薄板坯连铸连轧工艺探讨

【文章编号】:1672-4011(2006)06-0014-02

薄板坯连铸连轧工艺探讨

黄祖永

(广州广钢集团金业有限公司)

　　【摘　要】:薄板坯连铸连轧技术是现代先进钢铁生产方式的代表,本文从金属学特性、组织细化、计算机模拟等方面进行了探讨。

　　【关键词】:薄板坯连铸连轧;金属学特性;组织细化　　【中图分类号】:TU32　　　【文献标识码】:B

连轧则通过工艺的优化控制避免这一问题出现,可以根据

需要在变形前使钢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尺寸和弥散的均匀分布,而剩余元素保留到相变后析出,形成对钢的进一步强化,这种状态可以最大地发挥合金元素的潜力,减少合金元素的用量。

213　轧制、层流冷却和卷取

1　引　言

　　薄板坯连铸连轧(ThinSlabCastingandRolling简称

TSCR)是近20年来开发成功的生产热轧板卷的一项短流程工艺,是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重要的性技术之一,是热轧板带近终形产品轧制的现代技术。自19年美国建成世界首条薄板坯连铸连轧生产线以来,该项技术获得了迅猛发展,它与传统热连轧工艺相比有工艺紧凑、设备减少、生产线缩短、连铸后仅需局部补热使热耗显著降低、综合成本明显下降等优点。

在TSCR轧机的轧制变形过程中,除了要轧成所要求的热轧带钢几何形状(宽度、厚度、平直度、板形)之外,还必须达到两个目标,首先,树枝状铸造组织必须被压缩并转换成均匀的再结晶组织;其次,奥氏体必须进行控冷,以便在随后的多晶转变中得到极细晶粒的铁素体相;传统热连轧中,有粗轧机组和精轧机组,而目前大多数TSCR线只有精轧机组,这使得轧制中的总压缩比和各道次的压下量有较大不同;采用低于再结晶终止温度的精轧制度可以在随后的奥氏体相变中获得很高的成核率,该相变发生在通往卷取机的输出辊道上,因此,层流冷却段可作为一个有效的热处理设备,用来调整所希望得到的最终组织。214　板带的传输速度热连轧和TSCR线的板带在传输辊道上的传输速度有较大差异,例如在轧制1mm带材时,TSCR线带材的极限运行速度约为1215m/s,而传统热连轧带材的速度为20m/s左右。

2　薄板坯连铸连轧工艺

　　TSCR技术与传统热连轧在以下4个方面有着显著差异。211　薄板坯连铸

结晶器和冷凝器具有很高的冷却速率,冷却过程中,在电磁搅拌和带液芯轻压的作用下,减少了粗大的枝晶并使二次枝晶破碎,从而得到树枝晶少而晶粒较细小的原始铸态组织,该特性也是使TSCR热轧带钢成分均匀的重要因素。

212　薄板坯直接热装

3　TSCR工艺下钢的物理学特性探讨与进展

311　组织差异化的影响

在传统的热轧过程中,坯料有一个冷却和再加热的过程,而TSCR连铸坯的温度始终在奥氏体区,这使得某些元素的碳氮化物或二相粒子在坯料中的析出及存在形式发生了变化;直接轧制工艺在生产低合金钢时还有一个特点,即可以发挥微合金元素的全部潜在作用。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,许多合金元素不会像在传统生产工艺中因为板坯冷却而析出,合金元素始终处于溶解的状态,从而不仅在初始组织而且在再结晶后均起到晶粒的细化作用。为了在成品组织中取得弥散强化,一部分合金元素在相变后仍应处于溶解状态,而常规工艺及冷装工艺时,由于在再加热前的冷却过程中合金元素已经以碳化物和氮化物的形式析出,在再加热过程中,一般不可能全部以固溶状态保持到相变以后,使最终产品晶粒细化的作用更弱。薄板坯连铸

采用物理模拟的方法,通过对薄板坯连铸连轧工艺下的低碳钢、无间隙原子IF钢、相变诱导塑性TRIP钢连续冷却转变及显微组织进行研究发现:与国家标准条件下静态CCT曲线相比,TRIP钢在模拟TSCR条件下静态CCT曲线中铁素体形成区域下移,贝氏体相变区域扩大,贝氏体转变开始温度相当,但贝氏体转变结束温度有所降低;在相同的冷却速度条件下,这两种试样的组织差异极大。这说明,由于TSCR工艺过程钢的热历史不同,必然对钢在冷却过程的相变产生大的影响。312　物理力学的影响

薄板坯连铸连轧技术除了其短流程、近终形、节约能源、低成本的优势外,另一重要优点就是质量好。由于薄板坯在结晶器内的冷却强度远远大于传统板坯,在铸坯凝固过程和凝固后的A-F相变过程中存在一个非常好的高形

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●装备技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《四川建材》2006年第6期

核率的条件,通过凝固过程的强冷已经使奥氏体组织明显细化,并且晶粒的细化作用可以随铸坯冷却过程(1500-1350℃)中的冷却速度的提高而加强。薄板坯原始铸态组织的二次、三次枝晶更短,晶粒比传统板坯更细、更均匀,这种原始组织的精细为最终组织细化创造了条件。同时,由于冷却强度大,板坯的微观偏析也可以得到较大的改善,分布也更均匀。因此,产品的性能更加均匀、稳定。

