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杭州嘉航金屬制品有限公司
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含諸元素鋼的冶煉與連鑄須知
煉鋼過程中的冶金操作事項(xiàng)
在生產(chǎn)高品質(zhì)鋼時(shí)，由于去除有害殘留元素的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件在煉鋼和精煉過程不同，有時(shí)甚至是相互矛盾的，所以可以采取不同策略來控制殘留元素的含量。每個(gè)鋼廠都需要徹底了解自身的過程冶金變量，形成自己的操作實(shí)踐，以適應(yīng)所生產(chǎn)鋼種的成分。殘值是非常重要的一個(gè)基礎(chǔ)條件。一般來說，鋼鐵首先生產(chǎn)那些成熟的鋼種，但是往往開始時(shí)殘余元素含量較高，而產(chǎn)生裂紋、表面質(zhì)量差和偏析問題。
建議在解決含鈮鋼表面質(zhì)量的問題時(shí)，好先宜采取的操作是鈣處理以降低S含量至0.002%～0.010%的水平。鈣處理并不能確保獲得無缺陷鑄坯，卻能極大地增加改善表面質(zhì)量和內(nèi)部純凈度的可能性。下一節(jié)將介紹殘余元素（如N，H，S，P，Cu等）對(duì)熱延性的影響。
殘余元素對(duì)鑄造性和熱塑性的影響
在含Al微合金化鋼中，通常認(rèn)為N不利于鋼的熱塑性。為了避免橫向裂縫，N含量應(yīng)保持盡可能低的水平。在某些情況下，發(fā)現(xiàn)Ti的加入對(duì)熱塑性也是有害的。然而，在低冷卻速度下，Ti在低N（0.005%N）的C-Mn鋼中，又有助于獲得更好的熱塑性。要得到好好的熱塑性，通常要有一個(gè)高的Ti:N比4.5:1。對(duì)于高N鋼（電爐煉鋼典型的N含量0.010%），建議Ti的加入量不要太高（0.01%），以減少含Ti粒子的數(shù)量。此外，鋼中的溶解Al含量要低，以防止與過量N元素相結(jié)合形成AlN。對(duì)于C-Mn-Nb-Al鋼，就Ti的加入量方面可給出類似的建議。因?yàn)檫@些鋼中存在的Nb和Al元素會(huì)粗化含Ti粒子，它們對(duì)熱塑性低谷區(qū)的影響一般不大。一旦Ti與N結(jié)合，任何剩余的N看起來似乎有利，因?yàn)楦逳含量會(huì)促進(jìn)析出行為在較高的溫度下發(fā)生。
鋼中的S含量應(yīng)保持在盡可能低的合理水平，以降低有害的細(xì)小硫化物在奧氏體晶界析出的傾向。鈣夾雜物形貌控制處理將球化硫化錳夾雜并改善連鑄機(jī)矯直段鑄坯的塑性。
鋼中殘留的Cu通常來自廢鋼料，其殘留量應(yīng)小于0.15%。殘留Cu對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量有害，促進(jìn)橫向開裂的發(fā)生。Sn（錫）影響與Cu的類似。雖然Cu熱塑性有害，但是加入少量的Ni可以抵消引起的熱塑性損失（Ni:Cu通常控制在1.5～2.0范圍內(nèi)）。
磷是受到大量研究工作關(guān)注的一種元素。過去的一些工作表明，在某些情況下當(dāng)C含量低于0.25%的鋼中P可改善700～1200℃區(qū)間鑄坯的塑性。這種改善的結(jié)果是在偏析減少的前提下獲得的。但是，如果有較多的P發(fā)生偏析，枝晶間液體將出現(xiàn)在低于固相線下的某一溫度。在奧氏體晶界上存在這樣一個(gè)液膜將嚴(yán)重降低鑄坯的熱塑性。這種狀況將使鑄鋼容易在連鑄早期和結(jié)晶器后的鑄造階段產(chǎn)生開裂。
氫的控制
