本專利涉及鋼鐵冶金連鑄坯質量控制
技術領域：
，適用于微合金化鋼的連鑄生產。連鑄坯較高的等軸晶率和良好的表層組織強度對于減少元素宏觀偏析、降低矯直過程表面裂紋發生率具有重要作用。本專利通過實驗研究結合相關數學模型闡明了鋼種的凝固特性及其組織演變規律，在此基礎上，歸納提出了一種基于鋼種凝固特性與組織演變規律的微合金鋼連鑄冷卻控制方法，運用此方法能夠在提高微合金鋼連鑄坯等軸晶率的同時強化鑄坯表層組織，改善鑄坯的質量。
背景技術：
：連鑄坯實際生產過程中結晶器內氣隙的形成及二次冷卻區水量的非均勻分配會導致連鑄坯“縱-橫”非均勻凝固冷卻，這一現象與連鑄坯典型質量缺陷如裂紋及宏觀偏析的產生密切相關。因此，有必要針對鑄坯連鑄過程的凝固特性及組織性能進行研究，分析連鑄冷卻條件下的凝固特性變化規律，闡明連鑄坯平衡/非平衡組織演變規律對鑄坯典型凝固缺陷的影響機制，最終結合鋼種特性從凝固原理和金屬學角度對連鑄凝固冷卻工藝提出相應工藝優化建議。鋼的連鑄過程冷卻控制是提高連鑄坯質量的關鍵性技術，主要分為結晶器冷卻控制和二冷區控制。其中，結晶器冷卻控制主要通過調整鋼液過熱度、結晶器冷卻水流速及進出水溫差來對鋼液的初始凝固過程進行控制；二冷區控制主要通過調整二冷各段冷卻水量來實現鑄坯的“縱向”均勻冷卻，并以此為基礎合理調整冷卻水在鑄坯橫截面方向的覆蓋率及噴嘴布置方式來實現鑄坯的“橫向”均勻冷卻，通過上述控制方法的配合實現連鑄坯的“縱-橫”均勻冷卻，以保證鑄坯經過連鑄機矯直點時的表面溫度避開所澆鋼種的“脆性溫度區間”。然而，對于微合金化鋼種來說，微合金元素V，Ti，Nb等的存在及溶質元素的偏析作用將使鑄坯在凝固冷卻過程中產生微合金碳氮化物第二相粒子。若連鑄冷卻控制不當，第二相粒子將在晶界大量析出，使鋼的塑性降低，導致矯直過程連鑄坯表面橫裂紋的產生。實際生產過程中，連鑄坯的凝固組織結構對于溶質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溶質元素的均勻分布，從而減輕了其偏析行為。這一特點要求其連鑄坯應當具有良好的凝固質量，避免出現中心偏析、疏松和裂紋等缺陷。溶質宏觀偏析作為連鑄坯常見的質量問題，其形成機理與連鑄坯的凝固冷卻方式聯系緊密。因此，可以通過調控連鑄過程冷卻模式來改善連鑄坯凝固組織質量，從而降低溶質元素的偏析程度。連鑄過程中結晶器/二冷區冷卻效果的直接表現形式為鑄坯表面/內部冷卻速率的變化。連鑄過程鋼液的凝固相變、溶質元素的偏析、第二相的析出、樹枝晶的生長及初生坯殼的固態相變及熱塑性均會受到冷卻速率的顯著影響。因此，連鑄過程中結晶器/二冷區的冷卻方式將會對連鑄坯的內部/表面質量產生重要作用。通過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生。中國發明專利CNI01912953A控制連鑄坯表層凝固組織的二次冷卻方法，通過在鑄機垂直段采用增大原來水量的2～5倍對鑄坯進行強冷，控制析出物和凝固組織來控制鑄坯表層凝固組織。但其在垂直段冷卻強度過大，致使鑄坯溫度過低，而當鑄坯經過彎曲段和矯直段時，會因塑性降低而產生裂紋。中國發明專利CN102861890A一種降低微合金鋼板坯角部橫裂紋的二次冷卻方法，通過控制垂直段內的冷卻水量及噴水模式，以3～8℃/s的冷卻速度對鑄坯進行冷卻，實現鑄坯的強冷。之后通過弱冷對鑄坯進行回溫，強化表層組織強度，減小角部裂紋敏感性。然而，該專利忽略了連鑄機垂直段強冷對連鑄坯中心等軸晶率的影響，易加重溶質元素的中心偏析程度。