[发明专利]一种基于钢种凝固特性与组织演变规律的微合金钢连铸冷却控制方法

说明书

本专利涉及一种基于钢种凝固特性与组织演变规律的微合金钢连铸冷却控制方法，其关键技术内容包括目标钢种凝固特性实验分析、连铸坯凝固组织数值模拟和连铸冷却过程水量调控等。首先实验确定目标钢种在不同冷速下热塑性和第三脆性温度区的变化规律，其次结合实验综合分析冷速对奥氏体/铁素体转变以及微合金元素第二相粒子析出规律的影响，最后提出微合金钢方坯连铸冷却精益控制策略“低过热度浇注+二冷三区弱冷+二冷四区强冷”，并制定相应调控方案，即“过热度23℃（原值37℃），二冷三区水量2.6L/min（原值51.5L/min），二冷四区水量165.6 L/min（原值18.4 L/min）”，构建了基于微合金钢特性的连铸二次冷却调控新机制，优化铸坯凝固组织结构并提高其表层微观组织强度。

技术领域

本专利涉及钢铁冶金连铸坯质量控制技术领域，适用于微合金化钢的连铸生产。连铸坯较高的等轴晶率和良好的表层组织强度对于减少元素宏观偏析、降低矫直过程表面裂纹发生率具有重要作用。本专利通过实验研究结合相关数学模型阐明了钢种的凝固特性及其组织演变规律，在此基础上，归纳提出了一种基于钢种凝固特性与组织演变规律的微合金钢连铸冷却控制方法，运用此方法能够在提高微合金钢连铸坯等轴晶率的同时强化铸坯表层组织，改善铸坯的质量。

背景技术

连铸坯实际生产过程中结晶器内气隙的形成及二次冷却区水量的非均匀分配会导致连铸坯“纵-横”非均匀凝固冷却，这一现象与连铸坯典型质量缺陷如裂纹及宏观偏析的产生密切相关。因此，有必要针对铸坯连铸过程的凝固特性及组织性能进行研究，分析连铸冷却条件下的凝固特性变化规律，阐明连铸坯平衡/非平衡组织演变规律对铸坯典型凝固缺陷的影响机制，最终结合钢种特性从凝固原理和金属学角度对连铸凝固冷却工艺提出相应工艺优化建议。

钢的连铸过程冷却控制是提高连铸坯质量的关键性技术，主要分为结晶器冷却控制和二冷区控制。其中，结晶器冷却控制主要通过调整钢液过热度、结晶器冷却水流速及进出水温差来对钢液的初始凝固过程进行控制；二冷区控制主要通过调整二冷各段冷却水量来实现铸坯的“纵向”均匀冷却，并以此为基础合理调整冷却水在铸坯横截面方向的覆盖率及喷嘴布置方式来实现铸坯的“横向”均匀冷却，通过上述控制方法的配合实现连铸坯的“纵-横”均匀冷却，以保证铸坯经过连铸机矫直点时的表面温度避开所浇钢种的“脆性温度区间”。然而，对于微合金化钢种来说，微合金元素V，Ti，Nb等的存在及溶质元素的偏析作用将使铸坯在凝固冷却过程中产生微合金碳氮化物第二相粒子。若连铸冷却控制不当，第二相粒子将在晶界大量析出，使钢的塑性降低，导致矫直过程连铸坯表面横裂纹的产生。

实际生产过程中，连铸坯的凝固组织结构对于溶质元素的偏析行为有着重要作用。连铸坯较高的中心等轴晶率能够促进溶质元素的均匀分布，从而减轻了其偏析行为。这一特点要求其连铸坯应当具有良好的凝固质量，避免出现中心偏析、疏松和裂纹等缺陷。溶质宏观偏析作为连铸坯常见的质量问题，其形成机理与连铸坯的凝固冷却方式联系紧密。因此，可以通过调控连铸过程冷却模式来改善连铸坯凝固组织质量，从而降低溶质元素的偏析程度。

连铸过程中结晶器/二冷区冷却效果的直接表现形式为铸坯表面/内部冷却速率的变化。连铸过程钢液的凝固相变、溶质元素的偏析、第二相的析出、树枝晶的生长及初生坯壳的固态相变及热塑性均会受到冷却速率的显著影响。因此，连铸过程中结晶器/二冷区的冷却方式将会对连铸坯的内部/表面质量产生重要作用。通过合理控制连铸坯冷却速率能够在一定程度上降低连铸坯中心偏析和表面矫直裂纹的产生。

中国发明专利CNI01912953A控制连铸坯表层凝固组织的二次冷却方法，通过在铸机垂直段采用增大原来水量的2～5倍对铸坯进行强冷，控制析出物和凝固组织来控制铸坯表层凝固组织。但其在垂直段冷却强度过大，致使铸坯温度过低，而当铸坯经过弯曲段和矫直段时，会因塑性降低而产生裂纹。