含铌钢铸坯的冶炼与连铸

2010年第2期世界钢铁含铌钢铸坯的冶炼与连铸Steven G Jansto(CB MM R M C公司,美国)摘要:为满足客户日益增加的需求和期望,高强度钢的产品质量也在不断地提高。

几乎所有的用户都逐步提高了对钢中残余元素的要求,同时还希望钢材的力学性能更加稳定、纯净度更高,以及表面和内部质量进一步改善。

为了高效、低成本生产高强度高品质的汽车用钢、管线钢和结构钢,钢厂必须严格规范好炼钢、钢包精炼和连铸等工艺操作,以在当今竞争激烈的全球钢铁市场中保持竞争力。

介绍了目前很多钢铁企业生产高质量含铌钢方坯、板坯及异形坯时在炼钢和连铸操作中所运用的一些要点和建议,这些做法也可以提高普通碳锰钢的产品质量。

关键词:连铸;纯净钢;热塑性;熔炼;铌Successfulm elting and casti ng of Nb-bearing carbon steelbillets,sl abs and bea m sSteven G Jansto(CB MM-R eference M etals Co m pany,USA)Abst ract:H igh strength stee l product quality con ti n ues to beco m e m ore stri n gent to m eet ever in-creasi n g custo m er de m ands and expectations.V irt u a lly all custo m ers have g raduall y tightened t h e ir specifications requ iri n g tighter control over the leve ls of acceptable resi d ua l ele m en ts.They a lso de-m and m ore consistentm echan ica lproperties,better stee l c l e an liness and i m proved surface and inter-nal qua lity.There is a need for steelm ills who expect to cost e ffecti v ely produce high strength,high qua lity auto m oti v e,pipeline and str uctural products to i n corporate mo re d i s c i p li n ed steel m ak i n g, clean steel-ladle m eta llurgy and consistent continuous casti n g practices to successfu ll y co m pete i n today.s g l o ba l co m petiti v e stee lm arke.t Th is paper descri b es the steel m ak i n g and casti n g consi d era-ti o ns and reco mm endations t h at are being i m ple m ented today by steel m akers to successfully cast high qua lity Nb-beari n g billets,slabs and bea m s.These practices have i n herently i m proved the qua lity of standar d carbon-m anganese g rades as w e l.lK ey w ords:conti n uous casting;clean stee;l ho t ductility;m e lti n g;n iob i u m0前言2008年全球含铌钢产量超过1亿,t世界各地有100多家钢铁厂生产含铌的板、带材及棒线材,其中一些钢厂严格控制了熔炼和连铸操作,可确保生产无裂纹缺陷的表面质量优良的方坯、板坯和异形坯等。

在已经发表的有关传统塑性低谷区的研究中,很多人认为塑性低谷区与高碳当量有关,而与是否含有微合金化元素(Nb、V和/或T i)无关。

然而,对于普通碳锰钢,如果某些炼钢和连铸参数不合理,塑性低谷区同样可以引起表面和内部质量问题。

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坯的钢厂在其整个产品结构中总体质量评价也较好。

对于那些遇到困难的钢厂,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地生产。

通常,在连铸过程中产生的裂纹是炼钢和连铸生产过程中的一些不合理的操作引起的,比如#17#2010年第2期残余元素的含量、过热度的波动、转包温度分层、结晶器保护渣不匹配、拉坯速度的波动、和/或过度二次冷却。

本文将探讨其中的一些根源,改进措施,减少或消除铸坯裂纹的产生办法,从而提高钢的表面和内部质量。

对于那些将自己定位于生产高品质含铌钢的钢厂,有机会享有生产附加值产品带来的更高的产品利润空间。

从熔炼到连铸,严格的过程控制是影响热轧产品最终性能的一个非常关键的因素,可使钢材获得:¹更好的低温韧性;º较高的屈服强度,以降低结构的横截面积;»改善扩孔成形性能;¼更好的可焊性,以减少施工时间;½改善热影响区(HAZ组织)韧性;¾改善高温性能;¿改善抗疲劳性能。

1炼钢过程中的冶金操作事项在生产高品质钢时,由于去除有害残留元素的动力学和热力学条件在炼钢和精炼过程不同,有时甚至是相互矛盾的,所以可以采取不同策略来控制残留元素的含量。

