冶炼和浇铸特性对含铌钢坯热塑性的影响

冶炼和浇铸特性对含铌钢坯热塑性的影响比较各厂炼钢方法表明，一些厂稳定地生产无缺陷板坯、型坯和梁坯，同时另一些厂遇到一定困难。通常工厂稳定地浇铸微合金钢的无缺陷铸坯具有高质量表面，基本上能固定生产具有高质量的整个产品品种。遇到问题的工厂，塑性下降是主要原因之一。大量文献报道，普通碳素锰钢和微合金钢的塑性下降，是含各种化学成分牌号固有的。然而许多工厂顺利地生产了那些含铌的牌号。浇铸时常常出现裂纹，与冶炼和浇铸工艺、杂质含量、过热值超过液相线的波动、钢包温度不均匀的分布、铸速降低、过度的二冷等有关。本文研究的主要目的：排除这些原因有助于降低或消除裂纹的形成，改善整个产品品种的表面质量和显微组织。1、炼钢生产和工艺状况为获得低杂质含量的高质量钢必须采用各种控制杂质含量的方法，因为在冶炼和精炼期脱除杂质反应的动力学和热力学不同，有时可能与根本任务相矛盾。冶金工作者开始生产微合金化的复杂牌号时会含高的杂质含量，从而导致出现裂纹、表面质量低和偏析。生产具有附加值的高质量钢材时杂质含量应该符合下列标准：◆磷：0.015%最大值；◆硫：0.010%-0.015%非重要用途；0.005%-0.010%调整夹杂物形状用钙处理，重要用途；◆氧：15‰最大值；◆氢：2‰重要用途；◆氮：尽可能更低水平（氧气转炉5‰，电弧炉6‰）。2、残余元素对可浇性和热塑性的影响作为解决含铌钢铸坯表面质量问题方法的第一步推荐用钙进行处理并降低硫含量到0.02%-0.010%。用钙处理不能保证没有缺陷，但极大提高了表面质量和内部纯度的概率。硫含量必须保证在相当低的水平，以便降低沿奥氏体晶界析出有害细弥散硫化物的趋势。用钙处理保证球化硫化锰夹杂物和提高凝固坯经过铸机矫直区段时的韧性。通常认为，氮对含铝钢和微合金钢的塑性有不利影响。为避免横向裂纹，氮含量水平应尽可能低。在一些情况下加入钛对热塑性有不良影响。但是，如果对低氮含量（0.005%N）碳锰钢加钛，在低速冷却时可以提高热塑性。通常Ti：N=4.5：1.0时达到更好的塑性。针对电炉炼钢生产特有的高氮含量（0.010%N）钢，推荐降低钛含量（0.01%），以便减少含钛微粒数量。此外，必须降低溶解铝含量，以便抑制剩余氮形成一氮化铝。至于C-Mn-Nb-Al类钢，那么此处关于钛的那些推荐有用。通常这些钢中有铌和铝对塑性下降影响弱小，因为这些元素会增大含钛微粒。一旦钛与氮化合，剩下的氮会产生良好影响，因为高的氮含量促进高温下两相的析出。通常在废钢中的残余铜含量不应超过0.15‰，铜杂质会恶化表面质量并促进形成横向裂纹。锡产生和铜一样的影响。尽管铜对热塑性产生有害影响，可以用小浓度的镍（目标比Ni：Cu为1.5-2.0）来弥补。磷，在碳含量小于0.25%条件下，温度700-1200℃范围中能改善连铸坯的热塑性。完成这点，偏析将会降低。尽管不大的磷添加物会改善C-Mn和C-Mn-Al-Nb钢的热塑性，但因这种是形成裂纹的原因就不推荐采用这种工艺。3、控制氮含量提高抗裂性研究表明铝脱氧钢的氮含量越低，板坯表面质量横向裂纹指标越低。为使板坯连铸机中间包的氮含量低于6‰，推荐如下：1）在完整生产过程中各企业必须保持铁水钛含量高于0.10%，因为铁水钛越大，氮越小。2）氧气转炉冶炼时避免后吹。3）降低出钢温度，因为转炉最终停吹倾炉时氮含量随出钢温度提高而提高。出钢温度越高，氮含量值波动越大。4）一炉钢水部分脱氧，在出钢时加入石灰石屑，能降低吸氮到10‰。5）惰气保护过程从一炉到一炉都应该稳定，同时应该永远避免在钢包炉设备中用底吹激烈搅拌。在渣层密实性被破坏时，由于接触裸露的熔池表面会导致吸收大量的氮。6）采用氩气流保护系统，而不是用氮气。4、限制氢含量在中碳钢和高碳钢，以及含大量锰、铬和镍的钢中，特别是用于生产重型型钢的那些钢中，主要观察氢的影响。在铬锰钢、铬硼钢和铬钼钢中必须控制氢含量。这种控制很重要，且在这些重要牌号中氢含量不应超过2‰。