阅读说明：本技术 基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法 (Steel continuous casting billet solidification structure refining method based on target isometric crystal size and ratio ) 是由 兰鹏 张家泉 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及钢铁冶金技术领域,提供了一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法,应用于钢铁冶金流程,对某一成分合格的钢水,在炼钢过程中按照对应工况参数下的目标等轴晶比例和尺寸,在冶炼、精炼、连铸流程中的一处或多处节点加入指定量的一种或多种变质元素,将含有变质元素的钢水浇铸成坯即可实现对其凝固组织细化。所述方法的改善机理为：加入变质元素后生成指定类别的粒子,其作为钢凝固时非均质形核基底,提高铸坯芯部的形核密度,调控等轴晶的尺寸和比例。本发明从根本上实现钢连铸坯凝固组织的量化调整,可提高钢连铸坯凝固组织的均质性和致密度,改善凝固偏析、疏松、缩孔等缺陷,有利于提高钢的加工性能和使用性能。(The invention relates to the technical field of ferrous metallurgy, and provides a steel continuous casting solidification structure refining method based on target equiaxed crystal size and ratio, which is applied to a ferrous metallurgy process. The improvement mechanism of the method is as follows: after the modification elements are added, particles of a specified category are generated and serve as a heterogeneous nucleation substrate when steel is solidified, the nucleation density of a casting blank core part is improved, and the size and the proportion of isometric crystals are regulated and controlled. The invention fundamentally realizes the quantitative adjustment of the solidification structure of the steel continuous casting billet, can improve the homogeneity and the density of the solidification structure of the steel continuous casting billet, improves the defects of solidification segregation, looseness, shrinkage cavity and the like, and is beneficial to improving the processing performance and the service performance of steel.)

基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别涉及一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法。

背景技术

钢是国民生活中最广泛应用的材料之一，在我国经济、军事、国防、运输、通讯、土建等方方面面均起到了不可替代的作用。我国是世界上粗钢产量最多的国家，且目前仍呈现逐年上涨趋势，高端钢材开发和制备仍在工业结构用材中占有关键比重。

随着二次精炼和保护浇铸等技术的深入发展和大力推广，目前国内钢材产品的纯净度已基本达到甚至超过国际先进水平。然而，由于凝固组织缺陷造成的均质性和致密度问题是影响高端钢材质量稳定性的关键！

由于连铸冷却的特殊性，大多钢连铸坯的等轴晶比例小且尺寸粗大，各向异性严重，且存在显著的溶质偏析，直接影响产品的加工性能和服役性能。钢连铸坯中的组织和成分缺陷难以在热加工和热处理工序中彻底消除，影响产品使用寿命。如何细化连铸坯凝固组织成为提高其基体均质性的关键，相关研究已引起国内外学者和企业的广泛关注。

随着氧化物冶金技术的长足发展，基于调控第二相粒子的结构和尺寸来开发其有益冶金功能已取得一定成果，这同时为通过在炼钢流程中添加变质元素来细化钢连铸坯的凝固组织提供了可能。

变质元素的凝固组织细化作用主要体现在其对非均匀形核的贡献上，变质元素加入钢液后与O、S、N、P等元素反应生成高熔点化合物粒子，当这些化合物粒子的某些晶面与钢凝固初生相晶格错配度在一定范围内时，其可作为钢凝固形核基底，由此可通过调控粒子数量和尺寸实现对钢连铸坯等轴晶尺寸和比例的量化调整。

通常，变质粒子尺寸为1×10^-6～5×10^-6m时，其非均质形核潜力最大，对钢连铸坯凝固等轴晶尺寸和比例的调控作用最强，且需要的加入量也比较少。与已有的超声、电场、磁场、电磁脉冲等技术相比，材料和设备成本低、对现场空间和操作的要求少，本发明具有广阔的市场前景。

类似专利检索。已公开的关于钢连铸坯凝固组织细化的专利是申请人提交的发明专利《一种高锰钢连铸坯凝固组织细化的方法》，申请号：201910492147.X。本发明专利上述区别是：1.已公开专利对形核剂加入量的没有提供计算方法，而本专利提供了详细的计算思路和过程；2.已公开专利将形核剂仅限定于镧La、铈Ce和钇Y的一种或多种组合，而本申请提供了可以作为钢连铸坯凝固形核剂的25种元素及更多种组合；3.已公开专利未列出形核剂的选择方法，本专利给出了变质元素的择优选取的步骤；4.已公开专利仅针对高锰钢(Mn：5～30wt％)，本专利中锰的成分范围是0～5wt％，二者无重合，且两专利中碳、硅、铝、钼、铬、镍、铜、磷、硫、铌、钒、硼、钨、氧、氮等元素含量范围不同。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，实现对常见钢种连铸凝固质量的精准、可控调整。