每个钢厂都需要彻底了解自身的过程冶金变量,形成自己的操作实践,才能生产所需成分的钢种。

钢中残余元素是一个非常重要的基础条件。

通常,钢厂在生产复杂的微合金钢初期,由于钢中残余元素高,可能导致产生裂纹、表面质量差和偏析问题。

造成热塑性降低的根本原因是残余元素含量高,但在某些情况下,缺陷或裂纹产生的根源被错误地归因于Nb对塑性低谷区的影响。

在生产高附加值的品质钢材时,残余元素的质量分数至少应符合以下标准:#w P:[0.015%;#w S:0.010%~0.015%,非关键钢种;0.005%~0.010%,钙处理钢;0.002%~0.005%,钙处理的重要钢种;#w O:[0.0015%;#w H:[0.0002%,关键钢种;#w N:尽可能低(转炉炼钢中w N通常低于0.0050%,而电炉炼钢中w N要低于0.0065%)。

在解决含铌钢表面质量问题时,建议优先采取的操作是:用钙处理,将S质量分数降至0.002%~0.010%水平。

钙处理并不能确保获得无缺陷铸坯,却能极大地增加改善表面质量和内部纯净度的可能性。

下一节将介绍残余元素对热塑性的影响,如N、H、S、P、Cu等。

1.1残余元素对铸造性和热塑性的影响在含A l的微合金化钢中,通常认为N不利于钢的热塑性。

为了避免横向裂缝,N含量应保持尽可能低的水平。

在某些情况下,T i的加入对热塑性也是有害的。

然而,在低冷却速度下,在低N(质量分数0.005%)的C-M n钢中添加T,i又有助于获得更好的热塑性。

当T i B N为4.5B1时,可以获得最佳的热塑性。

对于高N钢(电炉炼钢典型的质量分数0.010%),建议T i的加入量不要太高(质量分数0.010%),以减少含T i粒子的数量。

此外,钢中溶解的A l含量要低,以防止与过量N元素结合形成A l N。

对于C-M n-Nb-A l钢,T i的影响与C-M n钢类似。

这些钢中存在的Nb和A l元素会粗化含T i粒子,因而对热塑性低谷区的影响一般不大。

因为在较高的温度下高N含量会促进析出行为,T i与N结合后,剩余的N可能对热塑性有利。

钢中的S含量应保持在尽可能低的合理水平,以降低有害的细小硫化物在奥氏体晶界析出倾向。

钙夹杂物形貌控制处理将球化硫化锰夹杂并改善连铸机矫直段铸坯的塑性。

钢中残留的Cu通常来自废钢料,其残留的Cu 质量分数应小于0.15%。

残留Cu对铸坯的表面质量有害,促使发生横向开裂。

Sn的影响与Cu类似。

虽然Cu对热塑性有害,但是加入少量的N i可以抵消引起的热塑性损失(w N i B w Cu通常控制在1.5 ~2.0范围内)。

P是大量研究工作关注的一种元素。

过去的一些研究表明,在某些情况下,钢中P的质量分数低于0.25%可改善700~1200e区间铸坯的塑性[1]。

这种改善的结果是在偏析减少的前提下获得的。

如果有较多的P发生偏析,枝晶间液体将在低于固相线下的某一温度出现。

在奥氏体晶界上出现这种液膜将严重降低铸坯的热塑性[2]。

这种状况将使铸钢容易在连铸早期和结晶器后的铸造阶段产生开裂。

虽然已经证实少量P可改善C-Mn钢和C-M n-A l-Nb钢的热塑性,但不建议采用这种方法改善热塑性。

1.2控制氮含量降低裂纹率图1显示了铝镇静钢中随N含量的提高铸坯裂纹敏感性增加,在连铸汽车用钢和结构钢中这种现象更为明显。

通过使用低氮的原料及# 18 #世 界 钢 铁结合实际操作,可以尽量减少在炼钢过程中和随后工序中N 的吸入,从而达到降低钢中N 含量的目的。

图1 N 质量分数对裂纹指数的影响(铝镇静钢)[3]采用以下操作可使板坯连铸机中间包的N 质量分数低于0.006%:(1)对于联合炼钢,保持铁水中的T i 质量分数高于0.10%。

从高炉出来的铁水中的T i 含量越高,铁水中N 含量就越低;(2)避免转炉炼钢后吹操作。

在C 含量低的情况下,后吹操作的增加会使N 含量急剧上升。

如果后吹时间超过60s ,会吸入相当含量的N;(3)由于出钢温度的提高会引起N 含量的增加,所以降低出钢温度有利于降低N 含量[3]。

在较高温度下出钢,N 含量的波动要明显大一些;(4)在出钢过程中,进行部分脱氧和使用石灰石屑可减少N 质量分数的增加(高达0.001%);(5)钢水搅拌操作必须稳定一致,一定要尽可能避免钢包炉(LF 炉)底部强搅拌。

大部分N 的吸入是由于吹开钢液顶部的渣层,钢液表面直接暴露到大气中而产生的;(6)氩封长水口系统应取代氮封。

成本效益分析表明,改善表面质量和减少缺陷带来的好处超过使用氩气带来的较高成本。