CN101927336A - 一种大型特厚板坯及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型特厚板坯及其生产方法，该特厚板坯由2块或2块以上的连铸坯和其之间浇注的钢水凝固复合层所构成。其生产方法以2块或2块以上的连铸坯及其侧边连续进给的两条金属薄带构成金属型模腔，向模腔内浇注同钢种或异钢种钢水，实现金属型模腔的垂直充填。铸坯厚度可达到600～1300mm，最大单重达到100t以上，既具有模铸钢锭生产特厚板的大单重、大压缩比优点，同时又具有连铸坯生产特厚板所具有的组织细化、内部质量好、生产效率高、成材率高等优点。此外，通过微调复合层的化学成分，减少钢板厚度效应、提高特厚钢板性能均匀性。还可以采用异种钢种复合，生产特殊复合钢板。

Description

一种大型特厚板坯及其生产方法

技术领域

本发明属于铸造领域，特别涉及一种大型特厚板坯及其生产方法。

背景技术

宽厚板产品广泛应用于油气输送管线、船舶、桥梁、容器、锅炉、海洋构件、建筑等国民经济的众多领域。随着现代工业的飞速发展，对压力容器、锅炉、钻井平台及各类舰船用板的需求量逐年增加，为降低各种装置的制造成本，这些装置都趋向于大型化；为提高大型装置的安全可靠性，对使用的钢板质量要求越来越严格。制造这些大型装置必须使用的大单重(超过20t)、特厚(大于100mm)钢板的需求量也越来越大。最厚可达300mm以上，最宽可达5350mm，成品单重最大可达80t以上，并要求抗层状撕裂Z向性能达到Z25、Z35级别的水平。

在中厚板生产中，压缩比是衡量产品质量的一项重要指标。原料内在质量的好坏对压缩比的影响很大，如果原料内部组织均匀致密，没有疏松、缩孔等缺陷，则压缩比可以适当减小。如以钢锭为原料时，生产一般要求的钢板，应使压缩比η＞6，生产重要用途的高性能产品时，要求更大的压缩比，应使η＞10；以连铸坯为原料时，生产一般要求的钢板，应使η＞3，生产重要用途的产品时，应使η＞5。

随着现代冶炼及连铸技术的发展，连铸坯的内部质量越来越高，压缩比可以适当降低。如1996年，日本新日铁公司名古屋厂建成兼具模铸和连铸优点的新型铸机，通过垂直浇铸与控制凝固，减少非金属夹杂物和偏析，生产的板坯质量优良，生产的优质超厚钢板最厚达200mm，低碳超厚钢板最厚达330mm。使用这种连铸机可以确保200mm超厚钢板的压缩比为2。

以S420M钢为例：这个钢种要求在厚度方向断面收缩率大于35％，用300mm厚的板坯可以生产80mm以下的厚板，满足以上要求。超过80mm厚的厚板，以前只能用模铸钢锭来生产。

对特厚板而言，若成品厚度在100mm以上，如果要保证压缩比η＞5，则连铸坯的最小厚度要500mm以上。如果以铸造钢锭为原料时，生产重要用途的高性能产品时，钢锭的最小厚度应该在1000mm以上。

板坯越厚，连铸板坯完全凝固需时间越长，凝固液芯长度也越长，因此连铸生产受技术条件的限制，无法生产厚度过大的特厚板。上世纪90年代后期投产的迪林根厚板厂、名古屋厚板厂新型立式连铸机的最大铸坯厚度达到400mm，该厚度即为世界上最厚的连铸板坯。目前国内能够大批量生产的高质量连铸板坯的厚度规格最大为320mm，常见厚度230、300mm，宽度规格一般800～2300mm。

