薄板坯连铸连轧之产品质量控制王庆（安徽工业大学）摘要介绍了国外关于薄板坯连铸连轧生产中影响产品质量各种因素的研究成果, 对于一些主要的影响原理进行了简单的探讨,并且介绍了薄板坯来连铸连轧工艺产品的质量优势和工艺优势，使人们对采用薄板坯连铸连轧技术生产质量合格产品主要方面有一定基本了解。

关键词薄板坯连铸连轧质量薄板坯连铸连轧在国际上是新出现的技术, 这些技术在正常生产中可满足用户需要, 但为达到现代工业对于板带钢质量的苛刻要求, 在生产控制方面要注意一些问题, 本文介绍了国外的一些经验。

1 薄板坯连铸连轧技术工艺流程与产品质量现在拥有薄板坯连铸连轧技术的外国公司主要有4家, 其典型工艺布置各不相同。

工艺布置的不同对质量性能是有影响的。

1.1 西马克的CSP技术西马克CSP技术设备相对简单, 流程通畅, 易于掌握, 但是由于其采用50mm的板坯, 对薄规格产品道次变形量过大, 轧机负荷大; 对厚规格的产品压缩比过小, 对提高质量不利, 了产品范围的扩大和质量的提高。

1.2 德马克的ISP技术德国德马克ISP技术连铸75mm板坯, 液芯压下至60m , 2架大压下轧机轧制到20mm, 进感应炉和无芯卷取箱炉均热, 4架精轧机轧制为成品。

德马克方案的技术含量较高, 液芯压下大压下轧机、感应加热等都有特色, 但是新技术多带来的问题就是设备复杂,对管理水平和水平要求高。

另外, 板坯出连铸机后进大压下轧机前, 板坯温度一般已不均匀, 工艺设计此有一除鳞设备, 但是板坯此时除鳞, 温度下降不利于轧制, 不除鳞则影响表面质量, 在生产一矛盾始终未得到解决。

大压下轧机与连铸机连接在一起, 中间无缓冲设备, 而轧机换辊需要停机进行, 势必影响铸机的工作。

1.3奥钢联的CONROLL技术奥钢联只在美国MANSFIELD的ARMCO利用原有的旧轧机改造了一条使CONROLL铸机的生产线。

该生产线浇铸75～125mm的板坯, 奥钢联技术的特点是全部使用成熟技术。

近年人们认为,连铸薄板坯从质量与经济性方面考虑, 并非越薄越好, 而是有一个经济厚度, 这一厚度为90～100mm左右。

因为这个厚度离传统的板坯厚度较近, 可以借用长期积累的丰富经验与技术; 板坯较厚压缩比大, 从而可提高产品质量; 板坯断面积大可采用较低的拉速, 降低了结晶器磨损, 减少了拉漏几率; 在卷重相同的情况下板坯定尺短, 输送辊道、加热炉长度较短, 节省了投资, 平板结晶器的加工、修复也相对容易, 有色金属消耗低。

1.4 达涅利的FTSR技术达涅利为加拿大的ALGOMA钢铁公司建设薄板坯连铸连轧线已投产, 该生产线使用达涅利的凸透镜型结晶器, 铸造60～80mm的薄板坯, 出结晶器进行液芯压下到50～70mm然后进入辊底式隧道炉均热, 由一台粗轧机轧制到25～35mm , 再进行均热(辊底式隧道炉) ,最后进入6机架精轧机组。

