采用低压脉冲电流改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法

摘要

本发明公开了一种采用低压脉冲电流改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法，属于改善铸坯角部裂纹和热送裂纹的技术领域。本发明是当含铌钢铸坯在进入矫直区前或者铸坯出连铸机被切割后，对上述的含铌钢铸坯施加一脉冲电流，所述的脉冲电流参数为：脉冲电压2～20V，脉冲电流30～120A，脉冲频率15～40Hz；所述的含铌钢为ω[C]<0.25%的含铌低碳钢，其中0.01%≤ω[Nb]≤0.40%。本发明通过施加低压脉冲电流，改变了含铌低碳钢铸坯的微观组织，提高了铸坯高温力学性能，从而有效减少了铸坯的角部裂纹和热送（红送）裂纹，且本发明的方法不影响正常的生产，且不需要改变现有生产工艺，不需要添加合金元素，对铸坯及设备无污染，对人员无危害，是一项环保安全的减少铸坯缺陷的新技术。

说明书

技术领域

本发明属于改善铸坯角部裂纹和热送裂纹的技术领域，更具体地说，涉及一种采用低压脉冲电流改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法，通过施加一低压脉冲电流改善含铌钢铸坯微观组织和高温力学性能，本发明尤其适用于易产生铸坯角部裂纹、热送（红送）裂纹的钢种。

背景技术

在20世纪90年代各国相继实施的超级钢研究计划或新一代钢铁材料研究计划中，微合金元素的碳氮化物被广泛应用于调节形变奥氏体再结晶行为和阻止晶粒长大，起到提高钢材强度和韧性的作用。微合金化技术现在正被用于更加广泛的领域，如中碳非调质钢、重轨钢、工具钢等。而随着微合金钢的产量大幅提高（翁宇庆,杨才福,尚成嘉.低合金钢在中国的发展现状与趋势. 钢铁,2011,46(9):1-10），微合金钢连铸坯频繁出现的缺陷越来越被关注，尤其是含铌微合金钢。

近年来，国内外冶金工作者将研究的焦点集中在NbCN对微合金钢铸坯高温延塑性的影响上（朱正海. 连铸、输送、加热过程微合金钢中第二相析出与固溶行为研究. 北京:钢铁研究总院,2010）。虽然在轧制过程中，NbCN的析出行为对提高钢材的强度和韧性具有非常有益的作用。但是，在连铸过程中，当铸坯微观组织发生奥氏体γ→铁素体α相变时，由于NbCN在α相中的溶度积远小于在γ相中，导致NbCN沿γ晶界的膜状先共析α中大量析出，降低了铸坯高温延塑性，在铸坯角部振痕处极易产生角部裂纹（K.Toru, I.Yoshiki, K.Masayuki et al. Prevention of Slab Surface Transverse Cracking by Microstructure Control. ISIJ International, 2003,43(11):1742 -1750；I.Yoshiki,K.Toru,Y.Akihiro. Improvement of hot ductility in continuously cast strand by ferrite precipitation control. TETSU-TO-HAGANE,2003,89(10):1023-1030；朱国森,朱志远,王彦锋等. 含铌钢板角部横裂纹的控制. 钢铁,2006,41(12):30）。另外夏文勇、朱正海等人（夏文勇,朱正海,干勇. 微合金钢红送裂纹形成的试验研究. 钢铁,2011.46(12):29-32）研究表明，微合金钢的热送裂纹也与NbCN沿γ晶界的膜状先共析α析出有关。这些问题产生的根源就在于NbCN的析出行为受到了γ→α相变的影响。那么如果改变NbCN的析出行为并反过来影响γ→α相变，就有可能提高微合金钢铸坯的高温延塑性。

目前，钢铁厂的实际生产过程中产生的铸坯角部裂纹和热送裂纹，实际采用的解决方法是：对于角部裂纹，一般采用铸坯下线后人工火焰清理或切除角部的方法，该方法不但降低了生产的效率，而且提高了生产的成本；对于热送裂纹，一般采用铸坯冷却后再送加热炉加热的方法，该方法不但影响了生产的顺行，而且高温铸坯所含的大量热量被浪费。

