TW202308766A - 負偏析鋼胚及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種連鑄鑄胚及負偏析鋼胚之製造方法。此製造方法係藉由連鑄製程來製作扁鋼胚。於凝固步驟時,對半凝鑄胚進行壓輥步驟,以形成負偏析鋼胚。其中,壓輥步驟係利用壓輥輥輪及固定輥輪進行。所製得之負偏析鋼胚的心部具有負偏析組織,但不具有微縮孔,而可滿足應用之需求。
Description
本發明係有關一種鋼胚及其製造方法,特別是提供一種可使鋼胚心部具有負偏析組織,但不具有微縮孔的製造方法。
傳統連鑄製程利用多個輥輪或者多組輥輪組(Segment)對未完全凝固之鑄胚適當壓下,即可製得品質良好的鑄胚,此即所謂的輕壓下(Soft reduction)製程。然而,凝固過程中半凝鑄胚心部之樹枝狀結晶架橋,且熔融鋼液未補充至半凝鑄胚之心部時,或者次枝晶臂之間隙凝固,所製得鑄胚心部將會形成縮孔,或者尺寸更小之微縮孔,而於心部形成結構缺陷。一般縮孔缺陷在鋼胚橫斷面上經過簡易的研磨,或者腐蝕後,肉眼可輕易辨識。微縮孔則是尺寸小於1公釐的細小缺陷,即便鋼胚橫斷面經過研磨與腐蝕也無法以肉眼辨別。傳統輕壓下製程因為壓下量小,主要在於補償鑄胚冷卻與凝固變態的收縮量,對於傳統縮孔缺陷能達到一定程度的改善,但對尺寸更小且密集的微縮孔則不具改善效果。
當鑄胚欲製造成大尺寸棒鋼或超厚鋼板等鋼材時,由於成品的厚度較大,而降低軋延比,故軋延製程無法癒合前述鑄胚心部之縮孔與微縮孔等缺陷。這些缺陷會降低鋼材心部之疲勞壽命與拉伸強度。甚至,當鋼材應用於低溫環境時,這些缺陷會脆化心部組織,降低鋼材之低溫衝擊韌性,以致於無法滿足鋼材之規格需求而成為高品級大尺寸棒鋼與超厚鋼板的生產技術瓶頸。
為了消除鑄胚心部之縮孔及微縮孔,一般係藉由動態輕壓下(Soft reduction)製程,以多對輥輪或多組輥輪組(Segment)輕壓半凝鑄胚,消除鑄胚心部之縮孔。其中,動態輕壓下系統具有多對輥輪或多組輥輪組,彼此間之距離(即成對之壓輥輥輪的間距)可動態調整,以滿足不同鋼種與澆速的動態輕壓下需求。在輕壓半凝鑄胚時,動態輕壓下系統係藉由多對壓輥輥輪或多組輥輪組對鑄胚施以較小之壓下力補償鋼胚冷卻收縮與鋼液凝固收縮量,避免樹枝晶架橋後產生疏鬆組織,同時也避免心部凝固收縮後將前端高濃度鋼液吸入,而凝固形成正偏析組織。然而,動態輕壓下系統設備成本與維護成本都比較高,同時需要較佳的使用技術才能獲致改善效果。前述之正偏析組織係指其合金含量高於鋼胚整體之合金含量的平均值。其中,尤以鋼胚中之碳元素更易形成正偏析組織。由於正偏析組織具有較高之碳含量,故其易提升心部脆性與硬化能,而影響鋼胚性質,並降低其加工性,進而無法滿足應用之需求。
另一種方法係在連鑄製程中,進行凸肚(bulge)控制,再搭配動態輕壓下製程擠壓未完全固化之鑄胚,以消除鑄胚心部大部分之縮孔,但此方法無法改善微縮孔。此外,於連鑄製程中,又一種方法係利用動態輕壓下系統進行凸肚(bulge)控制,並於凝固末端對鑄胚大壓下量,以消除鑄胚心部縮孔與微縮孔。然而,此方法鑄機需具備動態輕壓下系統才能進行凸肚控制,而且壓下之負荷極大,一般鑄機需要進行改造。
有鑑於此,亟須提供一種負偏析鋼胚及其製造方法,以改進習知鋼胚及其製造方法之缺陷。