达涅利技术生产的钢种范围较广, 包括包晶钢在内均可生产。

在提高质量方面考虑也比较全面, 增加了边部感应加热和粗轧后的二次加热。

为得到更好的表面质量, 达涅利的生产线有三次除鳞, 分别在连铸机出口、粗轧机入口和精轧机入口, 这对于提高表面质量无疑是有利的。

达涅利设计的除鳞机为旋转的形式, 这对于提高表面质量和减少除鳞后在铸坯表面的积水有利。

2薄板坯连铸连轧的质量优势2.1 薄板坯连铸连轧技术除其短流程、近终形、节约能源、成本低的优势外, 另一重要的优点是质量好。

由于薄板坯在结晶器内的冷却强度远大于传统的板坯, 其二次和三次枝晶更短, 铸态组织晶粒比传统板坯更细、更均匀。

原始组织精细为最终组织的细化创造了条件。

同时因冷却强度大, 板坯的微观偏析也得到较大的改善, 分布也更均匀, 产品的性能更加稳定。

直轧工艺取消了γ-α相变温度区的中间冷却,热轧变形是在粗大的奥氏体组织上直接进行。

而传统的所谓冷装工艺, 通过中间冷却的γ-α-γ相变过程, 形成大大细化的新的奥氏体组织。

因此为把粗大的奥氏体转变成细小的成品组织, 对于直接轧制工艺也需确定合适的总变形量, 对于采用50mm的板坯而言, 这个总变形量只能比传统的冷装的厚板坯轧制的总变形量小。

从这个角度讲, 薄板坯连铸连轧的性能质量的提高也有困难。

直接轧制工艺在生产低合金钢时也有特点。

通常微合金元素的完全溶解是合金元素在钢中多重作用的前提。

薄板坯高温直接装炉, 许多合金元素不会象在传统的生产工艺中因为板坯冷却而析出, 而是始终处于溶解的状态, 其不仅在初始组织而且在再结晶后均起到晶粒的细化作用。

比如, 为了在成品组织中取得弥散硬化, 一部分合金元素在相变之后仍应处于溶解状态。

常规冷装工艺, 再加热前的冷却过程中合金元素已经以碳、氮化物的形式析出,再加热过程中, 一般不可能以固溶状态保持到相变以后, 就起不到使最终产品晶粒细化的作用。

薄板坯则通过工艺的优化控制避免这一问题, 根据需要在变形前使材料中的合金元素处于固溶状态, 通过变形的诱导析出使析出物有更精细的均匀分布。

而剩余的合金元素保留到相变以后析出, 造成对材料的进一步强化。

这种状态可最大的发挥合金元素的潜力, 减少合金元素的用量。

薄板坯连铸连的均热工艺还保证了板坯在轧制过程中的温度的均匀和稳定, 以CSP技术为例,辊底式隧道炉与轧机同在生产线上, 板坯头部进入轧机时, 其他部分仍然在炉内保温, 出炉后的板坯也与空气接触的时间极短, 马上进行轧制, 所以保证了板坯的横断面与纵向的温度分布非常均匀。

最大的温度差可在±10℃左右。

纵向的温度也与横向相同, 在整个的变形过程中没有因为温度的变化而引起轧制力的波动。

这种原始组织的均匀和轧制过程温度的均匀保证了产品的性能质量的稳定和均匀。

薄板坯连铸连轧产品的尺寸精度也是很高的, 统计表明98.9%带卷长度的纵向厚差不大于±0.025mm; 99.3%带卷长度的宽度差不大于±3.1mm。

2.2 薄板坯连铸连轧提高产品质量的结晶动力学优势薄板坯连铸作为近终形浇铸, 与传统板坯连铸相比, 具有以下特点: 板坯厚度小; 拉坯速度大; 凝固速度快; 出坯温度高; 冶金长度短; 比表面积大。

薄板坯出料架后直接进入长辊底式加热炉均热, 然后进行连轧, 再通过层流冷却最后卷取。

该工艺特点使其产品具备了下列优势。

2.2.1 由于板坯减薄而加快了冷却和凝固的速度, 这不仅使板坯内部宏观偏析大为减轻,而且起到了细化一次奥氏体晶粒的作用。

这是由于铸坯在凝固过程和凝固后的- 变过程中, 存在非常好的高形核率条件, 通过凝固过程的强冷使奥氏体组织明显细化, 并且晶粒的细化作用随铸坯在冷却过程( 1 500～1 350 ℃) 中冷却率的提高而加强。

2.2.2 由于铸态组织细小、均匀, 加工温度均匀, 产品的组织晶粒也均匀, 从而性能均匀一致,薄板坯的产品在带宽的各点性能基本相同,而传统方法生产的产品边部与中部的性能有较大差别, 这显然是由于边部温降快, 晶粒细所致。

薄板坯产品的性能参数分布非常集中, 而传统方法的产品性能参数则比较分散。

2.2.3 直接轧制可以发挥微合金元素的全部潜在作用, 即通过工艺优化控制, 根据需要在薄板坯变形前使材料中的合金元素处于固溶状态, 经变形诱导析出并使析出物有更精细的均匀分布,剩余的合金元素则保留至相变以后析出, 造成对材料的进一步强化。

