薄板坯连铸连轧的冶金学问题及其工艺优势

薄板坯连铸连轧的冶金学问题及其工艺优势唐荻米振莉蔡庆伍作者单位:北京科技大学高效轧制国家工程研究中心,北京100083TheMetallurgyproblemsofthinslabcontinuouscastingandcontinuousrollinganditsadvantagesTANGDi,MIZhen-li,CAIQing-wu(NationalEngineeringResearchCenterforAdvancedRollingTechnology,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China)1引言薄板坯连铸连轧技术在一定程度上有利于提高热带的质量，但也有局限性，一些高质量的热轧板带尚不能用此技术生产；对于可以生产的产品，在生产控制方面也要注意，并非把传统工艺简单照搬。2薄板坯连铸连轧提高质量的基础条件2.1铸坯冷却强度大，晶粒细由于薄板坯在结晶器内的冷却强度远远大于传统的板坯，其二次、三次枝晶更短，原始的铸态组织晶粒更细，更均匀，为最终组织的细化创造了条件。同时，由于冷却强度大，板坯的微观偏析可得到较大的改善，分布也更均匀。2.2原始晶粒尺寸结构与传统有所不同传统的冷装工艺，通过中间冷却、加热的γ→α→γ重结晶过程，形成细化的奥氏体组织。直轧工艺取消了γ→α相变温度区的中间冷却，铸坯组织是相对粗大的原始奥氏体晶粒，这种粗大的组织在传统热轧条件下轧出的钢材韧性指标低。另外，如果铸坯装炉前温度降到A3以下，A1以上，则一部分奥氏体相变为铁素体，加热时未相变的奥氏体晶粒继续长大，相变产生的铁素体消失，生成新的奥氏体晶核，这样奥氏体中，一次奥氏体和相变再结晶的二次奥氏体并存，铸坯组织粗细不均，导致产品出现混晶组织。必须改变相应的热轧工艺，如加大道次变形量和总变形量等，才能解决上述问题。2.3合金元素的溶解量和作用效果不同微合金元素的完全溶解是合金元素在钢中起多重作用的前提，为了在成品组织中取得弥散硬化，一部分合金元素在相变后仍应处于溶解状态。常规冷装工艺，在再加热前的冷却过程中合金元素以碳、氮化物的形式析出，在再加热过程中，以固溶状态存在。薄板坯高温直接装炉，许多合金元素不会析出，始终处于溶解状态，对初始组织和再结晶组织均起到细化晶粒的作用。通过工艺优化，在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，析出物细小，均匀分布，没有析出的合金元素直到相变后析出，对材料进一步强化。这种状态可最大限度地发挥合金元素的潜力，减少合金元素的用量。2.4薄板坯连铸连轧轧制过程的热脆现象对铝镇静钢、某些碳锰钢、碳铬钼钢、在采用薄板坯连铸连轧工艺时，如果铸坯温降较大，其表面常常出现晶间裂纹，这是由于钢坯塑性下降引起的，即所谓热脆。热脆是合金元素化合物AlN或VCN、NbCN在奥氏体晶界析出引起的，细小的AlN等集中在γ晶界，阻止了金属热变形过程中晶界的移动，于是应力在晶界边界聚集，当应力值超过晶粒间亲和力时，就产生了晶界裂纹。研究发现，AlN在750～900℃温度范围内有最大的析出速度。2.5国外的一些研究结果国外已经对薄板坯直接轧制的某些金属学问题进行了初步研究：利用连铸模拟机进行近终型尺寸试件的连铸模拟，然后利用凝固余热直接在热变形模拟机上以平板压缩方式进行热变形实验，随后进行各种冷却速度的控制冷却模拟，再进行热卷取时缓冷过程的模拟。其结论是：（1）由于板坯减薄而产生的快速冷却和凝固，不仅使板坯内部宏观偏析均匀分布，而且起到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δ-γ相变过程中，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（1500～1350℃）中冷却速率的提高而加强。（2）直接轧制可以发挥微合金元素的全部潜在作用。（3）为了获得具有良好力学性能的细化铁素体晶粒，必须在γ→α相变之前对奥氏体凝固组织尽可能细化。提高相变前的奥氏体位错密度可以促进铁素体形核，这可通过在奥氏体非再结晶区进行热变形而实现。钢的再结晶过程取决于合金成分、析出物状态、变形程度、变形温度、变形速度及原始奥氏体晶粒度。有的微合金元素能缩小奥氏体区，提高奥氏体再结晶温度，因而具有阻止再结晶的特性；而当合金元素以细小的析出物状态存在时，又阻碍位错运动，堵塞晶界、亚晶界的迁移。因此通过多次再结晶对奥氏体进行细化必须认真选择所要求的变形温度、变形程度等参数。直接轧制在热变形开始时是在粗大的奥氏体组织上进行，单位体积内具有较少的可再结晶形核的奥氏体有效晶界面积。此外，低合金钢直接轧制时，合金元素对再结晶的阻碍作用比冷装工艺时更大。因此，直接轧制时为了得到完全的再结晶细晶组织，需要比冷装工艺更高的加工温度或变形量。（4）必要的总变形量及变形规程的安排（包括总变形量、奥氏体细化变形量和奥氏体强化变形量）必须根据不同钢种的不同需要来确定。奥氏体细化变形量在再结晶温度以上，奥氏体强化变形量在再结晶温度以下，通过二者的协调分配可以得到不同晶粒度的组织。（5）通过优化工艺参数，即使总变形量较小，直接轧制工艺仍可以获得与厚板坯冷装工艺相当的性能。3薄板坯连铸连轧提高质量的工艺优势薄板坯连铸连轧的均热工艺保证了板坯在轧制过程中温度的均匀和稳定。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，其他部分仍在炉内保温，出炉后的板坯与空气接触的时间极短，保证了板坯横断面和纵向温度的均匀分布。生产数据测试表明，板坯横断面与纵向温差均在±10℃内。实测各架轧机轧制力的变化曲线，在变形过程中无温度变化引起的轧制力波动。而在传统的热轧带钢生产中，带钢纵向的温度波动是不可避免的（加热炉内水印引起的局部温降、头尾温差等），并影响带钢的厚度精度。对于薄板坯连铸连轧，原始组织的均匀和轧制过程温度的均匀保证了产品性能质量的稳定和均匀。实测表明，薄板坯连铸连轧轧件的出口温差、卷取温差均在±14℃之内。产品的尺寸精度高，98.9%带卷长度的纵向厚差在±0.025mm之内、99.3%带卷长度宽度差在±3.1mm之内。4薄板坯连铸连轧产品组织性能优势由于铸态组织细小、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，见图1。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，这显然是边部温降快，晶粒细所致。并且与传统方法生产的产品性能相比，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。
图1薄板坯连铸连轧产品与传统热轧产品的性能比较1-20个普通带卷的平均值；2-20个CSP带卷的平均值作者简介：唐荻（1955～），男（满族），教授，副主任。参考文献〔1〕张树堂．连铸坯热送热装类型及相关的冶金学问题〔J〕。轧钢，1998,(5)：3.〔2〕张乃平，王定武．生产热轧宽带钢短流程工艺的探讨〔C〕．迈向21世纪的中国轧钢技术展望-第6届轧钢学术大会论文集，中国金属学会轧钢学会，1997.〔3〕唐荻．薄板坯连铸连轧生产的质量控制〔C〕．迈向21世纪的中国轧钢技术展望—第6届轧钢学术大会论文集，中国金属学会轧钢学会，1997．