大型模铸钢锭凝固的基本特点是从侧壁向中心进行的，凝固结构由外至内依次为细小等轴晶区、柱状晶区和等轴晶区，上部有缩孔，底部为沉积三角锥，钢锭内部还存在着显微缩孔，倒V型偏析和V型偏析依次存在于柱状晶与等轴晶交界面和等轴晶区，在钢锭内还存在中心偏析现象，多存在二次缩孔和中心疏松，夹杂物也不易上浮，因此受凝固特点的限制，要生产高质量的特厚板，只有增大钢锭的单重和厚度，采用大压缩比轧制来破碎粗大的柱状晶，细化晶粒，减少内部缺陷的影响，但单重越大，其缺陷产生的频率也就越高。大型钢锭生产特厚板切头尾率高达16％～20％，成材率低，一般仅仅75％左右，生产成本高，生产效率低，内部质量差，不能适应现代工业高速发展的需要。

单向凝固技术是上世纪80年代发展起来的一项生产特厚板坯的模铸技术，适合铸坯大型化，而且能够消除或减少钢锭内部的疏松和偏析，提高钢锭本体的均匀性，来达到提高最终产品质量的目的。在底部强制冷却条件下，钢锭厚度可达900～1200mm，这样就能满足150～300mm特厚板的质量和厚度要求。在宝钢申请号为200820056366.0、名称为“一种特厚板坯凝固装置”专利中，提供了一种特厚板坯凝固装置，使特厚板坯的凝固达到单向凝固的要求，特大型铸型保证了特厚板坯的厚度规格300～800mm，锭重最大可达80t。单向凝固将夹杂物和偏析物都集中在钢锭的头部，凝固后需将头部偏析带除去，加工量大，且钢锭柱状晶粒发达，对提高特厚板冲击韧性非常不利。

日本JFE开发了特殊钢中厚板生产技术，有若干个专利都提出了用焊接方法将两块以上连铸板坯制成一块复合板坯然后进行轧制的方法，在压缩比小于2.0的条件下，生产特厚钢板。在特许公开号为2006-000856、名称为“METHOD FOR MANUFACTURING EXTREMELY THICK STEEL PLATE”的专利中，为解决压缩比小于2生产厚度200mm以上特厚板问题，用焊接方法将两块以上的连铸板坯制造出复合板坯，JFE钢铁公司利用引入的大规格电子束焊接装置(EBW)开发了高真空、高速板坯组合粘结技术，使用后达到了提高复合钢板粘结性的目的。将连铸板坯相对的接合面用砂带研磨机研磨去除板坯的黑皮面，研磨厚度约2mm，将板坯叠放后放在真空室中，板坯界面之间的空气压小于1Pa，用电子束焊接或惰性气体保护焊，将板坯四周密封焊牢。如果在母材和包覆材料间仍存在空气，那么在加热过程中材料表面上会形成氧化铁皮，使钢板的粘结性能恶化。采用EBW设备，堆垛的板坯装入大的真空室中，最终在材料四周进行电子束焊接。真空泵不仅抽走堆垛的板坯中的空气，而且创造出一个真空气氛。因此，采用EBW可以提高粘结效率并可以实现大规模生产。

通过应用上述生产技术，JFE钢铁公司已经实现了复合钢板的稳定生产，缩短了生产时间。因此，JFE钢铁公司开发一种利用连铸板坯生产厚度超过240mm超大特厚板生产技术，即应用了复合中厚板生产技术。在该技术中，一块超大特厚板是用两块相同钢种连铸板坯制造的，它首先要对两块板坯将要粘结的表面进行处理，然后通过EBW电子束焊接组合，最终通过低速、大压下量轧制粘结。目前，厚度超过270mm和360mm的特厚板已经利用连铸板坯进行了实验轧制。已经证实，可利用这一技术生产的特厚板厚度可以高达360mm。

该技术要求在高的真空度下进行高质量的钢坯焊接复合，连铸板坯相对的接合面要求用砂带研磨机研磨，需要高的光洁度和平直度，需要高度可靠的抽真空***。焊缝的微小瑕疵都有使钢板报废的可能。此外，在加热过程中的氧化及轧制过程中的不均匀变形也有导致复合失败的可能，操作难度高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于将连铸技术和模铸技术相结合，提供一种大型特厚板坯及其生产方法，既具有模铸钢锭生产特厚板的大单重、大压缩比优点，同时又具有连铸坯生产特厚板所具有的组织细化、内部质量好、生产效率高、成材率高等优点。