因此,本發明之一態樣是在提供一種負偏析鋼胚的製造方法,其係藉由對半凝鑄胚進行壓輥步驟,以形成心部具有負偏析組織之鋼胚。
本發明之另一態樣是在提供一種負偏析鋼胚,其係利用前述之方法所製得。
根據本發明之一態樣,提出一種負偏析鋼胚的製造方法。此製造方法係先提供合金鋼液,並對此合金鋼液進行連鑄製程。其中,連鑄製程係先對合金鋼液進行凝固步驟,以形成半凝鑄胚。當半凝鑄胚之中心固化率大於或等於0.8且小於1.0時,對半凝鑄胚進行壓輥步驟,以製得負偏析鋼胚。壓輥步驟係利用一對壓輥輥輪及固定輥輪進行。所製得負偏析鋼胚之心部的偏析程度滿足下示之關係式。
前述之連鑄製程排除進行凸肚(bulge)步驟,且壓輥步驟排除利用動態輕壓下(Soft reduction)系統進行。
依據本發明之一些實施例,前述合金鋼液之碳含量大於0重量百分比且小於或等於1重量百分比。
依據本發明之一些實施例,前述壓輥輥輪之擠壓距離為4公釐至20公釐。
依據本發明之一些實施例,前述之壓輥輥輪為上輥輪,且固定輥輪為下輥輪。
依據本發明之一些實施例,前述之壓輥輥輪為凸型輥或平輥,且固定輥輪為平輥。
依據本發明之一些實施例,當前述之壓輥輥輪為凸型輥時,半凝鑄胚為直角胚。
依據本發明之一些實施例,當前述之壓輥輥輪為平輥時,半凝鑄胚為倒角胚。
依據本發明之一些實施例,前述凸型輥之壓輥表面的寬度大於負偏析鋼胚之兩個三叉點的間距。
依據本發明之一些實施例,前述寬度與間距的差值係大於0公釐且小於或等於200公釐。
根據本發明之另一態樣,提出一種負偏析鋼胚,其係利用前述之方法所製造。其中,負偏析鋼胚之心部具有負偏析組織,但其心部不具有微縮孔。
應用本發明負偏析鋼胚及其製造方法,其藉由澆鑄特定碳含量之合金鋼液,以形成半凝鑄胚。然後,利用一對輥輪對半凝鑄胚進行壓輥步驟,並利用其中之壓輥輥輪於特定之中心固化率重壓半凝鑄胚,以擠出半凝鑄胚心部中之熔融鋼液,而完全癒合縮孔與微縮孔,進而使鋼胚心部形成負偏析組織。
以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而,可以理解的是,實施例提供許多可應用的發明概念,其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明,並非用以限定本發明之範圍。
請參照圖1,其係繪示依照本發明之一些實施例之負偏析鋼胚的製造方法之流程圖。方法100係先提供合金鋼液,如操作110所示。然後,對合金鋼液進行連鑄製程120。於連鑄製程120中,先對合金鋼液進行凝固步驟,以形成半凝鑄胚,如操作121所示。其中,半凝鑄胚係指表面已凝固形成凝殼,惟半凝鑄胚心部之合金鋼液仍為熔融態,尚未凝固。
隨著連鑄製程之輥輪輸送,以及半凝鑄胚之溫度降低,當半凝鑄胚之中心固化率(central solid fraction)大於或等於0.8且小於1.0時,對半凝鑄胚進行壓輥步驟,即可製得本發明之負偏析鋼胚,如操作123及操作130所示。在一些實施例中,壓輥步驟較佳可於中心固化率為0.8至0.95時進行,且更佳可於中心固化率為0.8至0.9時進行。若壓輥步驟不在前述之中心固化率進行時,半凝鑄胚將已完全凝固,或所形成之凝殼無法負荷壓輥步驟所施加之下壓應力。