技術實現要素：本發明核心技術為提出一種基于鋼種凝固特性與組織演變規律的微合金鋼連鑄冷卻控制方法。通過該方法的應用，可以同時提高微合金化鋼連鑄坯的中心等軸晶率和表層組織強度，從而減少鑄坯中心偏析和表面裂紋缺陷的發生。為解決上述技術問題，本發明相關技術方案主要從兩方面出發：(1)通過實驗測定目標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的目標鋼種第三脆性溫度區間分布范圍，在此基礎上，確定連鑄坯矯直點目標表面溫度；(2)運用元胞自動機-有限元法對連鑄坯凝固組織形成過程進行分析，確定柱狀晶-等軸晶轉變點在連鑄機冷卻區段中的位置，在此基礎上，研究澆注溫度、二冷水量對中心等軸晶率的影響規律。結合(1)和(2)兩方面的研究，以鑄坯柱狀晶-等軸晶轉變開始處對應的連鑄冷卻區位置為分界點(簡稱CET點)，針對目標鋼種連鑄過程過熱度及二次冷卻水量進行合理調控。在CET點之前，為了擴大鑄坯等軸晶率，對鋼液澆注溫度按照下限控制；在CET點之后，對連鑄二冷區進行強冷，促進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，以此來提高鑄坯表層組織強度，通過上述連鑄冷卻控制策略擴大連鑄坯中心等軸晶率并提高鑄坯表層組織強度，最終減輕溶質中心偏析程度并降低鑄坯表面矯直裂紋的發生率。附圖說明圖1為冷卻速率對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算結果，圖3為微合金鋼連鑄過程V(C,N)析出量隨溫度的變化規律曲線，圖4為冷卻速率對鋼中V(C,N)第二相析出位置的影響檢測結果(掃描電鏡)，圖5為YQ450NQR1鋼連鑄過程鐵素體析出原位觀察結果(共聚焦顯微鏡)，圖6冷卻模式調整前/后的YQ450NQR1鋼鑄坯寬面溫度曲線對比，圖7冷卻模式調整后的YQ450NQR1鋼鑄坯凝固組織結構模擬結果。具體實施方式下面以具體實施案例，針對某鋼廠連鑄生產YQ450NQR1釩微合金化鋼為例對本專利作進一步說明。YQ450NQR1鋼的化學成分如表1所示。YQ450NQR1鋼連鑄過程工況及相關冷卻工藝參數分別見表2和表3。表1YQ450NQR1鋼化學成分(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，℃結晶器水量，m3/hYQ450NQR1360×4500.51550240表3二冷各區長度及水量分布(L/min)本專利具體實施方式如下：運用Gleeble熱模擬實驗機針對YQ450NQR1鋼連鑄坯表層組織在不同冷卻速率下的熱塑性進行研究分析，確定冷卻速率對熱塑性的影響規律，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％為評定標準，確定第三脆性溫度區間的范圍。運用元胞自動機-有限元法針對連鑄方坯凝固組織進行數值模擬計算，確定正常工況(見表2)下的YQ450NQR1鋼連鑄坯柱狀晶-等軸晶轉變點位置(圖2)。在此基礎上，通過調整過熱度和二冷水量，分析其對連鑄坯中心等軸晶率的影響。連鑄冷卻過程對鑄坯凝固組織的影響取決于鑄坯凝固終點之前冷卻區的工藝條件，其中對于中心等軸晶率的影響主要集中于鑄坯發生柱狀晶-等軸晶轉變(CET)之前的冷卻區。CET轉變發生后鑄坯凝固結構由柱狀晶變為等軸晶，由此形成了中心等軸晶區。通過計算得知，當拉速為0.5m/min、過熱度為25℃、采用常規二次冷卻模式時，YQ450NQR1鋼方坯CET轉變開始時距結晶器彎月面約8.17m，該位置位于連鑄機二冷三區中部。