除这些钢外，由于对更大韧性和改善低温性能发展需要，微合金高强钢也应该控制氢含量。冶炼、炉外处理和浇铸时期，氢可能从各种来源进入钢水中。电弧炉或氧气转炉出钢时空气气泡能浸入钢中，被流入钢包的钢流携带，因此引起吸氢。氢的第二个主要来源是进入这些添加物中的水分，如石油焦炭，造渣剂和铁合金等。生产强度级S355以上的厚板、型材和板材时应按正常原理控制氢的来源。溶解在钢水中的氢影响到连铸坯的塑性和力学性能。除裂纹外，由于浇铸过程中坯壳黏到结晶器壁上，偏高的氢含量能提高拉漏率。5、控制硫含量硫会提高高温加工钢时表面裂纹数量，它同时能增加夹杂物量，从而对最终产品的力学性能有不利影响，所以必须控制硫浓度并保持在尽可能最低水平（除易切削钢外）。特殊用途钢铁水的硫含量不应超过0.015%。钢包中脱硫反应在硅化钙帮助下降低硫含量到0.003%-0.009%。一些情况下硫化锰夹杂物是含铌钢连铸坯塑性低的主要原因。基本上硫化锰与晶间断裂密切联系。含铌钢对溶解硫含量很敏感，硫有沿晶界偏析的趋势。6、影响热塑性的因素在显微组织水平中有4个影响热塑性的主要因素。变形速度、晶粒度、析出相含量和夹杂物数量属于最重要之列。依靠提高铸速、提高弯曲时变形速度和缩小晶粒度（通常200μm）可以提高塑性。提高变形速度降低沿晶界的蠕变，而较小的晶粒度降低沿晶界裂纹的扩展率。影响热塑性的另外两个参数，就是两相和夹杂物的析出。沿晶界两相的析出及其过度细小会恶化热塑性。例如，对析出两相和/或夹杂物的这个体积分数，沿晶界微粒越细小，那么它们彼此连接越紧，裂纹将更易彼此融合。因而，通过限制硫和磷的含量控制钢水终纯净度有助于降低夹杂物总的体积分数，连铸机二冷区的逐渐冷却依靠最佳的夹杂物数量和析出相的弥散度，将有助于提高热塑性。7、热塑性的国际研究在这个研究工作框架内，进行从各国包括中国、巴西、北美和欧洲国家铸钢厂获得试样的热塑性研究。试样来源将是微合金（Nb，V和/或Ti）低碳、包晶和中碳牌号钢，处于化学成分范围的硫和磷含量水平不同，生产厂家遇到的困难是产生裂纹。为实现热塑性的研究，试样将由各国铸钢公司提供。与公司试样一起提交连铸机和轧制参数来处理，以便试验条件符合浇铸的实际过程。热塑性研究结果将与连铸机浇铸时能对应力、裂纹产生和扩展产生影响的许多关键操作参数对比。工作参数将由工厂与试样一起提供。以试验为根据，将考虑连铸机的以下参数：在结晶器中的热交换；结晶器的振动频率和行程；二冷区的水耗量和分布；取决于碳当量的铸速；是否有轻压下；设置连铸机扇形段和结构（即冶金长度和弯曲半径）。一些生产厂浇铸含铌钢时（即型坯、板坯或接近规定形状的梁坯）遇到问题，尽管存在影响铸坯表面和组织质量的许多工艺参数，还是认为塑性下降是出现裂纹的主要原因。控制浇铸钢水温度和降低连铸机二冷区冷却速度是防止裂纹的两个最有效方法。对高质量钢需限制进入连铸机的钢水温度。例如，如果钢水的过热度太高，那么这对中心偏析有不良影响，拉漏概率将更高。如果过热度太低，可能在中间包产生浇铸水口堵塞和钢水凝固的问题，然后整炉钢水需要回炉。因此在保证良好的可浇性和合格产量的条件下，在各种条件之间必须找到一个折中。连铸要求在整个工序过程供给的钢水具有合适的温度。8、分析情况——解决梁坯裂纹形成的问题工厂生产含铌钢梁坯遇到架子出现裂纹的问题，这个问题和在温度750-900℃时含铌钢的塑性低有关。但是另一工厂生产同类规格和同类牌号结构钢的铸坯无此缺陷。根据冶炼和浇铸时铌的特性知识，开始综合研究分析冶炼和浇铸的以下参数：1）稳定过热度在液相线之上。2）钢包温降（透气砖的位置和数量）。3）梁坯裂纹和二冷区状况比。4）不允许裂纹进行计划维修的重要性。扇形段应设置偏差±0.2mm。使用期限满后必须进行测量以查明偏差。5）在理想条件下应研究温度高于900℃时矫正的可能性。（一些作业可以在温度高于850℃条件下进行）。6）在实验室金相分析梁坯试样横断面。用4个扇形件测量奥氏体晶粒度。（粒径不等对热塑性有不利影响）。