在一些實施例中,上述壓輥步驟係利用一對輥輪進行,且此對輥輪包含壓輥輥輪及固定輥輪。其中,壓輥輥輪可為凸型輥或平輥,且固定輥輪為平輥。再者,壓輥輥輪係可上下移動的,惟固定輥輪係固定不動的。換言之,當壓輥步驟進行時,半凝鑄胚係被壓輥輥輪擠壓。在一些實施例中,壓輥輥輪可為半凝鑄胚上之輥輪(亦即壓輥輥輪為上輥輪,且固定輥輪為下輥輪),故壓輥輥輪係以朝下之方式壓輥半凝鑄胚之上凝殼。在一些實施例中,壓輥輥輪較佳係設置於半凝鑄胚之上方,並以朝下之方式壓輥上凝殼,使上凝殼可與下凝殼更緊密結合。在一些實施例中,壓輥輥輪之擠壓距離(依據壓輥輥輪與半凝鑄胚之相對關係,此擠壓距離係指壓輥輥輪之壓下距離)可為4公釐至20公釐。在一些實施例中,壓輥輥輪之擠壓距離較佳可為4公釐至12公釐,且更佳可為6公釐至10公釐。
於本發明中,若半凝鑄胚上之輥輪(即上輥輪)與半凝鑄胚下之輥輪(即下輥輪)同時擠壓半凝鑄胚時,雖然半凝鑄胚之上凝殼與下凝殼易於接觸結合,但上凝殼與下凝殼之凝固界面易產生過大之應變,而導致內裂。若前述之上輥輪為固定輥輪,且下輥輪為擠壓輥輪時,受到重力影響,鑄機須耗費較大之力量才可抬升擠壓輥輪,並使上凝殼與下凝殼接觸結合。
若壓輥輥輪設置於半凝鑄胚之上,當壓輥步驟進行時,壓下之壓輥輥輪可施力於半凝鑄胚之上凝殼上,而使上凝殼與下凝殼凝固結合,其中半凝鑄胚心部之熔融鋼液係朝連鑄方向之反方向被擠壓出,進而可消除所製得負偏析鋼胚之微縮孔。其次,藉由壓輥輥輪之下壓,所製得之鋼胚的心部可具有負偏析組織,而可滿足應用之需求。其中,鋼胚心部之偏析程度滿足下示之迴歸關係式。
在一些實施例中,C0所代表之碳含量通常可為第二次取樣測得之鋼液碳含量。舉例而言,每爐鋼液之總重為145噸,當鋼液開始澆鑄後,剩餘鋼液噸數為130噸、100噸與70噸時會取樣測成分。一般係以第二次取樣之結果作為每爐鋼液之代表成分。惟,本發明不以此為限,在其他實施例中,C0亦可代表負偏析鋼胚的平均碳含量。可理解的,依據C0之碳含量,本發明之方法100所製得之鋼胚的偏析程度可藉由上式算得。在一些具體例中,基於合金鋼液之重量為100重量百分比,上式之C0可為大於0重量百分比且小於或等於1重量百分比。在其他具體例中,基於合金鋼液之重量為100重量百分比,上式之C0可為0.05重量百分比至0.85重量百分比。
若前述壓輥輥輪之擠壓距離小於4公釐時,過小之擠壓距離無法提供充足的微縮孔癒合效果,而使後續所製得之鋼胚的心部負偏析特徵不顯著,且心部易殘留微縮孔缺陷。若前述壓輥輥輪之擠壓距離大於20公釐時,半凝鑄胚心部中之熔融鋼液可完全地被擠出並癒合縮孔與微縮孔,但過大之擠壓距離將造成胚厚過薄,同時造成負載遽增,而須巨型化鑄機設備,進而增加設備成本。
據此,當前述半凝鑄胚之中心固化率小於0.8時,由於心部未完全凝固的厚度會急遽增加,隨然可藉由提升壓輥之擠壓距離來使上凝殼與下凝殼接觸結合,但過大之擠壓距離亦容易造成凝固界面產生過大的應變,而引發內裂。若半凝鑄胚之中心固化率不小於1.0時,半凝鑄胚心部之熔融鋼液已完全凝固,偏析狀態已無法改善,而使得壓輥輥輪須施加更大之擠壓力,方可癒合縮孔與微縮孔缺陷。然而,更大之擠壓力則需要更大型之鑄機設備才可實施,而大幅提升鑄機之設備成本。
依據前述之說明可知,本發明負偏析鋼胚的製造方法於特定之中心固化率時,藉由壓輥輥輪重壓半凝鑄胚之凝殼,以擠壓出半凝鑄胚心部之熔融鋼液,而凝固結合上凝殼及下凝殼。據此,本發明之半凝鑄胚不須凸肚控制,故本發明之連鑄製程排除進行凸肚步驟。