由此可知，可以通過調整鋼液過熱度、足輥區及二冷一區、二區水量在一定程度上能控制鑄坯中心等軸晶率，調整CET轉變完成處以后的二冷區水量對中心等軸晶率影響較小。通過過熱度、二冷水量對凝固組織的影響可知，低過熱度、低二次冷卻強度有利于增大鑄坯中心等軸晶率。在確保水口不凍結及初凝坯殼不漏鋼的前提下，鋼液過熱度盡可能按照下限值控制，結合現場工藝參數確定鋼水過熱度為23℃(原過熱度為37℃)。足輥區及二冷一區、二區的冷卻水量不作調整。由圖3可知，YQ450NQR1鋼中V(C,N)粒子在1100℃以上開始析出。此溫度位于二冷二區末端，鑄坯進入二冷三區和二冷四區后V(C,N)粒子開始集中析出。結合圖4掃描電鏡實驗結果，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，使其分布于晶粒內部，從而誘導晶內鐵素體析出(圖5)，消除連鑄坯矯直過程中晶界應力集中。同時，根據不同冷卻速率下的方坯熱塑性曲線(圖1)可得，為了保證矯直點處鑄坯具有良好的塑性(高溫拉伸實驗試樣有較高的斷面收縮率)，應使鑄坯在二冷四區冷卻速率保持在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度，特制定YQ450NQR1鋼連鑄方坯冷卻控制策略為“低過熱度澆注+二冷三區弱冷+二冷四區強冷”。基于此冷卻控制策略，經過反復試算，得出YQ450NQR1鋼連鑄方坯冷卻精益控制方案為“過熱度23℃(原過熱度37℃)，二冷三區水量2.6L/min(原二冷三區水量51.5L/min)，二冷四區水量165.6L/min(原二冷四區水量18.4L/min)”。結合凝固傳熱數學模型對鑄坯溫度場進行計算，獲得鑄坯寬表面溫度曲線如圖6所示。由圖6可知，冷卻模式調整后，連鑄坯表層組織在二冷三區經歷了回溫，此過程將促使先前析出的V(C,N)粒子回溶，鑄坯在二冷四區入口處的寬表面中心溫度為1365℃。在二冷四區，連鑄坯受到強冷，由此將導致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度。二冷四區長度為5.14m，在拉速為0.5m/min時，二冷四區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為鑄坯在二冷四區的表面冷卻速率，℃/s；Tin，Tout分別為鑄坯在二冷四區入口和出口位置的寬面中心溫度，℃；tseg4為鑄坯經過二冷四區所經歷的時間，s。結合二冷四區長度與鑄坯拉速可得代入式(1)可得針對圖6進一步分析可知，連鑄坯出二冷四區后經歷部分空冷區后進行矯直。在矯直點位置處，常規冷卻模式下的YQ450NQR1方坯寬面中心溫度為902℃，已經落入該鋼種第三脆性區(800～917℃)。相比而言，冷卻模式優化后，YQ450NQR1方坯在二冷四段平均冷卻速率為1.17℃/s，在矯直點位置處的寬面中心溫度為729℃。結合圖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％，能夠從低溫區間避開第三脆性區。在此基礎上，運用元胞自動機-有限元模型對冷卻模式優化后的YQ450NQR1鋼連鑄方坯凝固組織進行模擬，其橫截面凝固組織形貌見圖7，經測量得到其中心等軸晶率為31.3％。綜合以上結果可得，優化后的冷卻模式能夠使YQ450NQR1鋼連鑄方坯滿足等軸晶率高、表層微觀組織強度高的要求，從而降低了鑄坯凝固過程偏析、內裂紋及矯直過程鑄坯表面橫裂紋的發生概率。當前第1頁1 2 3