7）降低锰含量避免偏析并保持力学性能水平。8）重新修订生产梁坯用牌号的极限硫含量标准（不超过0.015%，而理想是0.010%）。9）如果碳含量超过0.10%，必须修改锰的水平，以弥补碳含量的提高。工厂生产含0.1%碳的梁坯，没有裂纹问题。10）为稳定工艺过程的参数必须改善统计控制。11）有时工厂从钒改为铌需要降低铸速约5%，但改进工艺后，它们能用以前的速度操作。12）不同的技术条件同样的化学成分生产牌号扩大。在不同的轧制参数条件下，这个方案能降低费用。13）浇铸和轧制参数与得到的结果对比（梁坯有裂纹，化学偏析和力学性能不稳定）。按上述研究结果采取有效的修正（见下面），能用高碳含量S355坯获得无缺陷梁。按照做出的变化连续生产了50炉钢，用含铌钢获得S355梁坯，在它们表面没有发现裂纹。下面列举工艺做出的变化：1）最大过热度限制20℃。2）浇铸包中观察到温降，是过热值波动的主要原因，同时为均匀浇铸温度改进钢包搅拌工艺。3）为更平稳的冷却，二冷区水耗量降低10%-15%。9、通过降低碳含量提高质量应用低碳钢和低合金钢（LCLA）的生产方案能降低能耗。按LCLA方案生产的特钢、含铌高价微合金钢产品，在提高产品质量、改善性能和符合公差中起着重要作用。坚持推荐碳含量水平保持在0.10%。预计降低碳含量对奥氏体转变成铁素体的速度影响有利。在变形作用下形成大量铁素体，使塑性下降范围显著收缩。为实现这一机理碳含量应低于0.10%。因此在低的碳含量（0.1%），处在包晶范围内，铸坯形成柱状晶和晶粒细化的概率更小。按显微组织水平，这些条件对塑性有良好影响，缩小塑性下降。10、其他连铸生产技术状况通过用适合的浇铸工艺和选择钢水化学成分，达到用低的和高的碳当量含铌钢生产无缺陷铸坯。如果含铌牌号（或任何其他的牌号）中有表面和显微组织的质量问题，那么推荐了解下面指出的措施。但如果本文上面已讨论的化学成分和工艺过程的建议已采用，并没有任何效果，那么原因可能在于以下列出的一种或几种因素：1）热量交换参数：◆热量交换与结晶器保护渣；◆结晶器液面控制系统的功率；◆送保护渣的稳定性；◆为保持板坯、型坯和梁坯角部温度高于900℃，降低二冷区水温。2）连铸机和中间包的结构：◆结晶器壁的锥度；◆振痕深度和降低裂纹深度的相互关系。3）预防维护：◆冷却干冷的集水管和喷嘴（即压力变化和水量变化）；◆水质（纯度和刚度）；◆水温；◆设置扇形；◆辊间距离变化和磨损大事记；◆轻压下效率。4）控制冶炼和浇铸温度：◆由于硫含量高与热塑性下降有关的问题；◆浇铸包钢水温差；◆过高的过热度（大于20℃）。5）火焰清理引起的裂纹：◆不适当的标准；◆工艺制度；◆由于操作员无经验，高碳当量钢形成裂纹。11、轻压下的效能和对质量的影响具有轻压下条件和有关控制设备的连铸机，比缺乏该条件的那些铸机，能获得更高质量的产品。轻压下是改善含铌板坯、型坯和梁坯质量的好方法。它要求轻压下影响型槽凝固区其锥形液芯。轻压下的目的是“合上”铸坯凝固结束形成的疏松气泡。它在解决上面讨论的有关杂质的问题中是有效的。轻压下粉碎凝固期形成的树枝状晶间的“桥”，就使宏观偏析最小。每个特定的工厂最佳工艺参数将根据连铸机结构、钢水化学成分及其温度而变化。铸速、轻压下区每点用的相对压下量和总的相对压下量属于主要的参数之列。12、与二冷有关的状况邻近板坯表面冷却速度越高（约200℃/min），两相析出物细化概率越高，从而导致塑性下降。应指出，在二冷区冷却速度降低50%（从200℃/min降到100℃/min）条件下，相对横向压缩率（RA）提高50%（从20%提高到30%）。在900℃条件下降低的冷却速度促进热塑性从25%提高到45%。13、工业开发状况根据铸坯规格、断面和化学成分的多样性（甚至在同一强度水平条件下），工业试验表明，微合金化钢大量碳素牌号品种轧制工艺和生产流程能生产符合严格力学性能的重要用途产品。每个工厂都是独特的，因此对于化学成分、冶炼工艺、浇铸、炉子加热和热轧制度，不可能存在万能的方案。