氫（H）主要影響含高M(jìn)n、Cr、Ni的中、高碳鋼，特別是大型型鋼。在Mn-Cr、Cr-B和Cr-Mo系鋼中，必須控制H含量。H含量的控制是至關(guān)重要的，對(duì)于這些裂紋敏感的鋼種的H含量限于2ppm。
硫的控制
硫會(huì)擴(kuò)大高溫下鋼的表面裂紋傾向。它還增加鋼中夾雜物的數(shù)量，危害鋼材的物理和力學(xué)性能。因此，必須控制鋼中的S含量，盡可能降低S含量（除切削加工鋼外）。對(duì)于高等級(jí)鋼種，高爐鐵水中的S含量不易高于0.015%。經(jīng)過鋼包Si、Ca脫硫后，S含量通常要降至0.003%～0.009%。
在有些含鈮鋼澆鑄的情況下，MnS夾雜是造成熱塑性降低的根本原因。一般來說，MnS與晶間斷裂有關(guān)。含鈮鋼的熱塑性對(duì)鋼中的固溶S含量非常敏感，固溶S易于晶界偏析。隨著S含量濃度的上升，熱塑性下降。
控制熱塑性的因素
在顯微結(jié)構(gòu)層面上，有4個(gè)控制熱塑性的主要因素，也是好重要的因素：1）應(yīng)變率；2）晶粒尺寸；3）析出；4）夾雜物含量。提高矯直應(yīng)變速率和細(xì)化晶粒尺寸（一般小于200μm）都可以改善延性。提高應(yīng)變速率將減少晶界滑移，細(xì)化的晶粒使得裂紋沿晶界擴(kuò)展變得更加困難。
連鑄過程中的技術(shù)要點(diǎn)
消除裂紋的兩個(gè)好有效措施是控制鋼水澆鑄溫度和降低二冷的冷卻速率。對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋼種，要嚴(yán)格控制鋼水上連鑄機(jī)的溫度。例如，如果鋼過熱太高，會(huì)造成嚴(yán)重的中心偏析，甚者還會(huì)增加發(fā)生漏鋼的概率。如果過熱太低，又可能引起堵水口，甚至鋼水在中間包內(nèi)凝結(jié)，而造成鋼水回爐等問題。因此，必須在獲得良好鑄造性能、產(chǎn)量和鑄坯內(nèi)部和表面質(zhì)量之間取得平衡。連續(xù)澆鑄要求供給鋼水的溫度保證在澆鑄周期內(nèi)澆鑄順行。
結(jié)合低碳鋼低合金（LCLA）.冶金思路，采用新的工藝冶金技術(shù)和操作可帶來具有吸引力的成本效益。附加值高的LCLA含鈮微合金鋼材的應(yīng)用和未來發(fā)展將在改善產(chǎn)品質(zhì)量、性能和工藝操作中發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時(shí)，B鋼廠生產(chǎn)的低碳鋼具有優(yōu)良的熱塑性，而且沒有出現(xiàn)連鑄缺陷或裂紋問題。
如有可能，強(qiáng)烈建議使碳含量低于0.10%。有報(bào)道指出，通過降低C含量，對(duì)于奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變率是有利的。形變誘導(dǎo)鐵素體的大量形成使得熱塑性低谷區(qū)變窄。碳含量必須低于0.10%是誘發(fā)這一機(jī)制發(fā)生的條件。因此，在低于包晶區(qū)的低碳的水平（低于0.1%）下，不太可能形成柱狀晶和細(xì)化鑄態(tài)晶粒尺寸。從微觀組織上，這些條件將有利于縮小塑性低谷區(qū)。
對(duì)于不同直徑的鋼筋，即使在相同的強(qiáng)度水平，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明有大量的C-微合金化元素的成分組合、軋制制度和軋機(jī)配置等方法可以滿足力學(xué)性能和產(chǎn)品應(yīng)用的要求。每個(gè)鋼廠的情況都是獨(dú)一無二的，因此，沒有普遍適用的辦法來指定采取什么樣的化學(xué)成分、冶煉操作、加熱爐均熱溫度以及熱軋制度等來生產(chǎn)某種產(chǎn)品。嚴(yán)格控制試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合實(shí)際熔煉、連鑄、加熱爐和軋機(jī)的操作參數(shù)以及工藝流程操作的波動(dòng)，到好終產(chǎn)品所需的力學(xué)性能和使用性能。