现有研究中，人们对于如何干预NbCN析出行为从而改变其与γ→α相变的相互作用，研究的非常少。国外仅Toru、Yoshiki等（K.Toru, I.Yoshiki, K.Masayuki et al. Prevention of Slab Surface Transverse Cracking by Microstructure Control. ISIJ International, 2003,43(11):1742 -1750；I.Yoshiki,K.Toru,Y.Akihiro. Improvement of hot ductility in continuously cast strand by ferrite precipitation control. TETSU-TO-HAGANE,2003,89(10):1023-1030）进行了这方面的研究，他们通过研究指出，改变铸坯表面的热履历可以改善含Nb微合金钢铸坯的高温延塑性（主要是第                                               脆性区）。具体过程为：将铸坯表面温度从高温区域以极快速率冷却至γ→α相变点以下，由于过冷和α相的生成，NbCN在γ＋α相中快速析出。再将铸坯表面温度在极短时间内加热至γ区域，然后温度再次下降，高温固溶时部分残存的NbCN将成为α相析出的形核点，由此抑制膜状α相沿γ相晶界生成，形成塑性较好的显微组织。

这种方法取得了较好的效果，为改善含Nb微合金钢铸坯的高温延塑性提供了新思路，但因为短时间内温度波动过于剧烈，可控性不佳，实施难度较大，容易形成新的质量缺陷，所以尚未能大面积推广使用。

近年来，国内外的一些学者尝试在脉冲电流作用下改善固相金属材料的组织，并取得了一些成果。Conrad.H发现（Conrad, H. Effects of electric current on solid state phase transformations in metals. Materials Science & Engineering A (Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing), 2000）脉冲电流对固态金属中的析出相的析出行为具有显著影响，主要的影响因素为材料类型、电流密度、电流频率。Yang Liu认为（Yang Liu,Lei Wang,Yuchen Wang, et al. Effects of Electropulsing Treatment on the Precipitation Behaviour of Grain Boundary Carbides in GH3044 Alloy. Materials Science Forum, Switzerland: Trans Tech Publications Ltd,2010）脉冲电流对GH3044合金中碳化物析出是有影响的，脉冲处理改变了碳化物析出的热力学和动力学条件，选择合适的脉冲参数，有利于碳化物的析出，表现为开始析出温度降低，析出相的总量增加。王建军等（王建军，周俐，李强等. 脉冲电流对钢凝固组织的影响. 钢铁研究学报,2007,19 (5):49-53）研究发现脉冲电流处理能够提高等轴晶形核率，细化晶粒，对改善连铸坯凝固组织具有显著效果。

此外，中国专利号ZL200810151116.X，授权公告日为2010年10月27日，发明创造名称为：一种采用高压电脉冲改善碳钢凝固组织的方法，该申请案的方法是在连续铸钢的中间包和连续铸钢的结晶器中或者在模铸的铸型中，对碳钢凝固过程或凝固前施加一选定的高压电脉冲，所述高压脉冲的参数为：脉冲电压1000V~3900V，脉冲频率0.50Hz~1.50Hz，脉冲电容100μF~500μF。该方法尤其适应于改善凝固组织中晶粒粗大，树枝晶发达，易产生成分偏析的钢种，以增加金属凝固的形核率，减少树枝晶，增加等轴晶，减少凝固组织的内裂纹、缩孔和疏松，改善成份偏析。上述方法是采用脉冲电流改善凝固组织，其所称的凝固组织指：钢水在凝固过程中形成的树枝晶、等轴晶、疏松和偏析等宏观组织形貌，在低倍（<10倍）状态下通过酸蚀即可观察到。且该申请案中采用的脉冲电压为1000V~3900V的高压电脉冲，电力消耗较大。

