一种控制含锰钢大圆坯表面微裂纹的方法与流程

本发明属于冶金技术领域，涉及一种控制含锰钢大圆坯表面微裂纹的方法。

背景技术：

在连铸生成过程中，铸坯表面缺陷往往对下游工序造成严重影响，甚至有的缺陷会遗传至成材，直接或间接的损失不可估量。例如，据报道某大规格船用锚链钢在船厂加工过程中，出现了某个链环热处理开裂，导致整条链子全部报废，可见一斑。铸坯的表面裂纹因铸坯规格不一，表现形式也多种多样，例如，宽厚板的边部表面横裂纹，方坯和矩形坯的角部皮下裂纹等等，这些横向裂纹或角部裂纹，目前均有对应的改善措施，也取得了比较好的效果。但是，中碳含锰钢因其成分设计的特殊性，在连铸过程中普遍出现表面微裂纹，该微裂纹隐藏在铸坯氧化铁皮之下，铸坯表面目视不可见，给后续带来很大的工作难度。

统计各相关生产企业的信息可以发现，对于这种中碳含锰钢表面微裂纹的形貌描述是一致的：(1)发生在表面氧化铁皮之下，深度0.1-5mm，宽度0.1-0.2mm,长度5-50mm；(2)裂纹在表面走向比较随意，分布呈现单条状、多条状、星型状等等；(3)裂纹在表层之下沿着原奥氏体晶界延伸；(4)发生在中碳含锰钢上，含有微合金化元素与否均有发生，锰含量越高发生的问题性越严重。迄今为止，中碳含锰钢表面微裂纹的问题，成为各生产单位急需解决的一大难题。目前，国内外对于这个问题的认识莫衷一是，主要的观点有如下几种：(1)脆性区理论，认为在连铸低应变速率下，存在着第三脆性区，该脆性区的存在导致表面微裂纹的产生，同时认为钢种的合金化、微合金化、冷却速率等因素均影响脆性区的“口袋”温度；(2)先共析铁素体理论，认为因宏观、微观偏析带来的元素偏聚，导致a3转变温度的不一致性，晶界出优先析出先共析铁素体，当这种先共析铁素体呈膜状分布时，阻断了奥氏体的连续性，带来晶界应力集中，同时认为微合金化元素也是先共析铁素体析出的促进因素；(3)奥氏体晶粒尺寸理论，认为奥氏体晶粒尺寸分布不均匀时，形成过大奥氏体晶粒过程中因局部晶粒表面积的减小，造成应力集中，同时认为过大奥氏体晶粒也往往伴随着先共析铁素体和微合金化元素的问题，也是导致脆性区的“口袋”温度向高温区移动的影响因素；(4)微合金化元素，认为nb、v、ti等强c、n合金化元素形成高熔点高稳定性的mc、mn、m(cn)，连铸坯中农这些析出物以ti析出物为主，尺寸大多在几十纳米到几微米范围内，析出的问题在偏向晶界，会诱发先共析铁素体的析出，也是是晶界应力集中的重要诱因。

针对这些理论分析，很多冶金工作者给出了各种解决方案，梳理一下，可以发现主要集中在以下几种：(1)二冷副切和大倒角结晶器技术，这种方式主要就是提高边角部温度，避开第三脆性区“口袋”温度；(2)控制先共析铁素体技术，利用二冷强冷后回温的方法，使得微合金化元素呈细小、弥散状析出，抑制先共析铁素体的析出；(3)细化奥氏体晶粒技术，利用超强冷和大回温的方法，实现“γ-α-γ”循环相变，获得细小奥氏体晶粒；(4)优化保护渣技术，通过提高粘度和碱度的方式，均匀保护渣流入、均匀传热。经过大量实践，以上技术手段，均有其缺点，表现在：(1)因大圆坯冷却的特殊性，辐射传热为主要的传热方式，对于固定的连铸机而言，因断面、二冷长度、拉矫位置均无法改变，无法真正有效提高第三脆性区“口袋”温度；(2)控制先共析铁素体的代表即是ssc技术，这种技术控制难度很大，铸坯表面冷却不当，会加重裂纹敏感性，所以目前并没有普遍使用；(3)细化奥氏体晶粒技术，目前还存在争论，在ssc技术中已经明确，连铸过程中的强冷无法细化奥氏体晶粒，“γ-α-γ”循环相变还在实验室中，没有走向实践；(4)保护渣技术是目前解决中碳含锰钢表面微裂纹的主要技术手段，通过大量实践总结发现，保护渣技术作用效果有限，各相关生产单位利用该技术可以将裂纹率控制在大约20％-50％的范围内，进一步提升的空间基本没有了。