本发明采用如下技术方案：

一种基于目标等轴晶尺寸和比例的钢连铸坯凝固组织细化方法，按照对应工况参数下的目标等轴晶尺寸和比例确定变质元素的加入量，并在炼钢过程中冶炼、精炼、连铸流程中的一处或多处节点加入所述变质元素，即可实现对钢连铸坯凝固组织的细化。

进一步的，所述目标等轴晶尺寸在10^-5～10^-3m之间，目标等轴晶比例在0～100％之间；所述目标等轴晶比例定义为等轴晶面积/铸坯横剖面积。

进一步的，所述变质元素的加入量通过如下方法确定：

S1：根据质量控制要求确定目标等轴晶尺寸r₀和目标等轴晶比例δ₀；

S2：根据连铸坯横剖面宽度W和厚度D计算单位长度下等轴晶区体积V₀：

V₀＝W·D·δ₀；

S3：将等轴晶近似为球形，求出等轴晶区内对应目标等轴晶尺寸r₀下的等轴晶数量n₀：

S4：设某一流程下等轴晶基于变质粒子进行非均质形核的理论效率为η(η为钢水温度T的函数)，则需要变质粒子数N₀为：

S5：变质粒子的密度为ρ₀，其化合物中变质元素的质量分数为ω₀，设粒子为球形且半径为r，则需要变质元素的重量m₀为：

S6：设该流程下变质元素加入时的收得率为ξ₀，铸坯密度为ρ(ρ为钢水温度T的函数)，则单位质量钢变质元素实际加入量m为：

S7：若冶炼、精炼、连铸等流程节点中加入变质元素分别为m₁、m₂和m₃，则满足：m₁+m₂+m₃＝m，且m₁≥0、m₂≥0、m₃≥0；设单位炉次的钢水重量为w，则变质元素的单炉加入总量Q＝m·w；

上述步骤S1-S7的顺序不固定。

进一步的，所述工况参数包括钢种成分、钢水温度、钢水重量、流程节点、变质元素收得率等。

进一步的，所述变质元素为稀土元素(镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb和镥Lu)、钪Sc、钇Y、铪Hf、锆Zr、钛Ti、钽Ta、镁Mg、钙Ca、锶Sr、钡Ba中的一种或多种的组合。

进一步的，所述变质元素的择优选取方法为：

S1：根据热/动力学数据库预测变质元素加入钢液之后的高温物理化学反应，确定稳定的化学产物；

S2：对比变质元素产物熔点与钢液相线温度的差异，当且仅当变质元素产物熔点高于钢的液相线温度时才可能有非均质形核潜力；

S3：对比变质元素产物密度与钢液密度差异，优先选择变质元素产物密度与钢液密度差小的变质元素来细化该钢连铸坯的凝固组织；

S4：计算变质元素产物的低指数晶面与钢初生相的低指数晶面之间的错配度，优先选择二者之间错配度小的变质元素来细化该钢连铸坯的凝固组织；

S5：考虑其他因素的影响，如材料购买、运输、储藏及其安全性等；

上述步骤S1-S4的顺序不固定。

进一步的，钢的成分为：碳C：0～2.0wt％，硅Si：0～20.0wt％，锰Mn：0～5.0wt％，铝Al：0～15wt％，钼Mo：0～30wt％，铬Cr：0～30wt％，镍Ni：0～20wt％，铜Cu：0～10.0wt％，磷P：0～1.0wt％，硫S：0～1.0wt％，铌：0～10.0wt％，钒V：0～10.0wt％，硼B：0～5.0wt％，钨W：0～10.0wt％，氧O：0～1.0wt％，氮N：0～5.0wt％，氢H：0～0.1wt％，其余为铁Fe和不可避免杂质。

进一步的，加入的所述变质元素为单质，或化合物，或单质加化合物。

进一步的，所述变质元素加入时的状态为粉末状、颗粒状、块状、线状、条带状或包芯线中一种或多种的组合。

进一步的，所述钢连铸坯的断面为圆坯、板坯、方坯、矩形坯或异形坯。

本发明对钢连铸坯凝固组织细化的改善机理为：加入变质元素后生成指定类别的粒子，其作为钢凝固时非均质形核基底，提高铸坯芯部的形核密度，调控等轴晶的尺寸和比例。

本发明的有益效果为：可提高钢连铸坯凝固组织的均质性和致密度，改善凝固偏析、疏松、缩孔等缺陷，有利于提高钢的加工性能和使用性能；实现了对常见钢种连铸凝固质量的精准、可控调整，同时考虑了炼钢过程中不同节点位置加入的灵活性、各异性和协同性，适合于当前钢铁冶金炼钢技术的主流模式，其中涉及的理论和工艺完善、设备和操作简单，可大规模推广和应用。

