改进工艺操作生产无缺陷钢材产品—含铌钢铸坯的冶炼和连铸

改进工艺操作生产无缺陷钢材产品——含铌钢铸坯的冶炼和连铸实践2008年全球含铌钢产量超过1亿吨，世界各地有100多家钢铁厂生产铌的板材、带材和棒线材，其中一些钢厂严格控制了熔炼和连铸操作，可确保生产无裂缝缺陷的表面质量优良的方坯、板坯和异形坯等。比较了不同钢厂的炼钢和操作规程后发现，有些钢厂可以稳定地生产无缺陷含铌钢坯，而有些钢厂却总是遇到一些困难。一般来说，能够稳定生产无缺陷含铌钢坯的钢厂在其整个产品结构中总体质量评价也比较好。而哪些遇到困难的钢厂，他们通常将问题产生的原因归结于高温塑性低谷区。许多研究表明塑性低谷区是普通碳锰钢和微合金化钢等各种成分钢的一种固有性质。然而，相同成分的含铌钢可在其他钢厂成功的生产。通常，在连铸过程中产生的裂纹时炼钢和连铸生产过程中的一些不合理的操作引起的，比如残余元素的含量、过热度的波动、转包温度的分层、结晶器保护渣不匹配、拉坯速度的波动、过度二次冷却等。国外一些钢厂探讨了减少或消除铸坯裂纹产生的办法，提高了钢表面和内部质量。降低碳含量可提高铸坯质量结合低碳钢低合金冶金思路，采用了新冶金技术和操作可带来可观的成本效益。高附加值含铌微合钢的应用和未来发展将在改善产品质量、性能和工艺操作中发挥关键作用。例如，一家钢厂成功的生产出S355钢，力学性能和化学成分满足ASTM的要求。同时，该钢厂生产的低碳具有优良的热塑性，而且没有出现连铸缺陷或裂纹就缺陷问题。如有可能强烈建议C质量分数低于0.10%。有报道指出，降低C含量可使奥氏体更易于向铁元素转变，形成诱导铁素体的大量形成使得热塑性低谷区变窄，而碳质量分数必须低于0.10%是诱发这一机制发生的条件。因此，在低于包晶区的低碳水平（质量分数小于0.1%）下不太可能形成柱状晶合细化铸态晶粒尺寸。对于微观组织，这些条件将有利于缩窄塑性低估区。控制钢水浇注温度消除裂纹消除裂纹的一个有效措施是控制钢水浇注温度。如果钢水过热度太高，会造成严重的中心偏析，甚至还会提高发生漏钢的概率。如果过热度太低，又可能引起水口堵塞，甚至钢水在中间包内凝结，造成钢水回炉等问题。因此在获得良好铸造性能、产量、铸坯内部和表面质量之间取得平衡。连续浇铸要求供给的钢水温度可保证在浇铸周期内顺行。消除型钢铸坯裂纹某钢厂生产含铌型钢时翼缘处出现裂痕问题，将其归因于含铌钢在750℃-900℃温度范围内热塑性降低。但是，另一家钢厂生产相同的含铌钢结构钢种和异型坯尺寸却没有发生裂痕。从炼钢、连铸参数以及对含铌钢冶炼和浇铸之间的认识等方面，有关人员展开了以下几个方面的冶炼和工艺操作分析：过热度的波动；钢包温度不均（透气砖的位置和数量）；异型坯裂纹和二次冷却条件之间的关系；为避免裂纹，注重连铸机的维护，各部分的对准波动范围为±0.2mm，采取措施调整控制偏差；根据热塑性低谷区探求在理想的900℃以上进行矫直的可行性（在850℃以下，也取得了一些成功的操作）；在实验室用金相分析异型坯的横向截面，即测量异型坯四个圆角处的奥氏体晶粒尺寸（混晶会对热塑性产生不利影响）；在满足力学要求的前提下，降低Mn含量以减少偏析；调整钢中的S质量分数的上限（不超过0.015%，最好能控制在0.010%的水平）；如果碳质量分数大于0.10%可适当调整Mn含量降低钢中的C含量，因为型钢厂在生产C质量分数为0.1%的品种时一般不会遇到裂纹问题；生产统计分析越好，越能够降低工艺波动；有时，钢厂在由V改用Nb时须降低拉坯速约5%，但改进实际工艺操作后，完全可以用同一拉速；不同的钢厂可以采用不尽相同的操作规范生产成分相同的品种，适合自身工艺的轧制参数（水和温度）意味着降低成本；；连铸和轧制参数关联到冶金质量（异型坯裂纹、化学成分偏析和力学性能的不稳定）。