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薄板坯连铸连轧产品的质量控制唐荻米振莉蔡庆伍The quality control of the products of thin slab continuous casting and continuous rollingTANG Di,MI Zhen-li, CAI Qing-wu( National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology, University of Science and Technology Beijing. Beijing 100083, China )1影响产品质量的主要工艺因素及其控制1.1对原料的要求原料是优质产品的基础,而原料能否纯净主要取决于钢水的脱氧、精炼和再氧化。这一点对于尺寸断面很小的薄板坯显得尤为重要。因为钢水中固体夹杂物的集聚容易堵塞非常细小的水口,钢水流入结晶器不畅,造成液面控制困难,增加了拉漏的几率,而且板坯表面易产生夹渣、纵向缩孔和皮下气泡等缺陷。因此,应该采取提高钢水中夹杂物在钢包和中间包上浮能力的措施,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,就已将硫含量降到最低程度。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,还采取了一系列措施,如石灰萤石铝混合脱氧渣的使用等。钢水的成分也十分重要,因为薄板坯在结晶器中的冷却强度远高于传统的板坯,这就造成很强的表面热应力,可以导致纵向表面裂纹的形成,特别对于含碳量在0.065%0.15%的钢尤为显著。为减少其影响,西马克和达涅利公司分别采用了复杂断面的结晶器。因此应该尽量避免生产含碳为0.065%0.15%的钢种,以避免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的脆化,将在板坯的振痕处引起横向裂纹。硫的含量应低于0.01%,这样,可防止薄板坯的表面裂纹,同时可防止因CaS的形成而堵塞水口。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,所以将废钢和适量的直接还原铁配合使用是必要的。当铜含量超过0.15%时,应使镍含量提高,达到Cu/Ni=1。磷含量应为0.001%0.005%。铬、镍、钼一般也来自于废钢,对于热轧带钢无有害影响,但是,它们的加入一般会提高钢板的强度,这对于冷轧板,特别是有成形性要求的汽车板是不利的。为得到成分均匀的钢水,NUCOR厂的措施是在脱氧后马上添加合金元素,并电磁搅拌3040min。1.2薄板坯冷却、均热与质量的关系应应当指出,薄板坯连铸连轧中析出物(如碳化物、硫化物、氮化物等)生成的规律与常规板坯不同。如MnS的析出,在常规板坯生产中,钢水凝固是缓慢的,钢坯的再加热时间也很长,因此析出的MnS粒子较粗大。但是,在薄板坯连铸连轧时粒子很细小。常造成同样成分的钢种,常规生产的板带与薄板坯连铸连轧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,当板坯温度接近Ar3时,AlN会在奥氏体晶界析出;当温度达到Ar3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,因此易产生裂纹。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,并且均热温度较低,一般仅1100,连铸冷却中形成的AlN粒子不能溶解,会给轧制造成困难。解决这一问题的办法,一方面控制铝、氮的含量;另一方面可以提高均热温度到1225,使AlN溶解,保证轧制过程中没有析出物;还可以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。对于低合金钢,在氮含量较高的情况下,NbCN、AlN同时析出,同样会降低钢的塑性。1.3铸轧对产品性能的影响与传统的板坯生产相同,薄板坯在连铸后也存在内部偏析。研究表明,在薄板坯内的大多数区域碳、锰并无特殊的变化,仅在接近板坯的中心区,两种元素先少量的正偏析,然后变为负偏析,中心则是很高的正偏析。偏析的形成程度与连铸后液芯压下的工艺参数有关,特别是液芯压下引起板坯的鼓肚是偏析严重的原因之一。目前国内也进行了相应的研究,初步结果显示,液芯压下对改善板坯的内部疏松,提高板坯质量,提高生产率,降低能耗,降低轧机负荷是有利的。1.4变形量对产品质量的影响薄板坯连铸连轧与传统板坯生产的一个重要的不同之处是压下量不同。传统的板坯生产热带一般从200300mm轧制到成品厚度。但是,薄板坯则从50100mm轧到成品厚度,显然这种压下量的不同会影响产品的质量。利用薄板坯生产建筑结构钢St52,为使产品的主要性能,如抗拉强度、屈服强度、伸长率和冲击韧性达到标准(德国标准DINI7100)的最低要求,总变形量一定要大于60%70%。当然,不同的钢种对于变形量的要求不同,但总的趋势是随压下量增大,性能逐渐变好,最后达到一个稳定的数值。