低合金高强度钢连铸二冷制度优化及试验

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[i]低合金高强度钢连铸二冷制度优化及试验

张健¹ 温良英¹ 陈登福¹ 朱开军²

（1重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400030；2邯郸钢铁集团公司三炼钢厂，邯郸 056001）

摘　要：Q345B（含铌）钢是低合金高强度裂纹敏感性钢种。文中分析了C、Nb、二冷水量对其铸坯裂纹形成的影响和裂纹产生的原因。在此基础上结合工业试验对连铸二冷制度进行优化，提出弱冷却方式和均匀二次冷却，铸坯的矫直温度提高到900℃以上可有效控制裂纹的产生，降低了裂纹产生的几率，铸坯质量提高达80％。

关键词：弱冷制度、Q345B、铌、裂纹

Optimization and Test about Secondary Cooling Water Distribution System of HSLA Steel in the Process Continuous Casting

ZHANG Jian¹, WEN Liang-ying¹，CHEN Dengfu¹，ZHU Kai-jun²

(1. College of Materials Science and Engineering ,Chongqing University，Chongqing 400030；2. No.3 Steelmaking Plant, Handan Iron and Steel Group Co.，Handan 056001)

Abstract：Q345B (containg Nb) is the kind of HSlA which is sensitive to cracks. This paper analyzed the influences of C, Nb and the secondary cooling water flow-rate on the cracks of casting blank and the reason of the cracks. Based on the result to optimize the secondary cooling water distribution system in the process of continuous casting through industry test, low cooling water distribution system and uniform cooling were suggested. The straightening temperature of casting blank above 9000℃ can be used to effectively control the cracks, which can reduce the probability of cracks of the casting blank and enhance the quality of casting blank by 80%.

Key words：low cooling water distribution system，Q345B，Nb，crack

0．前言

由于微合金技术的开发、冶金工艺技术的进步和适当价格的铌和钒的铁合金的提供，用微合金牌号来取代高合金牌号的钢种在经济可取得可观的效益，半个世纪以来HSLA 钢获得了长足发展。现阶段，HSLA 钢应用的持续增长, 主要还是要靠逐步改进现有钢种牌号的性能、内在质量和外观质量^[1]。

某厂板坯铸机在生产Q345B（含铌）时铸坯出现中心分层、内外裂和表面纵裂的现象。分析碳、铌、二冷水与裂纹关系，在工业试验中采用弱冷的方式改善铸坯的质量。

1. 铸坯缺陷及影响因素

图1是Q345B钢铸坯的边部和中心的硫印。由硫印可以看出在铸坯出现较严重的中心分层、内裂及三角区裂纹。

1.1 化学成分的影响

Q345B钢的化学成分见表1。

表1 Q345B的化学成分

Tab1. Chemical composition of Q345B

成份	C%	Mn%	Si%	P%	S%	Nb%
Q345B	≤0.20	1.0-1.6	≤0.55	≤0.040	≤0.040	0.015-0.060
内控标准	0. 12-0.16	1.20-1.45	0.25-0.40	≤0.035	≤0.030	0.015-0.025

1538

1495

1394

Fe 0.09 0.17 0.53

C,%

图2 铁碳合金相图

Fig2.The iron-carbon alloy phase diagram

1.1.1 碳含量的影响

由图2可见，表1中Q345B钢的碳含量处于包晶反应区。在凝固时转变时有最大的线收缩（达3.8％）^[2]，由于体积突变产生应力，导致裂纹。同时还使初生坯壳与结晶器脱离过早，形成气隙，热流减少，坯壳减薄。所以，在该处表面形成凹陷，凹陷部位冷却和凝固比其他地方慢，导致组织粗大。因为钢中的各种应力容易在凹陷的薄弱处造成应力集中，加上钢处于高温脆性区，极易引起裂纹，为此必须对二冷水表进行调整，优化二冷区的冷却制度，否则，裂纹会继续扩展。

1.1.2 铌的影响

Nb在钢中的作用十分显著，它可形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大；另一个方面，Nb是强碳化物、氮化物生成元素。Nb(C，N)的析出温度为950℃^[3]，正好落在奥氏体相低温区域，导致铸坯的高温延塑性变差。所以含Nb钢矫直温度要高于Nb(C，N)析出温度。并且，在Nb(C，N)和AlN沿晶界析出反应时，N的浓度越高越有利于它们的析出，析出物在晶界引起钢的脆性，造成铸坯在矫直区产生裂纹。由于铸机矫直温度处于850～900℃之间，远未达到工艺要求，所以在矫直时钢的表面塑性进入塑性低谷，在矫直过程中极易产生裂纹。

根据Nb 在奥氏体中的一般溶解度关系式^[4]：

　　　lg ( [Nb] [C]) = 2. 26－6770/T （1）

　lg ( [Nb] [N]) = 2. 80－8500/T （2）

由式（1）和式（2）可以粗略计算出在炼钢和浇注过程中析出固体Nb（C,N）所需的最小碳、氮、铌的量。假设钢中铌含量为0.020％，要析出Nb（C,N），在1600℃时需要的最低碳含量为2.21％，最低氮含量为0.91％。在Q345B的液相线温度1512℃时，需碳量为1.47％，需氮量为0.55％。这些值远大于Q345B中的碳、氮含量。因此在液相线温度以上不可能析出Nb（C,N）。随着温度的降低，碳、氮、铌在钢中溶解度逐渐降低，其浓度达到一定值时将析出Nb（C,N）。有研究表明^[5]，铌的析出峰值在900℃（见图3）。根据Weiss^[6]和Leslie^[7]的研究结果，Nb（C,N）和AlN的析出的“鼻子”温度分别为900℃和815℃。所以在浇注过程中，在防止吸氮的同时控制好二冷水量使轿直温度高于950℃，避免Nb的化合物和低熔点元素析出而影响铸坯延塑性，增加铸坯裂纹产生的几率。