本发明的另一个目的在于提供一种大型特厚板坯及其生产方法，通过微调复合层的化学成分，可以达到减少钢板厚度效应、提高特厚钢板性能均匀性之目的。

本发明的再一个目的在于提供一种大型特厚板坯及其生产方法，采用异种钢种复合，实现生产特殊复合钢板之目的。

本发明涉及一种大型特厚板坯，由2块或2块以上的连铸坯和其之间浇注的同钢种或异钢种钢水凝固复合层所构成。

本发明采用普通连铸坯复合生产的方法，以现有连铸设备所生产的高质量连铸坯为原料，通过喷丸处理、酸洗等工艺对连铸坯进行表面处理，除去连铸坯表面的氧化铁皮，并在表面粘结一层含有铝热剂和造渣剂的涂层，每2块或2块以上连铸坯及其侧边连续进给的两条薄金属带构成金属型模腔，在保护气氛下，在模腔内浇注同钢种或异钢种的钢水，连续实现金属型模腔的垂直充填。位于下部模腔内的钢水凝固补缩由上一个模腔内还未凝固的钢水填充完成。

实现本发明在生产工艺上采取以下技术措施：

1复合前连铸坯的高效表面处理

对于需要复合的连铸坯表面，通过喷丸处理、喷砂处理等工艺对连铸坯进行表面处理，除去连铸坯表面的氧化铁皮。如果要求高，也可采用酸洗工艺去除。同时要求浇注钢水中要含有足够的强脱氧元素如Al等。

采用该方法进行连铸坯复合，对复合表面的氧化铁皮去除要求并不高，只要把表面较厚的Fe₃O₄去除即可，即使氧化铁皮内层的FeO有少许残留，由于浇铸钢水温度高于FeO熔点，在浇铸过程中，该部分氧化铁皮熔化，与钢中强脱氧元素或下面所述的铝热剂发生反应，生成物随液面上升于顶部，最后可切除，不会残留于钢坯内部影响钢坯质量。

为了防止表面处理后至浇铸过程中钢坯表面的再次氧化，对表面处理后的钢坯表面要粘结覆盖一层含有铝热剂和造渣剂的涂层，防止铸造过程中连铸坯表面的氧化，该涂层的性能能够保证在浇铸时熔化或分解，形成低熔点的渣系，迅速上浮，随保护渣排除。该涂层含有铝热剂，具有自蔓延反应特征，反应时在连铸坯表面形成高温，防止浇铸时激冷层的出现，有助于钢水中夹杂物的上浮，净化钢质。一般铝热剂自蔓延反应的燃烧波速度可达到1～150mm/s，反应绝热温度可达到2000～4000℃。通过控制涂层的成分配比，使自蔓延反应的燃烧波速度和浇铸液面上升的速度相匹配，利于减少钢中的夹杂物和气孔的产生。

采用该方法进行连铸坯复合，对复合表面的去除氧化铁皮的洁净程度、表面光洁度和平直度要求也不严格。在浇铸过程中铸坯表面的一些表层微裂纹等缺陷甚至能够熔化焊合。

2模腔两侧采用低碳薄钢带或高熔点金属及合金带进行侧封

为防止钢水泄漏，将连续进给的金属带压紧在连铸坯侧面并成型，在铸坯两侧需要成型辊组，金属带宽度及成型后的形状要保证能够补偿连铸坯和密封垫长度方向的加工误差。金属带厚度0.5mm～2.0mm，金属带熔点最好高于浇注钢种的熔点20～100℃。金属带可采用高熔点金属及其合金带如W、Mo、Cr、Nb、Ta及其合金等，表面涂一层防止粘结的涂料，实现循环使用。也可一次性使用低碳软钢钢带。

