专利名称：一种碳钢双辊薄带连铸方法
技术领域：
本发明涉及薄带连铸工艺领域，特别涉及碳钢双辊薄带连铸方法。
背景技术：
薄带连铸主要形式之一是钢水经过高速旋转的结晶辊，并在轧制力的
作用下凝固成2-5mm铸带。目前薄带连铸生产的基本工艺过程是薄带连 铸机(双辊、单辊、轮带式)—密闭室—活套一夹送辊一热轧(单机架或 两机架或无) 一控冷一巻取。钢水从钢包经过长水口、中间包和浸入式水 口进入旋转的水冷结晶辊与侧封板形成的熔池内，经过水冷结晶辊的冷却 形成铸带，通过摆动导板、夹送辊将铸带送至铸带输送辊道，经过热轧机， 喷淋冷却，飞剪直至巻取机。由于薄带连铸技术具有节约成本、缩小厂房 面积、降低能耗、提高生产效率等优点，这项技术现在正成为各个国家研 究者研究的热点，同时也被称作是冶金行业的革命性技术。
在薄带连铸工艺中，铸带与水冷结晶辊之间的传热和凝固直接影响着 铸带的质量和最终产品的性能。控制结晶辊和钢水之间的界面传热的方法 和手段主要有如下几种1)利用结晶辊表面纹理处理来控制结晶辊的传
热。2)利用结晶辊表面形成的自然沉积的氧化膜来控制传热；3)通过改
变结晶辊表面镀层的成分来控制传热。4)控制气体的成分来控制传热， 例如加入氮气来提高传热，降低裂纹的发生等。
如中国专利申请CN1183064A和美国专利申请US6073679公开了一 种薄带连铸的方法。该专利的主要特征是钢水中的硫含量大于0.02%，硫 元素是通过硫化铁加入，并且钢水是硅锰镇静钢，其锰含量不小于0.2%， 含硅量不小于0.1%，含铝量小于0.01%。
美国专利申请US5720336公布了 一种利用自然沉积膜改善表面质量 的方法。该发明主要工艺是通过控制钢中的硅锰成分，使得钢水在结晶辊 表面凝固的同时形成一种含有铁，锰，硅的氧化物的自然沉积膜，在该沉 积膜中MnO: Si02 = 75%: 25%，且沉积膜的厚度小于1 u m。
美国专利申请US6059014、 US5934359、 US6059014以及欧洲专利申 请EP0800881、日本专利申请JP10029047中均公布了沉积膜的控制方法， 为了控制沉积膜的成分，通过控制钢水中的Ca/Al比例来在0.2~0.3之间 来实现。
以上技术虽然各具优点，但也都存在问题；例如改变结晶辊表面镀层 和利用结晶辊表面纹理处理等方法都需要对结晶辊表面进行特殊处理，而 且特殊成分的镀层在高温热交变疲劳和应力状态下易剥落和磨损，设备维 护成本高；通过结晶辊表面形成的自然沉积氧化膜以及密闭熔池的气体成 分来控制传热是个简单有效的方法。但目前已有的公开的技术中，形成的 自然沉积膜的成分都是氧化锰和二氧化硅。该方法对提高热流密度的效果 是有限的，因为氧化锰和二氧化硅混合氧化物的熔点不可能很低，而且在 结晶辊表面的形成的氧化膜的厚度也要薄，这对结晶辊表面清理的要求提 咼0
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳钢双辊薄带连铸方法， 为达到上述目的，本发明的技术方案是， 一种碳钢双辊薄带连铸工艺方法，其包括如下步骤
a) 冶炼，冶炼过程中在碳钢中以钛合金的形式加入钛，其钢水成 分质量百分比为C: 0.01-0.5、 Si: 0.03 0.6、 Mn: 0.2 1.2、 P<0.02、 S<0.02、 Ti: 0.02-0.1，余铁;
b) 薄带连铸，含钛的钢水经过钢包、中间包经过浸入式水口或布 流器进入由高速旋转的结晶辊形成的密闭熔池内，经过结晶辊