温度 ℃

图3 铌的析出量随温度的变化

Fig3.Change of Nb precipitating amount (mass fraction)with temperature

1.2 二冷水的影响

从结晶器拉出来的带液芯的铸坯，在弯曲、矫直、和辊子压力的作用下，在非常脆弱的固液交界面产生裂纹。对于裂纹敏感性较强的Q345B，如果铸坯在通过二冷区时冷却不均匀，回温过大，或温度反复变化而导致多次相变，由于热应力的作用裂纹沿两相交界面扩展而形成裂纹；在矫直时铸坯温度正处在其温度脆性区，在矫直力的作用下，将进一步加重裂纹的产生。表2是铸机原使用水表。参考文献[2]、[8]，在铸机正常拉速（0.7～1.2 m/min）范围比水量过大，对生产裂纹敏感性钢不利，认为铸坯的冷却强度过大是导致铸坯裂纹产生的重要因素。

表2 铸机原使用水量表 L/吨钢.min

Tab2. Prime flow-rate table of machine

拉速m/min	1				2		3		4		合计L	比水量L/Kg
拉速m/min	足辊	内301	外304	侧弧	内307	外306	内308	外309	内310	外311	合计L	比水量L/Kg
0.3	144.7	192.8	192.8	50	281.1	281.1	332	394.8	0	0	1869.3	2.21
0.5	145.6	194	194	50.5	287.8	287.8	345.7	457.2	97.5	162.9	2223	1.577
0.7	188.4	251	251	65.3	372	372	453	528.1	339.3	566.5	3386.6	1.716
0.8	205.3	273.5	273.5	71	405.1	405.1	488.1	580.1	429	716.3	3847	1.705
0.9	222.1	296	296	76.9	441.8	441.8	528.5	631.9	517.5	863.9	4316.4	1.701
1	240.9	321	321	83.4	477.6	477.6	580.4	683.5	604	1008.1	4797.5	1.701
1.1	240.9	321	321	83.4	477.6	477.6	580.4	683.5	604	1008.1	4797.5	1.547
1.2	240.9	321	321	83.4	477.6	477.6	580.4	683.5	604	1008.1	4797.5	1.418

2. 水量优化控制

根据上面的分析可见，对此钢种实行弱冷在理论上是可行的。通过适当降低铸坯在二冷区的冷却强度，调整各

表3 试验水量表 L/t钢.min

Tab3. Flow-rate table of test

拉速m/min	1				2		3		4		合计L	比水量L/Kg
拉速m/min	足辊	内301	外304	侧弧	内307	外306	内308	外309	内310	外311	合计L	比水量L/Kg
0.3	144.7	192.8	192.8	50	281.1	281.1	332	394.8	0	0	1869.3
0.5	145.6	194	194	50.5	287.8	287.8	345.7	457.2	97.5	162.9	2223
0.7	178.98	213.35	213.35	62.04	279	279	339.75	396.08	339.3	566.5	2867.35	1.453
0.8	195.04	232.48	232.48	60.35	303.83	303.8	366.08	435.08	429	716.3	3274.46	1.451
0.9	211.00	251.6	251.6	65.37	331.35	331.4	396.38	473.93	517.5	863.9	3693.96	1.455
1	228.86	272.85	272.85	70.89	358.2	358.2	435.3	512.63	604	1008.1	4121.87	1.462
1.1	228.86	272.85	272.85	70.89	358.2	358.2	435.3	512.63	604	1008.1	4121.87	1.329
1.2	228.86	272.85	272.85	70.89	358.2	358.2	435.3	512.63	604	1008.1	4121.87	1.218

3. 试验条件及要求

为使现场试验能够顺利进行且能较真实的反应弱冷情况下铸坯的内部情况，对钢水条件及铸机等外围条件进行严格限制。

1）钢水经LF精炼，精炼时间不少于20分钟。钢水出站温度1575～1585℃。

2）钢包采用周转包，钢水成分按照内控标准执行。

3）试验浇次在设备检修后第2或第3个浇次且上个浇次硫印良好的前提下进行。

4）中间包温度控制在1530～1545℃，拉速应根据中间包温度做适当调整。

5）采用氩气保护浇注，使用XX-3D保护渣。

6）试验在浇次的中期和后期两个阶段进行。

7）要求操作工稳定中包及结晶器液面，波动弧度在规定的要求范围。

4.试验结果

试验炉号及硫印情况见表4。

表4 试验炉号、成分、硫印情况

Tab4 The furnace number、composition、sulphur print of test

浇次	炉次	炉号	成分%						中心分层	中间裂纹	三角区裂纹
浇次	炉次	炉号	C	Si	Mn	P	S	Nb	中心分层	中间裂纹	三角区裂纹
9	5	60406358	0.16	0.30	1.34	0.019	0.014	0.024	C1.0	0.5	*
9	6	60406359	0.13	0.36	1.29	0.024	0.017	0.018	*	*	*
9	7	60708746	0.14	0.32	1.24	0.025	0.017	0.021	C1.0	0.5	*
9	8	60708747	0.13	0.35	1.23	0.020	0.018	0.020	*	0.5	*
9	9	60708748	0.14	0.30	1.45	0.024	0.016	0.017	C0.5	*	*
30	19	60406923	0.15	0.29	1.25	0.020	0.018	0.020	C0.5	*	*
30	20	60406924	0.14	0.31	1.27	0.026	0.018	0.024	*	*	*