3复合前连铸坯进行预热或连铸坯下线后利用其余热进行浇铸

连铸坯进行适当预热，铸造粘结效果更佳。目的是与涂层的放热反应相结合，把连铸坯的浇铸复合表面加热到一定温度，在高温下进行浇铸，复合金属之间原子结合的非常牢固，同时能够焊合连铸坯表面的原有的裂纹缺陷，提高金属复合质量。还可以减少激冷层，使钢中夹杂物充分上浮，提高复合层的冶金质量。初期预热温度区间100℃～600℃最佳，稳定后通过钢水辐射散热即可达到同样效果。但是即使不预热仅仅依赖浇铸过程中的表层铝热反应和钢水辐射也能够实现良好复合之目的。

对于低温阶段塑性差、导热性差的钢种，如中、高碳钢或高合金钢的连铸坯等，要求预热温度较高如400～600℃，以防止在浇铸过程中热应力过大造成钢坯开裂。

通过控制生产节奏，利用连铸坯下线后其本身余热，将表面涂层烘干并进行浇铸，不但可以减少浇铸过程氢气的产生，提高铸坯质量，而且可更加节约能源。

4连铸复合过程采用惰性气体保护或低熔点保护渣进行保护浇铸

每2块或2块以上的连铸坯及其侧边连续进给的薄金属带构成一个金属型模腔，浇铸过程中在该模腔空间充满氩气或He、Ne、Kr、Xe、N等惰性气体，防止钢液的二次氧化。或者根据钢种不同，采用不同类型的低熔点连铸保护渣进行保护浇铸，吸附钢中夹杂物，并防止钢液的二次氧化。

5在铸造过程中，采用水或其它介质对铸坯周围进行强制冷却

在铸造过程中铸坯周围要采用水、水雾、气雾或气体等介质对铸坯和金属带进行强制冷却，以控制液芯长度，降低设备高度，并保证铸造过程的顺利进行。尤其金属带一侧的水量要足够大，使渗入缝隙中的钢水加速凝固，以防止钢水的泄漏。比水量按照0.5～2L/kg控制。钢水浇铸过热度控制在30℃以下。

6复合模腔宽度即复合层厚度控制在50mm～200mm

从提高特厚板压缩比的角度来看，复合层厚度越厚越好，同时对钢中夹杂物的上浮有利。但是复合层厚度太大，造成冶金长度增加，易使设备投资加大，同时铸坯组织粗大，影响钢板性能。但是如果复合层厚度太小，钢中夹杂物来不及上浮，影响钢种的性能，同时浇注水口的尺寸受到限制，难以加工和安装。一般控制复合层厚度在50mm～200mm之间。

7连铸复合过程采用液芯压下或液-固相轧制提高复合铸坯内部质量

在铸机下部设置一对轧辊，类似于一台强力轧机，对铸坯实施强制压下，由于铸坯内部浇铸的复合层部分此时处于液芯状态，变形抗力低，容易发生变形，而原来的连铸坯部分温度低，变形抗力高，不容易发生塑性变形，这样，铸坯在通过轧辊时发生厚度方向的不均匀塑性压缩变形，浇铸部分因温度高而受到较大的压缩，促使其芯部在高温高压下实现焊合，可以明显地减轻铸坯中心的偏析，同时显著改善铸坯中心的疏松并使中心晶粒细化，提高铸坯复合的质量，节约能源。这种对中心内部质量改善的效果要好于铸坯冷却后再加热进行大压下轧制的效果，尤其对于特厚板生产更为有利。必须根据浇铸速度、钢种、冷却强度、钢水过热度等参数来确定压下位置及压下量的大小。或者在完全凝固切割后放平，在专用的水平二辊轧机(类似于初轧机)上进行一定变形量的压下轧制，借助于不均匀变形，使内部高温部分压实、焊合。