具体实施方式

下文将详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

在本实施例中，根据产品质量要求采用LD或EAF完成某指定钢种的冶炼，并进行脱碳、脱氧和初步合金化；其中脱碳采用向钢水中吹氧的方式实现，同时实现对磷、硫等杂质元素脱除，脱氧采用加入硅Si、锰Mn、铝Al、钡Ba、钙Ca等元素的一种或多种单质或/和合金，同时具有合金化的效果。

采用LF、VD、RH、吹氩站等进行钢水的二次精炼，精炼的主要目的是温度和成分的精准调控；其中温度调控以***电极加热为主，少量合金氧化放热为辅，成分调控主要是通过造渣和/或喷粉并吹气搅拌进行某些溶质元素含量的控制(如硫)，同时加入其它溶质元素单质或/和合金进行合金化处理(如锰、硅、铝、钛、铌等)，其中真空精炼对碳和气体元素(如氢、氮)具有较强的调控作用；吹氩站的功能是对冶炼或精炼过程形成的夹杂物颗粒进行吹气去除，某些具有一定的合金成分微调功能。

将精炼之后温度和成分均满足浇铸标准的钢水吊运到连铸跨进行浇铸，完成钢水凝固成坯的过程。将钢水连同钢包吊运至回转台，要求钢包内钢水上表面加入覆盖剂防止氧化和温降，根据不同钢种的质量和工艺要求选择是否加盖以提高保温效果；通过长水口将大包回转台钢包内钢水由底部出口引流入中间包，钢水流速由滑板控制，单钢包的浇铸时间20～90min，浇铸时中间包钢水过热度5～60℃，中间包内钢水上表面加覆盖剂；将中间包内钢水通过定径水口或浸入式水口引流至结晶器，钢水流速由塞棒或滑板机构中的任意一种或两种组合来控制，非更换钢包时要求中间包内钢水流入速率与流出速率接近一致，中间包液面尽量稳定；结晶器为水冷铜板结构，对钢水进行一次冷却并凝固成坯壳；连铸二冷区喷嘴向坯壳表面进行喷淋冷却，使坯壳内部钢水完全凝固，进而完成连铸的核心功能。

变质元素可通过炼钢过程中的任意一个或/多个流程加入，包括冶炼、精炼、连铸等流程，其中冶炼流程包括LD、EAF节点；精炼流程包括LF、VD、RH和吹氩站等节点；连铸流程包括大包回转台、中间包、结晶器等节点，上述节点均可完成该流程内变质元素的加入。

记录对应的工况参数，如钢种成分、温度、重量、流程节点、变质元素收得率等，用于计算变质元素的加入总量。

优选的，根据用户质量要求确定目标等轴晶尺寸和比例，要求等轴晶目标尺寸在10^-5～10^-3m之间，目标比例(等轴晶面积/铸坯横剖面积)在0～100％之间。

优选的，变质元素加入总量的计算步骤如下：

S1：根据用户或质量控制要求确定目标等轴晶尺寸r₀和比例δ₀；

S2：根据连铸坯横剖面宽度W和厚度D计算单位长度下等轴晶区体积V₀：

V₀＝W·D·δ₀

S3：将等轴晶近似为球形，求出等轴晶区内对应尺寸r₀下的等轴晶数量n₀：

S4：设某一流程下等轴晶基于变质粒子进行非均质形核的理论效率为η(η为钢水温度T的函数)，则需要变质粒子数N₀为：

S5：变质粒子的密度为ρ₀，其化合物中变质元素的质量分数为ω₀，设粒子为球形且半径为r，则需要变质元素的重量m₀为：

S6：设该流程下变质元素加入时的收得率为ξ₀，铸坯密度为ρ(ρ为钢水温度T的函数)，则单位质量钢变质元素实际加入量m为：

S7：若冶炼、精炼、连铸等流程节点中加入变质元素分别为m₁、m₂和m₃，则满足：m₁+m₂+m₃＝m，且m₁≥0、m₂≥0、m₃≥0；设单位炉次的钢水重量为w，则变质元素的单炉加入总量Q＝m·w；

上述步骤S1-S7顺序不固定。

变质元素是稀土元素(镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb和镥Lu)、钪Sc、钇Y、铪Hf、锆Zr、钛Ti、钽Ta、镁Mg、钙Ca、锶Sr、钡Ba中的一种或多种的组合。