請同時參照圖2A及圖2B,其中圖2A係繪示依照本發明之一些實施例進行壓輥步驟時,壓輥裝置之立體示意圖,且圖2B係繪示依照本發明之一些實施例沿著壓輥輥輪之軸心剖切之壓輥輥輪的剖面示意圖。於圖2A中,方向230a為負偏析鋼胚230之連鑄方向。壓輥裝置200可包含壓輥輥輪210及固定輥輪220,其中負偏析鋼胚230為直角胚,壓輥輥輪210為凸型輥,且固定輥輪220為平輥。壓輥輥輪210具有凸起之壓輥表面211,壓輥表面211之寬度W係大於負偏析鋼胚之兩個三叉點231之間距D。此處所述之「三叉點」係指以垂直方向230a之方式剖切負偏析鋼胚230,負偏析鋼胚230之一窄邊的兩個角落分別描繪一條虛擬線,此兩條虛擬線之交點即為三叉點231。相同地,於負偏析鋼胚230之另一窄邊,藉由兩個角落所繪示之虛擬線的交點,亦可獲得另一三叉點231。其中,前述虛擬線與負偏析鋼胚230之窄邊的夾角α
1及α
2(或者α
3及α
4)均約45度。三叉點231之形成係合金鋼液於前述之凝固步驟中,寬面與窄面鋼液表面由外至內冷卻所產生之巨觀組織邊界,且其可藉由適當腐蝕方法顯現出來。
一般而言,由於三叉點231係合金鋼液逐漸冷卻所產生之巨觀組織邊界,故負偏析鋼胚230之三叉點231的位置係相同於半凝鑄胚233之三叉點的位置。當半凝鑄胚233通過壓輥輥輪210時,壓輥輥輪210之壓下會使得半凝鑄胚233心部之熔融鋼液朝向方向230a之反方向被擠出,而使上凝殼與下凝殼結合,並形成負偏析鋼胚230。據此,若前述壓輥表面211之寬度W小於三叉點231之間距D,由於部分熔融鋼液未被擠壓出,故兩個三叉點231間的區域則存有過多之熔融鋼液,而易產生正偏析及/或縮孔。在一些實施例中,前述寬度W與間距D之差值係大於0公釐且小於或等於200公釐,較佳可為大於0公釐且小於或等於160公釐,更佳可為20公釐至60公釐。在一些實施例中,為了使所製得之負偏析鋼胚230的內部具有均一的性質,前述之差值較佳係均分於壓輥輥輪210之兩端。換言之,沿著壓輥輥輪210之軸心方向,壓輥輥輪210之單邊超出三叉點231之距離即為前述差值的一半。
在一些具體例中,當半凝鑄胚之胚寬為1880公釐,且壓輥輥輪之壓下量為10公釐時,對於半凝鑄胚心部之壓縮量,平輥之壓輥輥輪與凸型輥之壓輥輥輪兩者對鋼胚心部的擠壓效果是相近的。換言之,平輥之壓輥輥輪與凸型輥之壓輥輥輪對半凝鑄胚均可產生相近之壓縮效果。惟,相較於平輥之壓輥輥輪的壓下力為100%,凸型輥之壓輥輥輪的壓下力僅為88%。當本案之壓輥輥輪使用凸型輥時,壓輥輥輪可更有效地壓輥半凝鑄胚,而獲得較佳之壓輥效率。其原因在於凸型輥的壓下寬度比平輥小,而且平輥會壓到溫度較低強度較高的窄邊凝殼,因而凸型輥的負載係低於平輥之負載。據此,當半凝鑄胚為直角胚時,其窄邊凝殼具有較大之阻抗,故為了提升壓輥效率,所使用之壓輥輥輪較佳可為凸型輥。
在其他實施例中,請參照圖3,其係繪示依照本發明之一些實施例進行壓輥步驟時,壓輥裝置之立體示意圖。壓輥裝置300與壓輥裝置200之配置大致上相同,兩者之差異在於壓輥裝置300之負偏析鋼胚330為倒角胚(即利用倒角模製成之鋼胚),而壓輥輥輪310為平輥。由於負偏析鋼胚330為倒角胚,故壓輥輥輪下壓時不易壓到阻抗較高的窄邊凝殼,而可利用平輥來進行壓輥步驟。