轧制St37钢时,变形程度在1.01.5(相当变形量63%78%)以前,钢的密度和面缩率连续增加,当变形量达到63%78%时,性能曲线增加变得平缓,即如果继续增加变形量,对常规力学性能的影响不会很大。特别值得注意的是,对某些有特殊要求的钢材,变形量大小对某些参数,如脆性转变温度是至关重要的,其影响远大于对强度指标的影响。终轧道次压下量对性能也有影响。研究表明,对St37钢,其终轧前的变形程度为0.7,终轧道次的变形程度为0.20.8,强度指标随终轧变形量的增加无大的变化。但是,对于含Nb的低合金钢,则有大的影响,特别是对脆性转变温度,当终轧变形程度由0.4增加到1.0时,脆性转变温度可降低约50。总变形量和道次变形量对产品性能的影响较大,因钢种不同,影响的程度和指标不同,在生产中应根据产品要求和工艺条件综合考虑。1.5轧制温度对产品质量的影响在薄板坯连铸连轧中,由于实现了直接轧制、在线均热等,因而轧制温度可以较低。实施低温轧制可以节约能源,提高质量。对于普碳钢,一般的温度制度是均热至11001150,开轧温度为10501100,终轧为900左右。对于正常的生产,该工艺参数可以保证产品的质量。但是,由于薄板坯很薄,边部、角部和头部温降很快,一旦板坯温度低于Ar3,AlN等的析出将会造成质量问题。所以,对边角的保温也十分重要。轧制温度对性能的影响还通过最终产品的晶粒大小得到反映,一般在可能的条件下,较低的开轧和终轧温度对提高产品性能是有利的。但是,变形温度过低也会造成晶粒尺寸不均匀。对于低合金钢则由于前述的原因,为提高合金元素固溶量,需要高的变形温度,合金元素固溶量的提高,往往提高奥氏体的再结晶温度,可导致原始组织和再结晶组织的细化。2几种薄板坯连铸连轧产品的生产工艺用薄板坯连铸连轧方式生产热带钢的时间还不长,目前仍在发展,对于所能生产的钢种和适合生产的钢种,其说法并不完全一致。西马克、德马克、达涅利和奥钢联等公司都报道,用自己的技术生产了深冲汽车板。但也有的厂家明确指出,用薄板坯连铸连轧方式难以生产高质量的汽车板,只能生产普通产品。从生产实际分析,目前薄板坯连铸连轧的产品主要是一般的结构钢板。2.1管线钢APIX70管线钢是要求较高的产品,APIX70是其中的高牌号,在生产中要求高的钢水纯净度;为确保韧性,硫含量应低于0.003%0.005%,氮含量低于0.005%;晶粒要细,国外要求其晶粒尺寸为67m,晶粒度达13级以上;并对低温冲击韧性、焊接裂纹敏感性、耐蚀性和工艺性能有要求;在轧制方面,要严格轧制工艺控制,一般实施控制轧制或热机械轧制。前者是通过一定温度范围内变形获得与正火条件相应的最终组织。后者包含23个轧制阶段,阶段之间有一定的中间冷却时间,一般要求在800以下进行60%70%的变形。须指出的是,在得到细小的原始晶粒方面薄板坯连铸连轧具有优势,但通过大变形量以获得细小的最终组织方面薄板坯连铸连轧并无优势,这是因为薄板坯一般较薄,轧制过程的压缩较小,和传统的板坯轧制相比,在细化晶粒方面不利。国外对生产APIX70钢做了许多工作,该钢是添加Nb、V的低合金钢,总变形量的增加能提高钢的性能,特别是脆性转变温度。生产中,均热温度最低也要达到1100才能达到最低的质量要求。一旦温度超过1300,低温韧性明显恶化。高牌号的管线钢用薄板坯连铸连轧方法生产较困难,某些指标(如屈服强度、抗拉强度等)仅仅达到下限。2.2深冲钢冷轧深冲钢板是钢板生产中难度较大的钢种,这是由于汽车用深冲钢一方面要求有极其优良的常规力学性能,如低的屈服强度,高的均匀伸长率和总伸长率,还要求有优良的成形性指标,如高的应变硬化指数和厚向异性比;另外,要求有优良的表面质量,表面无任何夹杂、结疤、划伤、辊印、油污等等,即所谓的O5表面,有的钢板还要求强度和成形性指标同时要高,焊接、抗回弹性能好以及抗凹陷能力强等等。在传统的带钢生产中,各种生产工艺参数均要严格控制。国外生产深冲板均要求RH真空处理,目前国外薄板坯连铸连轧的生产厂均无RH处理装备。另外,这些厂均使用废钢作为原料,废钢中含夹杂元素很多,如铜、锰、硅、镍、铬等等,这些元素对于提高深冲性能是不利的。深冲板往往用于汽车外覆盖件,对表面要求很高。但是,目前薄板坯连铸连轧生产的薄板表面比传统方法生产的产品有差距,这些是不利条件。拥有薄板坯连铸连轧技术的各个公司都宣称自己的技术可以生产该产品,但是能否大规模、低成本的稳定生产还有待实践的检验。表面质量的差距是薄板坯连铸连轧产品的主要问题。国外研究提出的采用薄板坯连铸连轧技术生产深冲板的轧制工艺参数为:板坯均热到1100热轧,终轧温度900,以每秒20的冷却速度冷却到600卷取,冷轧压下量约75%,然后670、5h的罩式退火或750、30s的连续退火。并且研究表明,热轧压下量对最终的冷轧产品影响不大,仅对连续退火的强度指标和对罩式退火的r值有影响。目前薄板坯连铸连轧还属于较新技术,正在发展,对于产品质量的影响因素和质量控轧方法,各国正在研究和摸索。相信不久的将来会有较完整的理论出现,使质量的控制达到更高水平。作者简介:唐荻(1955),男(满族),教授,副主任。作者单位:北京科技大学高效轧制国家工程研究中心100083
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