的冷却和轻微轧制形成铸带；钢水在密闭室内浇注到高速旋转 的结晶辊表面，在结晶辊的表面会形成黑色自然沉积膜，该自 然沉积膜的成分是二氧化硅，氧化锰和氧化钛的混合氧化物； 在熔池内，引入混合气体，该混合气体为惰性气体和还原性气 体的混合气，还原性气体的比例为1% 10%;密闭熔池内的 氧分压为10 — 2 10一22; C)再经热轧、控制冷却直至巻取。
进一步，所述的惰性气体为氩气或氦气；还原性气体为氢气或一氧化
碳o
又，本发明薄带连铸过程中，自然沉积膜中各氧化物的摩尔百分比为
Si02 : MnO : TiO2=35 40% : 50 55% : 4 10%。
结晶辊表面自然沉积膜的厚度为小于m的。
在钢水冶炼和脱氧过程中，钢水中必然存在氧化锰和氧化硅的脱氧产 物。这类脱氧产物的氧化物极易聚积，形成稳定的低熔点氧化锰和二氧化 硅复合氧化物。该氧化物在浇注的过程中，尤其在薄带连铸这样的快速凝 固的条件下，极易在结晶辊表面形成一层薄薄的黑色沉积膜。由于该沉积 膜熔点比钢水的熔点大大降低，因此在钢水与结晶辊之间形成了液态的润 滑膜，有效地起到了润滑，改善传热等作用。图l是氧化锰和二氧化硅的 相图。根据相图可以看出，对于氧化锰和二氧化硅复合氧化物，最佳的比 例是大约为SiO2:MnO = 40%:60%，此时氧化物的熔点为1251°C。
当自然沉积氧化膜的熔点降低后，则氧化膜在高温液态停留时间增 长，则氧化膜起到了润滑结晶辊表面的作用，减小了铸带和结晶辊表面的 摩擦力，提高了传热，并提高了铸带的表面质量。如果想进一步降低熔点， 提高效果，仅仅是氧化锰和二氧化硅复合氧化物是达不到。因此必须通过 改变复合氧化物的成分，通过控制合理的比例，降低熔点。
钛在钢水中极易与钢水中的氮发生反应
Ti+[N]=TiN
反应后形成的TiN是细小的夹杂，在凝固过程中钉扎在晶界起到细化 晶粒的作用。TiN是不能在凝固过程中析出到结晶辊表面，在结晶辊表面 形成TiN的膜。因此必须控制密闭熔池中的氧含量使如下反应进行Ti +
=Ti02。氧化钛容易与钢水中的氧化锰，二氧化硅形成复合夹杂物沉积 在结晶辊的表面。图2给出了氧化钛比例为5%时的相图，根据相图我们 可以看出，当在氧化锰和二氧化硅的复合氧化物中含有5%的氧化钛时， 复合氧化物的最低熔点可以降低为1150°C，效果明显。
因此本发明的目的通过在钢种加入合适的钛含量，并通过控制密闭熔 池内气体的成分，比例，流量以及气体循环的时间来控制密闭熔池的内的 氧分压，使得钢水在浇注过程中在结晶辊的表面形成含有一定比例的氧化
锰、氧化硅以及氧化钛的自然沉积膜，通过对氧化物比例的控制，达到控 制传热，提高铸带质量的目的。
气体流量的多少根据熔池的大小确定例如，流量大达到目标氧分压的 时间就短，但熔池就会冷，钢水表面容易凝固结壳。流量大小根据生产实 践确定。这里流量和循环时间都是为了控制氧分压。氧分压达到了目标要 求即可。
另外，值得注意的是并不是氧化物沉积膜在结晶辊表面越多越好，当 沉积膜不断地沉积在结晶辊表面的时候，随着沉积膜厚度的增加，热流密 度增加。当氧化膜厚度增加到一定程度后，氧化膜本身成为阻碍结晶辊传 热的热阻，降低了传热。
本发明与已有技术的相比
与中国专利申请CN1183064A和美国专利申请US6073679公开了一 种薄带连铸的方法不同的是，本专利的主要特征是在钢水中添加了钛元 素；对硫没有要求。
与美国专利申请专利US5720336公布了 一种利用自然沉积膜改善表 面质量的方法不同的是，本发明形成的沉积膜的成分是含有钛，硅，锰， 铁的氧化物膜。其中在氧化物的沉积膜中，氧化钛的比例大于4%。含钛 的氧化物沉积膜比无钛的氧化物沉积膜的熔点更低，因此润滑效果更好。 而且自然沉积膜的厚度也可以增厚，减少了结晶辊表面的清理。