经上述各方面的研究分析，形成了一些改进建议，而且在采取了这些改进建议后，生产出了无缺陷的含铌S355型钢，连续浇筑50炉含铌S355型钢没有出现裂纹缺陷。改进的工艺措施如下：降低过热度波动范围，最高不超过20℃；钢包内钢水温度分层式造成过热度波动的根本原因，因此完善了钢包搅拌操作，使得浇铸过程中和的温度均匀稳定；二次冷却水流量减少了10%-15%，以实现软冷操作。连铸操作和设备维护的其他注意事项通过采用适当的连铸操作和化学成分，完全可以生产出无裂纹缺陷的低碳和高碳当量含铌钢坯。如果在含铌钢坯上（或任何其他钢种）出现表面或内部质量问题，建议参考下面相关工艺操作和设备维护项目进行检查分析。如果已经采用了前面讨论的成分建议和冶炼操作，但仍有铸坯质量的问题，那么其根本原因可能会与下面的一个或多个因素有关：（1）热传输特性：结晶器保护渣的热传输；结晶器液面控制性能；保护渣加入的连续性；减少二次冷却水，确保板坯、方坯、异型坯的角部温度在900℃以上。（2）连铸机和结晶器设计：结晶器表面锥度，振痕深度和降低裂纹深度的关系。（3）预防性维护的问题：冷却头和喷嘴（即压力和体积的变化），水的质量和温度，各段对准度，辊缝和磨损情况，轻压下效果。（4）熔炼和钢包温度的控制：与含硫量高有关的热塑性低谷区的问题，浇铸中钢包温度分层，过热度过高（大于20℃）。（5）清理诱发裂纹：非标准操作，在高碳当量钢中缺乏经验的操作工的不当操作诱发裂缝。连铸机轻压下能力对铸坯质量的影响具有轻压下和适当调控能力的连铸机通常会比没有轻压下设备的连铸机生产出更高质量的铸坯。轻压下技术非常有利于提高含铌板坯、方坯和异型坯的质量。它是通过在铸坯锥状液芯处施加轻松微的压下操作，从而达到闭合凝固完结时产生疏松空洞的目的。实践证明，轻压下还有利于残余元素的分布。轻压下操作打断了凝固过程中生成的枝晶“搭桥”，并最大限度地减少宏观偏折。此外，优化工艺参数要依据各自钢厂的具体情况进行，比如轧机的设计、钢种成分和钢的温度控制情况等等。通常，较为重要的三个关键参数是拉环速度、每个轻压点的压下量、总压下量。选择合适的冷却速度铸坯表面的冷却速度太快（约200℃/min）会导致析出物细小，而引起热塑性降低。在建议的矫直温度850℃-900℃操作下，合适的冷却速度能显著改善热塑性。在850℃时，二次冷却速度从200℃/min降至100℃/min,降低了50%，断面收缩率（RA）由20%-30%提高到了50%。在900℃时，降低同样的冷却速度热塑性由25%提高到45%。根据实际情况实施操作对于不同直径的钢筋，即使是相同的强度水平，生产经验表明，有很多C和微合金化元素的成分组合、轧制制度和轧机配置等方法都可以满足力学性能和产品应用要求。每个钢厂的情况都是独一无二的，因此没有普遍适用的方法来指定采取什么样的化学成分、冶炼操作、加热炉均热温度和热扎制度等去生产某种产品。工业试制应结合最终产品所需的力学性能和使用性能，严格控制实际熔炼、连铸、加热炉和轧机的操作参数以及工艺流程操作的波动。