在生產(chǎn)高品質(zhì)鋼時(shí)，由于去除有害殘留元素的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件在煉鋼和精煉過程不同，有時(shí)甚至是相互矛盾的，所以可以采取不同策略來控制殘留元素的含量。每個(gè)鋼廠都需要徹底了解自身的過程冶金變量，形成自己的操作實(shí)踐，以適應(yīng)所生產(chǎn)鋼種的成分。殘值是非常重要的一個(gè)基礎(chǔ)條件。一般來說，鋼鐵首先生產(chǎn)那些成熟的鋼種，但是往往開始時(shí)殘余元素含量較高，而產(chǎn)生裂紋、表面質(zhì)量差和偏析問題。
建議在解決含鈮鋼表面質(zhì)量的問題時(shí)，好先宜采取的操作是鈣處理以降低S含量至0.002%～0.010%的水平。鈣處理并不能確保獲得無缺陷鑄坯，卻能極大地增加改善表面質(zhì)量和內(nèi)部純凈度的可能性。下一節(jié)將介紹殘余元素（如N，H，S，P，Cu等）對(duì)熱延性的影響。
殘余元素對(duì)鑄造性和熱塑性的影響
在含Al微合金化鋼中，通常認(rèn)為N不利于鋼的熱塑性。為了避免橫向裂縫，N含量應(yīng)保持盡可能低的水平。在某些情況下，發(fā)現(xiàn)Ti的加入對(duì)熱塑性也是有害的。然而，在低冷卻速度下，Ti在低N（0.005%N）的C-Mn鋼中，又有助于獲得更好的熱塑性。要得到好好的熱塑性，通常要有一個(gè)高的Ti:N比4.5:1。對(duì)于高N鋼（電爐煉鋼典型的N含量0.010%），建議Ti的加入量不要太高（0.01%），以減少含Ti粒子的數(shù)量。此外，鋼中的溶解Al含量要低，以防止與過量N元素相結(jié)合形成AlN。對(duì)于C-Mn-Nb-Al鋼，就Ti的加入量方面可給出類似的建議。因?yàn)檫@些鋼中存在的Nb和Al元素會(huì)粗化含Ti粒子，它們對(duì)熱塑性低谷區(qū)的影響一般不大。一旦Ti與N結(jié)合，任何剩余的N看起來似乎有利，因?yàn)楦逳含量會(huì)促進(jìn)析出行為在較高的溫度下發(fā)生。
鋼中的S含量應(yīng)保持在盡可能低的合理水平，以降低有害的細(xì)小硫化物在奧氏體晶界析出的傾向。鈣夾雜物形貌控制處理將球化硫化錳夾雜并改善連鑄機(jī)矯直段鑄坯的塑性。
鋼中殘留的Cu通常來自廢鋼料，其殘留量應(yīng)小于0.15%。殘留Cu對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量有害，促進(jìn)橫向開裂的發(fā)生。Sn（錫）影響與Cu的類似。雖然Cu熱塑性有害，但是加入少量的Ni可以抵消引起的熱塑性損失（Ni:Cu通常控制在1.5～2.0范圍內(nèi)）。
磷是受到大量研究工作關(guān)注的一種元素。過去的一些工作表明，在某些情況下當(dāng)C含量低于0.25%的鋼中P可改善700～1200℃區(qū)間鑄坯的塑性。這種改善的結(jié)果是在偏析減少的前提下獲得的。但是，如果有較多的P發(fā)生偏析，枝晶間液體將出現(xiàn)在低于固相線下的某一溫度。在奧氏體晶界上存在這樣一個(gè)液膜將嚴(yán)重降低鑄坯的熱塑性。這種狀況將使鑄鋼容易在連鑄早期和結(jié)晶器后的鑄造階段產(chǎn)生開裂。
氫的控制
氫（H）主要影響含高M(jìn)n、Cr、Ni的中、高碳鋼，特別是大型型鋼。在Mn-Cr、Cr-B和Cr-Mo系鋼中，必須控制H含量。H含量的控制是至關(guān)重要的，對(duì)于這些裂紋敏感的鋼種的H含量限于2ppm。