通过对现场选取的6道次轧卡件的CSP(CompactStripProduction)线热轧低碳薄钢板的组织演变及微观取向规律的研究发现:其最终组织为大量铁素体加部分珠光体,铁素体外貌呈不规则的多边形状,晶粒仍有继续长大的趋势;变形量不同,最终的组织状态及取向分布规律也是不同的;热轧终轧组织是再结晶奥氏体和变形奥氏体的混合体,再结晶奥氏体所占的比例较大。板带组织中的铁素体晶粒细小,晶内含有相当数量的亚晶,因此板带的强度值较高,同时其伸长率有所下降;虽然板带组织中的织构组分较杂且弱,但对板带性能将产生一定的影响。通过对CSP线生产的低碳钢板力学性能及组织的研究,发现CSP薄板坯连铸连轧线生产的低碳钢板zJ330和普通厚板坯连铸连轧线生产的热轧板在组织状态和力学性能特征等方面,存在较明显的差异。主要表现在:板材强度高,屈强比高,伸长率较高,各向异性小。轧制工艺与热轧薄板的组织性能研究表明,当变形量增加时,晶粒的尺寸变小,由于变形、冷却不均匀或终轧温度较低造成晶粒尺寸的不均匀程度增加,最终组织中残留有热轧织构,引起带材力学性能的各向异性及造成薄带材强度和延伸率的轻微下降。313　金属学特性的影响

μm热轧低碳钢薄板中的夹杂物数量较少,尺寸约在1

μm之间,多数夹杂物的尺寸都在5μm以下。扫描电～10

子探针检测表明主要为钙铝酸盐、硫化钙、氧化铝或它们的复合物等。夹杂物的形状以球形或类椭球形为主,部分较软的夹杂物在变形过程中被拉长。由于钢水的洁净度高,因而低碳钢热轧薄板中的夹杂物多为细小的内生夹杂物,尺寸较大的外来夹杂物数量极少。

根据奥氏体中第一相的固溶度积理论、Ostwald熟化理论、晶粒尺寸控制理论和沉淀强化理论,对薄板坯连铸连轧时钢中主要夹杂物在奥氏体中形成的可能性及其尺寸的控制进行理论分析计算结果表明,硫化锰有可能在奥氏体中以100nm以下尺寸沉淀析出;而氧化铝夹杂在目前条件下很难使之完全在固态铁中析出;夹杂物在钢中控制再加热时奥氏体晶粒尺寸及产生沉淀强化效果的可能性的分析表明,固态铁中析出的硫化锰有可能有效抑制均热奥氏体晶粒粗化并产生微弱的沉淀强化效果。在传统热轧工艺中,

硫化猛是作为有害夹杂物来看待的,这说明TSCR工艺的金属学特性对夹杂物行为可能会产生很大影响。314　微合金元素的影响薄板坯连铸连轧CSP工艺生产的不添加Nb、V、Ti等微合金元素的低C-Mn高强度钢(HSLC)的屈服强度可达450MPa级,与含Nb、V的低C-Mn高强度钢(HSLA)的强度相当,这是由于在HSLC钢中存在大量的尺寸为5-20nm的纳米级粒子,初步分析其为碳化物、氮化物和氧化物等析出物,这些析出物弥散分布在钢的组织中,必然对钢的强度性能产生重要的影响。然而关于这些纳米级析出物的准确组成、体积分数的定量确定、对钢强度影响的定量分析以及在连铸连轧过程中各工艺环节的析出条件和如何控制等问题,尚需进一步深入探讨。有研究发现CSP工艺试生产的薄板坯连铸连轧ZJ510L-B板材在铁素体晶界、晶内与位错上有大量弥散细小的析出颗粒,平均直径约10nm,颗粒呈方形,析出以大量TiC颗粒为主,析出引起的强度增值约40MPa。CSP工艺规程充分发挥了微合金元素的潜力,可以比传统热轧工艺生产添加较少的微合金量而得到较好的强度与韧性的配合。315　组织细化方式的影响

奥氏体组织的演变模拟分析结果表明:奥氏体再结晶细化是CSP热轧低碳钢薄板工艺的主要的组织细化方式,其次是析出强化和位错强化,析出强化和位错强化对屈服强度的贡献相近,CSP热轧低碳钢薄板组织细化的主要原因是形变使奥氏体产生再结晶细化和非再结晶细化。

4　TSCR的计算机模拟

　　综合考虑传热、变形及变形过程中的再结晶之间的相互影响,对C-Mn钢在CSP热连轧过程的温度场进行了计算机模拟,确定了各种工艺条件下的传热边界条件及其对应的换热系数关系式,计算出了轧件变形过程中温度变化和温度场分布。结果表明,模拟计算具有较好的精度,能为进一步模拟带钢轧后组织演变和性能预测分析提供计算基础。

5　结　语

　　薄板坯连铸连轧技术是现代先进钢铁生产方式的代表,通过近几年来的深入研究,对TSCR工艺过程有了明确的认识。另外,包括数据库技术在内的以计算机技术为工具手段,把物理冶金原理模型和人工智能统计回归模型结合起来,用以进行组织性能预报是一项十分有价值的工作,但尚有待于实现在线应用,直接参与指导生产过程。[ID:2827]

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