压缩变形量越大越好，一般使复合层变形达到其厚度的10％～30％即可。

8各组型腔之间的接触处要放置密封垫，防止浇铸时钢液从上下连铸坯之间的间隙泄漏

密封垫要采用极薄软钢钢带制造，制成具有良好成型性能的半封闭空腔，中间用形状适应性和火焰切割性能良好的材料进行充填，如木屑、稻壳、铁屑等类似形态和性质的物质，以便在连铸坯的重力作用下发生一定变形，与连铸坯接触表面贴紧，起到密封作用。未完全封闭的一侧朝外，可设置一些排气孔，便于排气。三坯复合时处于中间位置的连铸坯下不需要放置密封垫。

本发明铸坯厚度可达到600～1300mm，最大单重达到100t以上，可用于大功率汽轮发电机组、海洋石油平台、船舶、桥梁、军舰、坦克装甲板、原子能发电站、大型模具钢、建筑结构、锅炉和压力容器等特殊用途特厚板的生产，既具有模铸钢锭生产特厚板的大单重、大压缩比优点，同时又具有连铸坯生产特厚板所具有的组织细化、内部质量好、生产效率高、成材率高等优点。此外，在复合过程中通过微调复合层的化学成分，减少钢板厚度效应、提高特厚钢板性能均匀性。还可采用异种钢种复合，生产特殊复合钢板。

附图说明

图1为本明特厚板坯浇铸原理示意图；

图2为本发明三坯复合时浇铸型腔的结构示意图；

图3为本发明密封垫的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，由连铸坯1和2及侧边连续进给的薄金属带⑥构成的金属型腔，类似于连铸结晶器，其与连铸结晶器的区别在于其随着钢水充填过程的进行向下垂直移动而非以一定频率振动。连续进给的薄金属带⑥相当于形成的初生坯壳，在冷却过程中，钢水在其上不断凝固，使坯壳厚度逐渐增加。在铸坯下移过程中周围采用水或其它介质⑤对连铸坯进行强制冷却，相当于连铸的二冷。通过控制浇注速度、冷却方式和垂直移动速度，控制合理的冶金长度，保证在2～3组铸坯高度范围内实现完全凝固，以便控制设备总体高度。示意图图示为①、②、③三组在浇铸中，其中①组正在浇铸中，②组正在凝固中，③组凝固完成可以进行切割断开，④为组与组之间的密封垫，防止浇铸时钢液泄漏。但是实际生产不限于三组，具体组数要根据钢种、连铸坯尺寸及凝固速度等因素而灵活确定。

根据内部的液芯凝固位置，可以在适当高度设立具有压下功能的夹送辊进行强制压下，类似于连铸的轻压下功能，或者在切割后转置90°，在专用的水平二辊轧机(类似于初轧机)上进行一定变形量的压下轧制，借助于不均匀变形，使内部高温部分压实、焊合。

像平行板式中厚板坯连铸结晶器中的结晶过程那样，钢水凝固过程平稳而均匀，通过控制浇注速度、冷却方式和垂直移动速度以控制冶金长度，实现50～200mm厚度的型腔充填。浇注***⑧，包括钢包、浇注水口等。为了从连铸坯侧面伸入到浇注型腔内，浇注水口与一般连铸水口不同，可采用直弯式、弧形、组合式等形式。如果采用3块连铸坯进行复合，则需要两套浇注***从铸机的一侧或两侧对型腔的两个部分分别进行同时浇注充填(图2)。成型辊组⑦具有激冷作用，将薄金属带压紧在连铸坯侧面并成型以防止钢水泄漏，也可以采用公知的链条式、履带式等激冷块，这些具有激冷作用的辊或链条结节块由导热性能良好的铜或其合金制造而成，其中通过冷却水进行冷却。薄金属带宽度及成型后的形状要保证能够补偿连铸坯和密封垫长度方向的加工误差(图2)。为了密封良好防止钢水泄露，在连铸坯各组型腔之间的接触处要放置密封垫，也可以采用石棉条(布)、合箱泥条等进行密封。连铸坯两侧与薄金属带接触处，也可照此进行密封。