可理解的,經由本發明之製造方法,不論是直角胚或倒角胚,經壓輥輥輪進行壓輥步驟後,所形成之負偏析鋼胚的心部均可由正偏析轉變為負偏析,而可滿足應用之需求。其中,所形成之偏析程度與合金鋼液之碳含量有關。
在一些應用例中,本發明係利用具有特定碳含量之合金鋼液來形成半凝鑄胚,再對半凝鑄胚進行壓輥步驟,而可形成負偏析鋼胚。其中,壓輥步驟係藉由一對輥輪進行,並於半凝鑄胚將完全凝固時,利用壓輥輥輪重壓半凝鑄胚之凝殼,以迫使半凝鑄胚心部之熔融鋼液朝連鑄方向之反方向擠出,而可消除鋼胚心部之微縮孔,並使鋼胚心部由正偏析狀態轉變為負偏析狀態,進而可滿足於各種應用之需求。雖然現有之動態輕壓下系統可用以解決鋼胚之心部縮孔,但動態輕壓下系統須設置多對且彼此間距可調整之輥輪。相較於動態輕壓下技術,本發明之壓輥步驟不須搭配動態輕壓下系統即可進行,故設備較為簡單,且可大幅降低設備複雜度,又減少壓輥裝置之維護成本。
再者,本發明連鑄製程所形成之半凝鑄胚及負偏析鋼胚均為板材形狀之鋼胚,並藉由壓輥輥輪重壓凝殼,以擠壓出半凝鑄胚心部之熔融鋼液,而凝固結合上凝殼及下凝殼。據此,本發明之半凝鑄胚不須形成凸肚結構,故本發明之連鑄製程排除進行凸肚步驟,而使連鑄製程可適用於各種規格之鋼胚,並可大幅降低裝置之維護成本。
以下利用實施例以說明本發明之應用,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾。
實施例
首先,提供合金鋼液,並對合金鋼液進行連鑄製程之凝固步驟,以形成半凝鑄胚。然後,當半凝鑄胚將完全凝固(亦即半凝鑄胚之中心固化率大於或等於0.8且小於1.0)時,對半凝鑄胚進行壓輥步驟,即可製得實施例之負偏析鋼胚。其中,於澆鑄中期時,合金鋼液之碳含量為0.1483重量百分比。沿著垂直於連鑄方向的方向,剖切實施例所製得之負偏析鋼胚,以獲得剖切後之露出面。接著,以光放射光譜(optical emission spectroscopy;OES)來測量露出面之碳含量與錳含量。其結果如圖4所示。
於圖4中,橫軸為鋼胚厚度,其中「0」代表鋼胚之中心位置(相當於心部位置),且正值與負值分別代表從鋼胚之中心位置,沿著鋼胚厚度方向,往上或往下的距離;縱軸為
偏析程度,其中
偏析程度為1.0代表未有偏析,
偏析程度小於1.0代表負偏析狀態,而
偏析程度大於1.0代表正偏析狀態。
如圖4所示,於鋼胚之心部位置(即橫軸為0的位置),碳與錳均呈現負偏析狀態。
依據前述之說明及評價結果可知,本發明負偏析鋼胚的製造方法係利用特定碳含量之合金鋼液來澆鑄形成半凝鑄胚,再藉由一對輥輪對半凝鑄胚進行壓輥步驟,而可製得負偏析鋼胚。其中,本發明藉由壓輥輥輪對半凝鑄胚重壓下,以擠壓出半凝鑄胚心部之熔融鋼液,而可使心部之正偏析狀態轉變為負偏析狀態,並有效消除鋼胚心部(即三叉點間之區域)的微縮孔,進而可製得滿足應用需求的負偏析鋼胚。
其次,本發明之製造方法不須進行凸肚步驟,且不須利用動態輕壓下系統進行凸肚控制,而可滿足各種規格之鋼胚的製程需求,並大幅降低連鑄裝置之維護成本。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:方法