本发明与美国专利申请专利US 6059014、 US5934359、 US6059014以 及欧洲专利申请EP0800881、日本专利申请JP10029047公布的沉积膜的 控制方法不同的是，本发明是控制氧化膜中氧化钛的比例，而不是控制氧 化钙的比例。
本发明的主要优点有
当钢水中增加了钛含量后，在结晶辊表面形成了含钛的氧化物的自然 沉积膜，该沉积膜的熔点比已经公开的氧化锰和二氧化硅自然沉积膜的熔 点低(80°C)，该液体熔渣填补了由于收縮引起的铸带和结晶辊之间的气 隙，大大提高了铸带和结晶辊表面的之间的传热，比已有的技术提高了 3 倍以上。大大提高了生产率，降低了生产成本；
含有合适氧化钛比例的沉积膜熔点更低，该沉积膜起到了润滑作用，
减小了铸带和结晶辊之间的摩擦力，提高了铸带的表面质量；同时由于熔 点低，允许沉积膜的厚度增加。
图1为MnO-Si02的相图2为本发明MnO-Si02-Ti02相图3为结晶辊表面沉积膜的厚度与平均热流密度的关系；
图4为本发明铸带浇注示意图5为本发明气体引入系统装置示意图6为结晶辊表面沉积的氧化锰和二氧化硅混合氧化物的金相组织示 意图7为结晶辊表面沉积的氧化锰，二氧化硅和氧化钛混合氧化物的金 相组织示意图8为钢水中的钛含量与热流的关系。
具体实施例方式
本发明是通过如下步骤来实现的
参见图4，在钢水的冶炼过程中加入钛合金，将符合成分要求的钢水
从钢包1经过长水口 2、中间包3和浸入式水口 4进入旋转的水冷结晶辊 5、侧封7形成的熔池内，经过水冷结晶辊5的冷却形成铸带15，通过摆 动导板ll、夹送辊14将铸带15送至热轧，再经、控制冷却直至巻取。13 为渣车，6为操作平台。
熔池内引入一气体引入装置系统，该系统包括气体引入管道8，流量 计9a、 9b以及流量调节阀10a、 10b，参见图5。
在浇注开始前，首先打开氩气和氢气阀门，根据工艺的要求，通过调 节流量调节阀10a、 10b和流量计9a、 9b来控制合理的比例，按比例混合 的气体充满密闭室12，在气体排出管路16上安装氧分压测试仪17来检测 密闭熔池内的氧分压。
实施例1:
在普通的碳钢成分加入钛0.04y。Ti，论在氩气或氩气氢气混合气体中，
结晶辊表面沉积物的成分为氧化硅，氧化锰和氧化钛的混合氧化物，氧化
物的形貌见图4。当气体是氩气时，此时氧分压为10—2 10—4范围内，此 时平均热流密度为8MW/m2，当气体为Ar-10。/。H2时，氧分压可达到 l(T22atm，平均热流密度达到12MW/m2。
实施例2:
在普通的碳钢成分加入钛0.1%Ti，论在氩气或氩气氢气混合气体中， 结晶辊表面沉积物的成分为氧化硅，氧化锰和氧化钛的混合氧化物，当气 体是氩气时，此时氧分压为10—2 10—4范围内，此时平均热流密度为10 MW/m2，当气体为Ar-5。/。H2时，氧分压可达到1(T"atm，平均热流密度达 到14MW/m2。
热流密度提高，对于同一个钢种相同的工艺参数，换热系数提高，换 热系数提高，拉速就可以提高，因此提高了生产率。
对比例
在普通的碳钢成分中无钛，或加入钛含量小于0.02%Ti，无论在氩气 或氩气氢气混合气体中，结晶辊表面沉积物的成分为氧化硅和氧化锰的氧 化物，其形貌见图3所示。结晶辊表面无含有氧化钛的沉积膜，平均的热 流密度为4MW/m2。
钢水浇注是在密闭室内完成的。在浇注前在密闭室内通入氩气或氩气 和氢气的混合气体。图8是钢水中加入不同的钛含量对平均热流的影响。 当含钛量大于0.04%以上时，不论是在氩气还是在氩气和氢气的混合气氛 环境，结晶辊和钢水之间的传热大大增强，热流密度由平均4MW/m2提高 到16MW/m2。热流密度提高了 4倍。热流密度提高，对于同一个钢种相 同的工艺参数，换热系数提高，换热系数提高，拉速就可以提高，因此提 高了生产率。
