得知，當(dāng)拉速為0.5m/min、過(guò)熱度為25℃、采用常規(guī)二次冷卻模式時(shí)，YQ450NQR1鋼方坯CET轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)距結(jié)晶器彎月面約8.17m，該位置位于連鑄機(jī)二冷三區(qū)中部。由此可知，可以通過(guò)調(diào)整鋼液過(guò)熱度、足輥區(qū)及二冷一區(qū)、二區(qū)水量在一定程度上能控制鑄坯中心等軸晶率，調(diào)整CET轉(zhuǎn)變完成處以后的二冷區(qū)水量對(duì)中心等軸晶率影響較小。通過(guò)過(guò)熱度、二冷水量對(duì)凝固組織的影響可知，低過(guò)熱度、低二次冷卻強(qiáng)度有利于增大鑄坯中心等軸晶率。在確保水口不凍結(jié)及初凝坯殼不漏鋼的前提下，鋼液過(guò)熱度盡可能按照下限值控制，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)確定鋼水過(guò)熱度為23℃(原過(guò)熱度為37℃)。足輥區(qū)及二冷一區(qū)、二區(qū)的冷卻水量不作調(diào)整。由圖3可知，YQ450NQR1鋼中V(C,N)粒子在1100℃以上開(kāi)始析出。此溫度位于二冷二區(qū)末端，鑄坯進(jìn)入二冷三區(qū)和二冷四區(qū)后V(C,N)粒子開(kāi)始集中析出。結(jié)合圖4掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果，冷卻速率增大在一定程度上能夠抑制V(C,N)在晶界的析出，使其分布于晶粒內(nèi)部，從而誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體析出(圖5)，消除連鑄坯矯直過(guò)程中晶界應(yīng)力集中。同時(shí)，根據(jù)不同冷卻速率下的方坯熱塑性曲線(圖1)可得，為了保證矯直點(diǎn)處鑄坯具有良好的塑性(高溫拉伸實(shí)驗(yàn)試樣有較高的斷面收縮率)，應(yīng)使鑄坯在二冷四區(qū)冷卻速率保持在1℃/s以上，矯直溫度控制在700℃～800℃之間。綜合上述分析，為了提高連鑄坯中心等軸晶率和表層微觀組織強(qiáng)度，特制定YQ450NQR1鋼連鑄方坯冷卻控制策略為“低過(guò)熱度澆注+二冷三區(qū)弱冷+二冷四區(qū)強(qiáng)冷”?；诖死鋮s控制策略，經(jīng)過(guò)反復(fù)試算，得出YQ450NQR1鋼連鑄方坯冷卻精益控制方案為“過(guò)熱度23℃(原過(guò)熱度37℃)，二冷三區(qū)水量2.6L/min(原二冷三區(qū)水量51.5L/min)，二冷四區(qū)水量165.6L/min(原二冷四區(qū)水量18.4L/min)”。結(jié)合凝固傳熱數(shù)學(xué)模型對(duì)鑄坯溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，獲得鑄坯寬表面溫度曲線如圖6所示。由圖6可知，冷卻模式調(diào)整后，連鑄坯表層組織在二冷三區(qū)經(jīng)歷了回溫，此過(guò)程將促使先前析出的V(C,N)粒子回溶，鑄坯在二冷四區(qū)入口處的寬表面中心溫度為1365℃。在二冷四區(qū)，連鑄坯受到強(qiáng)冷，由此將導(dǎo)致V(C,N)粒子在較大的冷卻速率下重新彌散析出于表層微觀組織中，提高了表層微觀組織的強(qiáng)度。二冷四區(qū)長(zhǎng)度為5.14m，在拉速為0.5m/min時(shí)，二冷四區(qū)出口處鑄坯寬表面中心溫度下降至642℃。基于以上分析，YQ450NQR1鋼方坯在二冷四區(qū)的表層冷卻速率可由式(1)得出，即：式(1)中：CR，seg4為鑄坯在二冷四區(qū)的表面冷卻速率，℃/s；Tin，Tout分別為鑄坯在二冷四區(qū)入口和出口位置的寬面中心溫度，℃；tseg4為鑄坯經(jīng)過(guò)二冷四區(qū)所經(jīng)歷的時(shí)間，s。結(jié)合二冷四區(qū)長(zhǎng)度與鑄坯拉速可得代入式(1)可得針對(duì)圖6進(jìn)一步分析可知，連鑄坯出二冷四區(qū)后經(jīng)歷部分空冷區(qū)后進(jìn)行矯直。在矯直點(diǎn)位置處，常規(guī)冷卻模式下的YQ450NQR1方坯寬面中心溫度為902℃，已經(jīng)落入該鋼種第三脆性區(qū)(800～917℃)。相比而言，冷卻模式優(yōu)化后，YQ450NQR1方坯在二冷四段平均冷卻速率為1.17℃/s，在矯直點(diǎn)位置處的寬面中心溫度為729℃。結(jié)合圖5可得，在變形溫度為729℃，冷卻速率高于1℃/s的情況下，鑄坯表層組織斷面收縮率高于60％，能夠從低溫區(qū)間避開(kāi)第三脆性區(qū)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)-有限元模型對(duì)冷卻模式優(yōu)化后的YQ450NQR1鋼連鑄方坯凝固組織進(jìn)行模擬，其橫截面凝固組織形貌見(jiàn)圖7，經(jīng)測(cè)量得到其中心等軸晶率為31.3％。綜合以上結(jié)果可得，優(yōu)化后的冷卻模式能夠使YQ450NQR1鋼連鑄方坯滿(mǎn)足等軸晶率高、表層微觀組織強(qiáng)度高的要求，從而降低了鑄坯凝固過(guò)程偏析、內(nèi)裂紋及矯直過(guò)程鑄坯表面橫裂紋的發(fā)生概率。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3