硫的控制
硫會(huì)擴(kuò)大高溫下鋼的表面裂紋傾向。它還增加鋼中夾雜物的數(shù)量，危害鋼材的物理和力學(xué)性能。因此，必須控制鋼中的S含量，盡可能降低S含量（除切削加工鋼外）。對(duì)于高等級(jí)鋼種，高爐鐵水中的S含量不易高于0.015%。經(jīng)過鋼包Si、Ca脫硫后，S含量通常要降至0.003%～0.009%。
在有些含鈮鋼澆鑄的情況下，MnS夾雜是造成熱塑性降低的根本原因。一般來說，MnS與晶間斷裂有關(guān)。含鈮鋼的熱塑性對(duì)鋼中的固溶S含量非常敏感，固溶S易于晶界偏析。隨著S含量濃度的上升，熱塑性下降。
控制熱塑性的因素
在顯微結(jié)構(gòu)層面上，有4個(gè)控制熱塑性的主要因素，也是好重要的因素：1）應(yīng)變率；2）晶粒尺寸；3）析出；4）夾雜物含量。提高矯直應(yīng)變速率和細(xì)化晶粒尺寸（一般小于200μm）都可以改善延性。提高應(yīng)變速率將減少晶界滑移，細(xì)化的晶粒使得裂紋沿晶界擴(kuò)展變得更加困難。
連鑄過程中的技術(shù)要點(diǎn)
消除裂紋的兩個(gè)好有效措施是控制鋼水澆鑄溫度和降低二冷的冷卻速率。對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋼種，要嚴(yán)格控制鋼水上連鑄機(jī)的溫度。例如，如果鋼過熱太高，會(huì)造成嚴(yán)重的中心偏析，甚者還會(huì)增加發(fā)生漏鋼的概率。如果過熱太低，又可能引起堵水口，甚至鋼水在中間包內(nèi)凝結(jié)，而造成鋼水回爐等問題。因此，必須在獲得良好鑄造性能、產(chǎn)量和鑄坯內(nèi)部和表面質(zhì)量之間取得平衡。連續(xù)澆鑄要求供給鋼水的溫度保證在澆鑄周期內(nèi)澆鑄順行。
結(jié)合低碳鋼低合金（LCLA）.冶金思路，采用新的工藝冶金技術(shù)和操作可帶來具有吸引力的成本效益。附加值高的LCLA含鈮微合金鋼材的應(yīng)用和未來發(fā)展將在改善產(chǎn)品質(zhì)量、性能和工藝操作中發(fā)揮關(guān)鍵作用。同時(shí)，B鋼廠生產(chǎn)的低碳鋼具有優(yōu)良的熱塑性，而且沒有出現(xiàn)連鑄缺陷或裂紋問題。
如有可能，強(qiáng)烈建議使碳含量低于0.10%。有報(bào)道指出，通過降低C含量，對(duì)于奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變率是有利的。形變誘導(dǎo)鐵素體的大量形成使得熱塑性低谷區(qū)變窄。碳含量必須低于0.10%是誘發(fā)這一機(jī)制發(fā)生的條件。因此，在低于包晶區(qū)的低碳的水平（低于0.1%）下，不太可能形成柱狀晶和細(xì)化鑄態(tài)晶粒尺寸。從微觀組織上，這些條件將有利于縮小塑性低谷區(qū)。
對(duì)于不同直徑的鋼筋，即使在相同的強(qiáng)度水平，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明有大量的C-微合金化元素的成分組合、軋制制度和軋機(jī)配置等方法可以滿足力學(xué)性能和產(chǎn)品應(yīng)用的要求。每個(gè)鋼廠的情況都是獨(dú)一無二的，因此，沒有普遍適用的辦法來指定采取什么樣的化學(xué)成分、冶煉操作、加熱爐均熱溫度以及熱軋制度等來生產(chǎn)某種產(chǎn)品。嚴(yán)格控制試驗(yàn)應(yīng)結(jié)合實(shí)際熔煉、連鑄、加熱爐和軋機(jī)的操作參數(shù)以及工藝流程操作的波動(dòng)，到好終產(chǎn)品所需的力學(xué)性能和使用性能。