浇注***之所以从铸坯的一侧或两侧对型腔进行浇注充填而不是像通常连铸机那样从结晶器上方进行浇注，是为了便于各组型腔装配时连铸坯的吊运。当然，如果仅仅使用2块连铸坯进行复合，也可以像通常连铸机那样从结晶器上方进行浇注，但是需要较长的浇注水口，同时连铸坯各组型腔装配时需要采用特殊的吊运和夹送装置。

在一个浇次的最后一块连铸坯型腔之上，可设计安装相应的保温帽，以保证一浇次最后一块钢坯的内部质量。保温帽设计可采用公知的知识进行。

该方法除了进行连续生产外，也可以进行单件生产，此时与模铸相同，每一坯需要一个保温帽。但是保温帽要比同等重量钢锭的保温帽小得多。

如采用连铸坯的规格为300×2300×5200mm，假设型腔充填厚度150mm，采用薄钢带厚度2mm，宽度大于复合坯厚度50mm。

若采用两块复合：

复合连铸坯厚度2×300+150＝750mm

复合连铸坯重量750×2300×5200×7.85×10^-9＝70.39(t)；

消耗薄钢带2×(750+50)×2300×2×7.85×10^-9＝0.058(t)

若采用三块复合：

复合连铸坯厚度3×300+2×150＝1200mm

复合连铸坯重量1200×2300×5200×7.85×10^-9＝112.69(t)。

消耗薄钢带2×(1200+50)×2300×2×7.85×10^-9＝0.090(t)

消耗薄钢带所占钢坯重量的比例为0.08％。

如果按照日本新日铁公司名古屋厂建成的兼具模铸和连铸优点的新型铸机生产的板坯轧制特厚板的生产实践经验，生产优质超厚钢板的压缩比为2即可满足要求，则可生产的最大钢板厚度600mm。

如果参照JFE公司采用高质量连铸板坯，通过锻造-轧制工艺制造特厚钢板的技术，生产优质超厚钢板的压缩比为1.25即可满足要求，则可生产的最大钢板厚度960mm。

Claims (9)

1.一种大型特厚板坯，其特征在于：由2块或2块以上的连铸坯和其之间浇注的钢水凝固复合层所构成。

2.一种用于权利要求1所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于：以2块或2块以上的连铸坯及其侧边连续进给的金属带构成金属型模腔，向模腔内浇注钢水。

3.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于在构筑金属型模腔之前对需要复合的连铸坯进行表面处理，处理后的连铸坯表面粘结一层含有铝热剂和造渣剂的涂层。

4.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于根据钢种不同，浇铸前将连铸坯预热到一定温度，或利用连铸坯下线后的余热进行浇铸，预热温度控制在100℃～600℃。

5.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于在铸造过程中采用水、水雾、气雾或气体等介质对铸坯和金属带进行强制冷却，钢水浇铸过热度控制在30℃以下。

6.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于浇铸过程采用Ar或He、Ne、Kr、Xe等惰性气体保护浇铸，或采用保护渣保护浇铸。

7.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于复合模腔宽度即复合层厚度控制在50mm～200mm，连铸复合过程对铸坯实施强制压下，压缩变形量使复合层变形达到其厚度的10％～30％。

8.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于构成各组型腔的连铸坯之间的接触处要放置密封垫，密封垫采用极薄软钢钢带制造，制成具有良好成型性能的半封闭空腔，中间用形状适应性和火焰切割性能良好的材料进行充填。

9.根据权利要求2所述的大型特厚板坯的生产方法，其特征在于在铸坯两侧采用金属带成型辊组，金属带的宽度及成型后的形状要保证能够补偿连铸坯和密封垫长度方向的加工误差，或者采用链条式激冷块将金属带压紧，成型辊组或激冷块采用导热性良好的Cu及其合金制成。

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