这种状态可最大程度地发挥合金元素的潜力, 减少合金元素的用量。

实际生产证明普通热轧机生产的品种, 薄板坯连铸连轧工艺大都可以生产( 一般不包括0.08%～0.15%C的普碳钢) , 而且显微结构更加均匀。

3影响产品质量的因素及其控制3.1对原料的要求应该采取提高钢水中的夹杂物在钢包和中间包的上浮能力的措施, 同时, 严格脱氧和脱硫操作, 减小固体夹杂物的形成, 在NUCOR厂, 用硅钙或钙铁改善氧化铝夹杂前, 就已经将硫的含量降到最低。

在添加钙促进夹杂物自钢水中分离后, 对钢水实施气体搅拌。

为防止钢水的再氧化, 还采取了一系列的措施。

诸如石灰萤石铝混合脱氧渣的使用等。

钢水的成分也很重要, 因薄板坯在结晶器中的冷却强度远高于传统的板坯, 这造成很强的表面热应力,它可导致纵向表面裂纹的形成, 特别对于碳含量在0.065%～0.15%的钢尤为显著, 为减少其影响, 西马克和达涅利采用了一种复杂断面的结晶器。

尽管如此, 在生产上应该尽量避免0.065%～0.15%碳含量, 因其容易形成纵向和横向裂纹。

为了避免氮化铝的析出, 铝的含量应小于0.035% , 氮的含量应小于0.009% , NUCOR的研究认为, 当板坯温度低于900 ℃时, 氮化铝的析出会造成奥氏体晶界脆化, 在板坯的振痕处引起横向裂纹。

硫的含量应低于0.01%～0.015% , 可防止薄板坯的表面裂纹, 同时防止形成CaS堵塞水口。

通过钢包内喷吹氩气和钙铝渣脱硫, 可达到这一目的。

残留元素(Cu、Sn、Pb) 一般来自于废钢, 含量过高时在热轧中可引起热脆, 所以将废钢和适当量的直接还原铁配合使用是必要的。

当铜的含量超过0.15%时, 应使镍的含量提高, 达到Cu/Ni=1。

磷的含量应在0.001%～0.005%的范围。

铬、镍、钼一般也来自于废钢, 对于热轧带钢其无有害的影响, 但是会提高钢板的强度, 对于冷轧板, 特别是有成型性要求的汽车板, 是不利的。

为使成分均匀, NUCOR厂在脱氧后马上添加合金元素, 并实施电磁搅拌30～40 min。

3.2薄板坯冷却、均热与质量的关系应当指出的是薄板坯连铸连轧中析出物(如碳化物、硫化物、氮化物等) 生成的规律与常规的板坯是不同的。

如MnS的析出, 常规生产中钢水的凝固是缓慢的, 钢坯的再加热时间也很长, 因此析出的硫化锰的粒子也比较粗大; 但是对薄板坯连铸连轧其析出的粒子则很细小。

这往往造成了同样成分的钢种, 两者生产的板带性能有差异。

所以在薄板坯生产中必须对与析出物生成有直接关系的冷却、均热等工序给予特殊的重视。

研究认为, 薄板坯产生横向裂纹的主要原因是AlN的析出, 当板坯的温度接近A r3 温度时, AlN就会在奥氏体晶界析出, 当温度达到A r3 时铁素体也开始在奥氏体晶界析出, 二者共同影响弱化了奥氏体晶界, 易产生裂纹。

对于薄板坯, 由于冷却较快, 这一问题尤其突出。

在传统的板坯生产中, 由于板坯在加热炉中保温时间很长, AlN可以再次溶解。

但薄板坯的均热一般仅15min左右, 并且均热温度也较低, 一般仅1100℃, 连铸冷却中形成的AlN粒子不能溶解, 在轧制中就会出现困难。

解决这一问题的办法, 一方面如前所述, 控制铝、氮的含量; 另一方面可以提高均热温度到1225℃, 使AlN溶解; 保证在轧制的过程中不析出, 目前达涅利和奥钢联采取的办法是在连铸机后增加一边部感应加热器(因为边部温度降低最快, 最易产生裂纹) , 同时优化结晶器内的钢水流动和连铸机对板坯的冷却, 避开AlN的析出区。