关于钢连铸坯凝固组织细化变质元素的择优选取可基于以下步骤：

S1：根据热/动力学数据库预测变质元素加入钢液之后的高温物理化学反应，确定稳定的化学产物；

S2：对比变质元素产物熔点与钢液相线温度的差异，当且仅当变质元素产物熔点高于钢的液相线温度时才可能有非均质形核潜力；

S3：对比变质元素产物密度与钢液密度差异，优先选择变质元素产物密度与钢液密度差小的元素细化该钢连铸坯的凝固组织；

S4：计算变质元素产物低指数晶面与钢初生相低指数之间之间的错配度，优先选择二者之间错配度小的变质元素细化该钢连铸坯的凝固组织；

S5：考虑其他因素的影响，如材料购买、运输、储藏及其安全性等。

上述步骤S1-S5顺序不固定。

变质元素加入的是变质元素的单质或化合物或单质+化合物。变质元素的加入状态是粉末状、颗粒状、块状、线状、条带状或包芯线中一种或多种的组合。

对比例

当精炼合格进入VD后，采用气体搅拌至成分均匀，随后将成分和温度合格的钢水吊运至连铸跨大包回转台，通过长水口引流至中间包，随后经浸入式水口引流至结晶器，设定拉速为0.8m/min。钢水在结晶器内形成初凝坯壳并进入二次冷却区喷淋冷却使芯部钢液完全凝固。取铸坯试样横断面经磨床处理后采用热盐酸溶液或电解液侵蚀，可观察到等轴晶面积比约为4％，等轴晶等圆直径约为1.6mm。

实施例1

根据质量要求设定目标等轴晶尺寸为100μm，等轴晶区面积比例为36％，根据前述方法计算求解的100t钢包中需在VD中加入的锆铁合金总量为2.67Kg；当某齿轮钢进入VD后，加入2.67Kg块状锆铁合金，并采用气体搅拌至均匀；随后将成分和温度合格的钢水吊运至连铸跨大包回转台，其后采用与对比例一致的参数完成浇铸和凝固。取铸坯试样横断面经磨床处理后采用热盐酸溶液或电解液侵蚀，可观察到等轴晶面积比约为36％，等轴晶等圆直径约为100μm。

实施例2

根据质量要求设定目标等轴晶尺寸为150μm，等轴晶区面积比例为64％，根据前述方法可进行VD+中间包双点加入，计算求得100t钢包在VD中加入的钛铁合金总量为1.62Kg，中间包中喂钛铁线速率为12m/min，当某锅炉管钢进入VD后，加入1.62Kg块状锆铁合金，并采用气体搅拌至均匀；随后将成分和温度合格的钢水吊运至连铸跨大包回转台，待钢水进入中包后开始按上述速率喂线，其后采用与对比例一致的参数完成浇铸和凝固。取铸坯试样横断面经磨床处理后采用热盐酸溶液或电解液侵蚀，可观察到等轴晶面积比约为64％，等轴晶等圆直径约为150μm。

实施例3

根据质量要求设定目标等轴晶尺寸为120μm，等轴晶区面积比例为50％，根据前述方法可进行中间包+结晶器双点喂线，计算求得中间包中喂钛铁线速率为10m/min，结晶器喂铈铁线速率为5m/min。将精炼后成分和温度合格的某Q345E钢水吊运至连铸跨大包回转台，待钢水进入中包后开始按上述速率喂钛铁线，浇入结晶器后按上述速率喂铈铁线，其后采用与对比例一致的参数完成浇铸和凝固。取铸坯试样横断面经磨床处理后采用热盐酸溶液或电解液侵蚀，可观察到等轴晶面积比约为50％，等轴晶等圆直径约为120μm。

实施例4

根据质量要求设定目标等轴晶尺寸为200μm，等轴晶区面积比例为32％，根据前述方法可进行结晶器喂双线，计算求得结晶器喂铈铁线速率为5m/min、喂锆铁线速率为8m/min。将精炼后成分和温度合格的某GCr15钢水吊运至连铸跨大包回转台，待钢水进入结晶器后按上述速率喂入铈铁线和锆铁线，其后采用与对比例一致的参数完成浇铸和凝固。取铸坯试样横断面经磨床处理后采用热盐酸溶液或电解液侵蚀，可观察到等轴晶面积比约为32％，等轴晶等圆直径约为200μm。

本发明从根本上实现钢连铸坯凝固组织的量化调整，可提高钢连铸坯凝固组织的均质性和致密度，改善凝固偏析、疏松、缩孔等缺陷，有利于提高钢的加工性能和使用性能。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。