但至今，尚未有研究者将脉冲电流处理应用于改善冶金过程连铸坯的微观组织，本发明中所称的微观组织指：钢水凝固之后随温度变化的固相微观组织，即在显微镜下当放大倍数50倍以上时观察到的碳在α－Fe或γ→Fe中形成的固溶体，通常称为铁素体（α）、奥氏体（γ）。特别指出的是：铸坯的微观组织与铸坯的凝固组织是完全不同的两个概念。此外，现有技术中含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的问题急需解决，以提高含铌钢铸坯质量。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中的含铌低碳钢在铸坯角部振痕处极易产生角部裂纹，以及热送（红送）裂纹的不足，提供一种采用低压脉冲电流改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法，本发明通过抑制含铌钢铸坯在冷却过程中先共析铁素体网膜在奥氏体晶界的形成，提高铸坯的力学性能，减少铸坯缺陷。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种采用低压脉冲电流改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法，是当含铌钢铸坯在进入矫直区前或者铸坯出连铸机被切割后，对上述的含铌钢铸坯施加一脉冲电流，所述的脉冲电流参数为：脉冲电压2～20V，脉冲电流30～120A，脉冲频率15～40 Hz。

更进一步地，对所述的含铌钢铸坯施加脉冲电流时，含铌钢铸坯的温度为1000～750℃。

更进一步地，所述的含铌钢为ω[C]<0.25%的含铌低碳钢，其中0.01%≤ω[Nb]≤0.40%。

采用本发明的方法对含铌钢铸坯施加低压脉冲电流后，铸坯中具体的相变过程推测如下：对铸坯进行脉冲电流处理后，促进了铸坯中析出相NbCN的析出，当铸坯温度降至A3点（奥氏体/铁素体相变点）以下，铸坯内的微观组织开始奥氏体γ→铁素体α相变，之前析出的NbCN能够在奥氏体晶粒内向铁素体的形核提供大量的形核质点，使得铁素体能够在奥氏体晶粒内形核析出，改变铁素体仅在奥氏体晶界形核析出的特点，从而抑制奥氏体晶界的膜状铁素体的生成。通过这种方法可以改变含铌低碳钢铸坯的微观组织，提高铸坯高温力学性能，减少铸坯的角部裂纹和热送（红送）裂纹。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明通过在含铌钢铸坯进入矫直区前或者铸坯出连铸机被切割后，对铸坯施加一脉冲电流，改变了铸坯的微观组织，提高了铸坯的力学性能，铸坯角部振痕处的角部裂纹减少80%以上，热送裂纹减少90%以上，有效减少了铸坯缺陷；

（2）本发明在实施脉冲电流处理的位置合理，不影响正常的生产，且不需要改变现有生产工艺，不需要添加合金元素，对铸坯及设备无污染，是一项环保安全的减少铸坯缺陷的新技术；

（3）本发明用于改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的脉冲电压为2～20V的低压脉冲，脉冲电压小于36V，安全可靠，且用电量小；

（4）本发明的方法中，当含铌钢铸坯的温度为1000～750℃时施加脉冲电流，最为合适，铸坯角部裂纹和热送裂纹的去除效果最好；

（5）本发明改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法，设备简单，投资少，且工艺简单，操作方便。

附图说明

图1是实施例1中未经过脉冲电流处理的Q345微观组织图片；

图2是实施例1中采用本发明的脉冲电流处理的Q345微观组织图片。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，本发明不限于这些实施例，本发明的方法适用钢种：含铌低碳钢（ω[C]<0.25%），其中0.01%≤ω[Nb]≤0.40%。使用本发明的方法以抑制奥氏体晶界先共析铁素体膜的形成，改变铸坯的微观组织，提高高温力学性能，从而减少铸坯角部裂纹、热送裂纹。本发明的关键技术要点在于脉冲电流处理的位置以及脉冲电流的参数设计。

实施例1

本实施例的材料为Q345钢（其主要化学成分为：0.099%C、0.181%Si、1.339%Mn、0.011%P、0.003%S、0.024%Nb、0.0048%N），首先使用中频真空感应炉冶炼并浇铸得到Q345成分的铸坯，再将铸坯切割成15×15×15mm³的小块试样，通过导线连接至脉冲电源装置，然后把试样放入箱式电阻炉，在1200℃保温1h后，以6℃/min的速率降温，当试样温度降至950℃时开始脉冲电流处理，具体参数为：脉冲电压5V，脉冲电流60A，脉冲频率30Hz，当试样温度降至750℃时，停止脉冲电流处理，并取出试样在NaCl浓度10%的水溶液中淬火。其微观组织如图2所示。