技术实现要素：

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种控制含锰钢表面微裂纹的方法，以解决技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种控制含锰钢大圆坯表面微裂纹的方法，包括如下步骤：

(1)大圆坯受断面制约，属于慢速凝固范畴，通过控制拉速抑制铸坯表层晶粒再结晶长大，这也是控制表面微裂纹的关键，因为铸坯表层0.1—3mm的凝固坯壳晶粒极易发生长时间滞留或反复进出晶粒敏感长大区，而发生长大、熟化，导致裂纹敏感性的发生；

(2)提高结晶器出口坯壳温度，减少初生坯壳在结晶器滞留时间，尽快避开晶粒敏感长大区，本发明中，控制结晶器出口坯壳温度为1050-1200℃；

(3)利用足辊水爆开保护渣层，激冷坯壳表面，抑制坯壳表层回温，避免反复进出晶粒敏感长大区，本发明中，控制足辊区出口目标温度为＜1180℃，足辊区冷却速率为0.5-2.5℃/s；

通过步骤(2)和步骤(3)的控制，可以有效避免表层0.1—3mm的凝固坯壳回温进入晶粒长大敏感区，这有别于避开脆性区、抑制析出物钉扎或强冷细化晶粒的传统路线；

(4)控制足辊区的单喷嘴覆盖区域范围为

并且保证横向水流密度的均匀性，其中，控制足辊区冷却水压力0.25—0.35mp；

(5)各流足辊区喷淋支管水压差＜20％，保证各流冷却的一致性。

本发明中，含锰钢大圆坯按照重量百分比，碳含量在0.15％-0.35％范围内，锰含量在0.9％-1.8％范围内；适用的断面为φ450—φ800的大圆坯，适用的铜管厚度为35-45mm。

进一步地，步骤(1)中，所述的铸坯表层0.1—3mm的凝固坯壳晶粒极易发生长时间滞留或反复进出晶粒敏感长大区，而发生长大、熟化，导致裂纹敏感性的发生，本发明中，发明人经过反复试验，得到了控制拉速范围在0.29-0.32m/min，在此速度下，可以最大限度的抑制铸坯表层晶粒再结晶长大，控制拉速范围在0.29-0.32m/min，可以有效避免表层凝固晶粒再结晶长大。

进一步地，步骤(2)中，控制结晶器出口目标温度为1080-1180℃。

进一步地，步骤(3)中，控制足辊区出口目标温度为＜1150℃，控制足辊区冷却速率0.5—2℃/s，可以有效避免表层0.1—3mm的凝固坯壳回温进入晶粒长大敏感区。

并且保证横向水流密度的均匀性，其中，控制足辊区冷却水压力0.25—0.35mp，,压力大小适中，保证有效爆开保护渣层，均匀冷却铸坯表面，这有别于避开脆性区、抑制析出物钉扎或强冷细化晶粒的传统路线；

进一步地，步骤(5)中，各流足辊区喷淋支管水压差＜15％，避开平行喷嘴强烈交叉区域,防止出现弧面喷淋不均，，避开平行喷嘴强烈交叉区域,防止出现弧面喷淋不均，保证各流冷却的一致性。这有别于足辊区采用淬火工艺的强冷路线。

本发明是发明人经过长期实践得出的，应用在断面φ450-φ800大圆坯上，效果明显。经过大量实践，发现大圆坯较方坯存在明显的晶粒粗化现象，极容易产生表面微裂纹，晶粒粗化的主要原因是初始坯壳长时间处在＞1200℃，该温度范围恰好处在奥氏体晶粒敏感长大范围内，导致晶粒充分发生长大、熟化。

对于温度控制传统观点基本认为在结晶器出口控制＜1050℃，进入足辊区后进行强冷，甚至追求表面淬火的工艺。实践证明对于方矩形坯，因高拉速的影响，铸坯在结晶器内滞留时间相对较短，而大圆坯受断面制约，拉速普遍较低，在结晶器内滞留时间很长，表层晶粒有充分的时间熟化长大，铸坯表面在结晶器下部回温严重，铸坯晶粒反复膨胀收缩，大颗粒晶界易产生应力集聚，按照本专利的温度控制要求，结晶器出口目标温度为1080-1180℃，足辊区出口目标温度为＜1150℃，控制足辊区冷却速率0.5—2℃/s，可最大化抑制晶粒膨胀带来的一系列问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明跳出了常规的细化晶粒、抑制析出物、抑制先共析铁素体、提高矫直温度等传统思路，从最本质的晶粒晶粒敏感区异常长大入手，控制冷却强度、拉钢时间，避免晶粒长时间处于敏感区，从而发生异常长大；本发明大大降低了寻求最优参数的时间和实践成本；本发明避免了采用强冷方式带来的其它缺陷，降低了足辊喷淋区对水流、水压、支管路等喷淋装置的机械要求，大大降低了生成或改造成本；本发明中的特征断面在φ450-φ800，同时对其它方矩坯需要控制中碳含锰钢表面微裂纹的钢种也是一种有益参考。