110,121,123,130:操作
120:連鑄製程
200,300:壓輥裝置
210,310:壓輥輥輪
211,311:壓輥表面
220,320:固定輥輪
230,330:負偏析鋼胚
230a,330a:方向
231,331:三叉點
233,333:半凝鑄胚
W:寬度
D:間距
α
1/α
2/α
3/α
4:夾角
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
100:方法
110,121,123,130:操作
120:連鑄製程
Claims (10)
- 一種負偏析鋼胚的製造方法,包含: 提供一合金鋼液;以及 對該合金鋼液進行一連鑄製程,其中該連鑄製程包含: 對該合金鋼液進行一凝固步驟,以形成一半凝鑄胚;以及 當該半凝鑄胚之一中心固化率為大於或等於0.8且小於1.0時,對該半凝鑄胚進行一壓輥步驟,以製得該負偏析鋼胚,其中該壓輥步驟係利用一壓輥輥輪及一固定輥輪進行,且該負偏析鋼胚之一心部的一偏析程度滿足下示之關係式: 其中, 代表該心部的該偏析程度, 為1.0代表該心部無偏析, 小於1.0代表該心部係負偏析, 大於1.0代表該心部係正偏析;C代表該心部的碳含量;而C0代表該合金鋼液之碳含量,且 其中,該連鑄製程排除進行一凸肚(bulge)步驟,且該壓輥步驟排除利用一動態輕壓下(Soft reduction)系統進行。
- 如請求項1所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中該合金鋼液之該碳含量大於0重量百分比且小於或等於1重量百分比。
- 如請求項1所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中該壓輥輥輪之一擠壓距離為4公釐至20公釐。
- 如請求項1所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中該壓輥輥輪為一上輥輪,且該固定輥輪為一下輥輪。
- 如請求項1所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中該壓輥輥輪為一凸型輥或一平輥,且該固定輥輪為一平輥。
- 如請求項5所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中當該壓輥輥輪為該凸型輥時,該半凝鑄胚為一直角胚。
- 如請求項5所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中當該壓輥輥輪為該平輥時,該半凝鑄胚為一倒角胚。
- 如請求項5所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中該凸型輥之一壓輥表面之一寬度大於該負偏析鋼胚之三叉點之一間距。
- 如請求項8所述之負偏析鋼胚的製造方法,其中該寬度與該間距之一差值係大於0公釐且小於或等於200公釐。
- 一種負偏析鋼胚,利用如請求項1至9中之任一項所述之方法所製造,其中該負偏析鋼胚之一心部具有負偏析組織,且該心部不具有微縮孔。
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