钢水在凝固过程中会在结晶辊表面形成一种自然沉积的氧化膜，当钢
水为普通的碳钢时，没有钛，或者钛含量小于0.04%时，结晶辊表面沉积 物的成分为氧化硅和氧化锰的氧化物，其形貌见图6所示。当钢水中钛含 量增加到0.04%以上，结晶辊表面沉积物的成分为氧化硅，氧化锰和氧化 钛的混合氧化物，氧化物的形貌见图7。
图1是当沉积膜没有氧化钛时的相图，当沉积膜的成分为氧化硅和氧 化锰的氧化物时，Si02:MnO = 36%: 64%，此时氧化物的熔点为1306°C;
图2是沉积膜中含氧化钛后的相图。形成的氧化硅，氧化锰，氧化钛 复合氧化物的熔点为1212°C。当自然沉积氧化膜的熔点降低后，则氧化膜 在高温液态停留时间增长，则氧化膜起到了润滑结晶辊表面的作用，减小 了铸带和结晶辊表面的摩擦力，提高了传热，并提高了铸带的表面质量。
图3给出了本发明的沉积膜的厚度与热流的关系，从中可以看出沉积 膜的厚度可以达到6ixm，比公开的文献ly m大大增加。这样就减少了结 晶辊表面的清理，降低了操作成本。
但是，并不是氧化物沉积膜在结晶辊表面越多越好，当沉积膜不断地 沉积在结晶辊表面的时候，随着沉积膜厚度的增加，热流密度增加。当厚 度增加到6um以上后，增加了氧化膜的厚度热流密度降低，见图3。这 是因为，当氧化膜厚度增加到一定程度后，氧化膜本身成为阻碍结晶辊传 热的热阻，降低了传热。
综上所述，本发明通过在钢水中增加了钛含量，在结晶辊表面形成了 含钛的氧化物的自然沉积膜，该液体熔渣填补了由于收縮引起的铸带和结 晶辊之间的气隙，大大提高了铸带和结晶辊表面的之间的传热，大大提高 了生产率，降低了生产成本；同时，含有合适氧化钛比例的沉积膜还具有
润滑作用，减小了铸带和结晶辊之间的摩擦力，提高了铸带的表面质量； 同时由于熔点低，允许沉积膜的厚度增加。
权利要求
1.一种碳钢双辊薄带连铸工艺方法，其包括如下步骤a)冶炼，冶炼过程中在碳钢中以钛合金的形式加入钛，其钢水成分质量百分比为C0.01～0.5、Si0.03～0.6、Mn0.2～1.2、P＜0.02、S＜0.02、Ti0.02～0.1，余铁；b)薄带连铸，含钛的钢水经过钢包、中间包经过浸入式水口或布流器进入由高速旋转的结晶辊形成的密闭熔池内，经过结晶辊的冷却和轻微轧制形成铸带；钢水在密闭室内浇注到高速旋转的结晶辊表面，在结晶辊的表面会形成黑色自然沉积膜，该自然沉积膜的成分是二氧化硅，氧化锰和氧化钛的混合氧化物；在熔池内，引入混合气体，该混合气体为惰性气体和还原性气体的混合气，还原性气体的比例为1％～10％；密闭熔池内的氧分压为10-2～10-22atm；c)再经热轧、控制冷却直至卷取。
全文摘要
一种碳钢双辊薄带连铸工艺方法，其包括如下步骤a.冶炼，冶炼过程中在碳钢中加入钛；b.薄带连铸，钢水经过钢包、中间包经过浸入式水口进入由结晶辊形成的密闭熔池内，经过结晶辊的冷却和轻微轧制形成铸带；钢水在结晶辊的表面形成自然沉积膜，其成分是二氧化硅，氧化锰和氧化钛的混合氧化物；在熔池内引入惰性气体和还原性气体的混合气；c.再经热轧、控制冷却直至卷取。本发明钢水中增加了钛，在结晶辊表面形成了含钛氧化物的自然沉积膜，填补了铸带和结晶辊之间的气隙，大大提高了铸带和结晶辊表面的之间的传热，提高了生产率；该沉积膜还起到了润滑作用，减小了铸带和结晶辊之间的摩擦力，提高了铸带的表面质量。
文档编号B22D11/14GK101096740SQ20061002826
公开日2008年1月2日 申请日期2006年6月28日 优先权日2006年6月28日
发明者艳 于, 卢志明, 叶长宏, 健 崔, 园 方 申请人:宝山钢铁股份有限公司