附图说明

图1是对比例1沿温度梯度方向晶粒异常长大；

图2足辊喷淋示意图；

图3(a)是对比例2的铸坯表层裂纹金相图；

图3(b)是对比例2的铸坯表层析出物形貌；

图3(c)是对比例2的铸坯表层析出物能谱；

图4实施例的铸坯表层裂纹金相图；

图5实施例的铸坯表层析出物形貌；

图6实施例的近表层晶粒金相组织。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

一种控制含锰钢大圆坯表面微裂纹的方法，其中，含锰钢大圆坯按照重量百分比，碳含量在0.15％-0.35％范围内，锰含量在0.9％-1.8％范围内；适用的断面为φ450—φ800的大圆坯，适用的铜管厚度为35-45mm。

本实施例以φ600断面为例，含锰钢大圆坯按照重量百分比，碳含量为0.29％，锰含量在1.75％，(建议碳含量为0.29％，锰含量在1.75％)生产中采用转炉炼钢、lf精炼、vd精炼、大圆坯连铸、铸坯入坑缓冷工艺。生产中采取常规控制措施，包括：炼钢工序防止钢水过氧化、lf精炼工序防止增碳、精确控制成分，波动(目标±0.01％)、vd工序严格控制软吹氩强度、连铸工序规范中包烘烤和中包覆盖剂加入、含锰用保护渣、采用液面自控和自动加渣等等，控制含锰钢大圆坯表面微裂纹的方法包括如下步骤：

(1)大圆坯受断面制约，属于慢速凝固范畴，通过控制拉速抑制铸坯表层晶粒再结晶长大，本实施例中，控制拉速在0.29m/min，这也是控制表面微裂纹的关键，因为铸坯表层0.1—3mm的凝固坯壳晶粒极易发生长时间滞留或反复进出晶粒敏感长大区，而发生长大、熟化，导致裂纹敏感性的发生；

(2)提高结晶器出口坯壳温度，减少初生坯壳在结晶器滞留时间，尽快避开晶粒敏感长大区，本发明中，控制结晶器出口坯壳温度为1150℃；

(3)利用足辊水爆开保护渣层，激冷坯壳表面，抑制坯壳表层回温，避免反复进出晶粒敏感长大区，本发明中，控制足辊区出口目标温度为1170℃，足辊区冷却速率为1℃/s；

(4)如图2所示，控制足辊区的单喷嘴覆盖区域范围为

并且保证横向水流密度的均匀性，其中，控制足辊区冷却水压力0.25mp，控制足辊区冷却水压力0.25mp，,压力大小适中，保证有效爆开保护渣层，均匀冷却铸坯表面；

(5)各流足辊区喷淋支管水压差15％，压差14％，保证各流冷却的一致性。

得到的产品，通过图4铸坯表层裂纹金相图可以看到，铸坯酸洗后的表面形貌，无裂纹分布，本实施例的圆坯断面未出现表面裂纹；图5铸坯表层析出物形貌分析可得,仅存在少量大颗粒的tin。并没有大量细小析出物析出。图6近表层晶粒金相组织，近表层原奥氏体在冷却中，没有明显粗化现象，相对较均匀。

对比例1

大圆坯较方坯存在明显的晶粒粗化现象，极容易产生表面微裂纹，以φ600断面、800mm长铜管为例，拉速为0.22m/min时，表层晶粒发生异常长大，见图1所示。

对比例2

为了验证足辊区淬火工艺的可行性，企业进行了足辊喷淋系统局部改造，该企业生产断面为φ600mm，钢种成分为0.3％c-mn1.72％mn—0.018％ti，铜管长度800mm，属于多锥度传统铜管，其它工艺参数的设置按照传统控制方式。足辊区加大水流强度和水流量，但是却出现了严重的表面裂纹，如图3(a)所示。该将裂纹试样进行萃取复型分析，发现析出物呈现弥散分布，晶内外均有析出，如图3(b)所示，且析出物主要以ti析出为主，如图3(c)所示,但是奥氏体晶粒为发现明显细化，也未发现先共析铁素体。这说明足辊强冷工艺是有局限性的。而采用本发明均匀控制冷却的方式，能很好的解决这一问题。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。