为对比说明本发明用于改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的显著效果，进行一次不采用脉冲电流处理的对比试验。本对比例的材料为Q345钢（其主要化学成分为：0.099%C、0.181%Si、1.339%Mn、0.011%P、0.003%S、0.024%Nb、0.0048%N），首先使用中频真空感应炉冶炼并浇铸得到Q345成分的铸坯，再将铸坯切割成小块试样，然后把试样放入箱式电阻炉，在1200℃保温1h后，以6℃/min的速率降温，当温度降至750℃时取出试样在NaCl浓度10%的水溶液中淬火。其微观组织如图1所示。

由图1和图2可以清楚的看出，未经脉冲电流处理时，白色先共析铁素体以膜状的形式存在于奥氏体晶界，奥氏体晶粒内无铁素体；经脉冲电流处理后，大部分的铁素体是在奥氏体晶粒内析出的，并呈弥散分布。从两者的对比可以发现，脉冲电流处理有效的改变了绝大部分的先共析铁素体的形核位置，抑制了奥氏体晶界膜状先共析铁素体的形成，改变了铸坯的微观组织，从而可有效改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹。

实施例2

本实施例的材料为Q345钢（其主要化学成分为：0.12%C、0.185%Si、1.37%Mn、0.009%P、0.004%S、0.035%Nb、0.0052%N），铸坯断面为210mm×1800mm，浇注温度为1535℃，拉速为1.1m/min。脉冲电流装置安装在铸机东侧，从铸坯矫直前，沿拉坯方向安装了六处，对铸坯角部进行脉冲电流处理，在铸坯宽面方向延伸150mm，窄面方向延伸100mm。本实施例中的脉冲电压20V，脉冲电流100A，脉冲频率20Hz。脉冲电流开始处理时，实测铸坯角部温度1002℃，结束处理时铸坯角部温度765℃。铸坯切割后，将铸坯东侧角部（有脉冲电流处理）和西侧角部（无脉冲电流处理）切割、酸洗并进行对比。结果表明：东侧角部的裂纹相对西侧减少82%，脉冲电流处理有效减少了铸坯角部裂纹，提高了铸坯质量。

实施例3

本实施例的基本处理方法同实施例2，不同之处在于：本实施例中的脉冲电压为2V，脉冲电流120A，脉冲频率40 Hz，处理的效果基本同实施例2，对改善铸坯角部裂纹具有显著效果。

实施例4

本实施例的材料为Q345钢（其主要化学成分为：0.12%C、0.185%Si、1.37%Mn、0.009%P、0.004%S、0.035%Nb、0.0052%N），铸坯断面为210mm×1800mm，浇注温度为1535℃，拉速为1.1m/min。脉冲电流装置安装在铸坯切割后的输送辊道两侧，从铸坯切割后开始，沿辊道输送方向安装了八处，对铸坯宽面进行脉冲电流处理。本实施例中的脉冲电压3V，脉冲电流70A，脉冲频率40Hz。脉冲电流开始处理时，实测铸坯宽面中心温度860℃，结束处理时铸坯宽面中心温度755℃。铸坯经辊道热送进入加热炉后进行轧制，轧后钢板表面经检测和统计，结果表明：与无脉冲处理的热送铸坯所轧制的钢板对比，钢板表面裂纹减少94%，脉冲电流处理有效减少了铸坯表面热送（红送）裂纹，提高了铸坯和钢板质量。

实施例5

本实施例的基本处理方法同实施例4，不同之处在于：本实施例中的脉冲电压为20V，脉冲电流30A，脉冲频率15Hz，处理的效果基本同实施例4，对改善铸坯热送（红送）裂纹具有显著效果。

本发明的一种采用低压脉冲电流改善含铌钢铸坯角部裂纹和热送裂纹的方法，通过施加低压脉冲电流，改变含铌低碳钢铸坯的微观组织，提高铸坯高温力学性能，从而有效减少了铸坯的角部裂纹和热送（红送）裂纹，且本发明的方法不影响正常的生产，且不需要改变现有生产工艺，不需要添加合金元素，对铸坯及设备无污染，对人员无危害，是一项环保安全的减少铸坯缺陷的新技术。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。