一种消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯大颗粒碳化物的生产方法

摘要

本发明提供了一种消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯大颗粒碳化物的生产方法，该板坯的规格是：厚度200mm×宽度(1000～1320mm)，该生产方法包括：中间包钢水输入采用二冷区两段式电磁搅拌的结晶器中，冷却形成铸坯；所述铸坯输入加热炉中进行加热，其中在所述加热炉的高温段按照预设时间加热所述铸坯。本发明通过采用二冷区两段式电磁搅拌+延长铸坯加热炉高温段加热时间，能够消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯中大颗粒碳化物，实现碳化物的细小化。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯大颗粒碳化物的生产方法。

背景技术

高碳马氏体不锈钢的主要特点是碳含量高，淬火后硬度提高，同时强度相应提高，再加上较高的铬含量所具备良好的耐腐蚀性，通常用于刀剪制品、耐蚀模具等。在用于刀剪制品时，由于材料中碳、铬含量较高，容易有大颗粒的碳化物在材料中，在刀剪抛磨过程中，容易出现由于较大的碳化物颗粒(尺寸＞10μm)，导致刀剪表面出现缺陷，无法满足用户使用要求。目前高碳马氏体不锈钢通常采用铸锭+电渣重熔的生产方法，使组织细化和碳化物均匀。该方法的缺点是生产效率较低、生产周期长、生产成本高，制约着刀剪材料的升级发展。

申请号是201911238284.7的中国发明专利申请公开了一种制作高碳铬轴承钢的方法，包括：在结晶器中对钢水进行结晶，结晶过程中进行搅拌和轻压下操作以获得断面规格为280mm×280mm的铸坯，其中，所述搅拌操作限定如下：首端电磁搅拌器的搅拌电流为300±20A、搅拌频率为2.5±0.2Hz，末端电磁搅拌器的搅拌电流为400±20A、搅拌频率为5.0±0.3Hz，所述轻压下操作限定如下：在钢水凝固的末端控制轻压下区间的总压下量为12至16mm；通过对所述铸坯进行加热炉加热，使铸坯的心部和表面温度均匀化，促进铸坯中的偏析组织得到有效扩散，其中，铸坯加热的总时间为300min至460min，加热过程中经历了时长为150min至280min、温度为1200℃至1260℃的高温段；所述铸坯在加热炉加热后趁热进行6次粗轧处理，且每次轧制的压下率25％至40％。借助该方法能够使碳化物的评级≤2.0级。但是，该专利申请中公开的方法存在如下问题：首先，该方法是在结晶器内设置电磁搅拌，由于结晶器内坯壳薄，钢水流动强度高，钢水本身的流动对树枝晶的生长可以有熔损的作用，电磁搅拌力的作用得不到很好的发挥；其次，该方法针对的是方坯连铸，铸坯在加热炉的加热时间长，生产效率低，碳化物的评级≤2.0级，从相关标准评级图上看，大颗粒碳化物并未完全消除。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种能够在连铸板坯生产及铸坯加热过程中消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯中大颗粒碳化物的方法，以实现高碳马氏体不锈钢的高效率、低成本生产，促进刀剪材料的升级换代。

具体来说，本发明通过如下技术方案实现的：

一种消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯大颗粒碳化物的生产方法，包括：

中间包钢水输入结晶器中形成初生坯壳，随后进入采用两段式电磁搅拌的二冷区，冷却形成铸坯；

所述铸坯输入加热炉中进行加热，其中所述铸坯在所述加热炉的高温段按照预设时间进行加热。

可选地，所述两段式电磁搅拌包括：

设置在距离结晶器弯月面2.6～3.6米处的箱式电磁搅拌器；和

设置在距离结晶器弯月面4.6～5.2米处和距离结晶器弯月面6.2～6.8米处的各一对辊式电磁搅拌器。

可选地，所述箱式电磁搅拌器的电磁搅拌参数是：电流600～800A，频率3.4～3.6Hz，换向时间10～20s。

可选地，所述辊式电磁搅拌器的电磁搅拌参数是：电流350～400A，频率7.5～8.5Hz，连续搅拌。

可选地，所述加热炉的高温段的温度是1250～1270℃，所述预设时间是110～120min。

可选地，所述中间包钢水的过热度是15～30℃。

可选地，所述结晶器中连铸二冷区的冷却强度是0.85～1.05L/kg。

可选地，所述铸坯的连铸拉坯速度是0.75～0.90m/min。

相比于现有技术，本发明的消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯大颗粒碳化物的生产方法，至少具有如下有益效果：

本发明的方法在高碳马氏体不锈钢板坯连铸过程中采用二冷区两段式电磁搅拌+延长热炉高温段时间，使高碳马氏体不锈钢板坯的大颗粒碳化物得到有效控制。常规的铸锭+电渣重熔的生产方法得到的高碳马氏体不锈钢板坯中碳化物颗粒大小＞10μm，而采用本发明的方法得到的高碳马氏体不锈钢板坯中碳化物颗粒控制在5μm以下。

本发明的方法是在出结晶器的二冷段靠前位置设置箱式搅拌，可以利用钢水流动对树枝晶的熔损作用，出结晶器后采用箱式搅拌打碎生长的树枝晶。

本发明的方法针对高碳马氏体板坯连铸，结合钢种凝固特点，给出了相对准确的上段搅拌位置和下段搅拌位置，可以较好的实现铸坯组织和成分的均匀化，使碳化物颗粒细小化和均匀化。同时铸坯在加热炉内时间可以满足生产节奏需求，效率较高。

附图说明

图1显示了实施例1的铸坯热轧之后金相中碳化物颗粒的形貌。

图2显示了对比例1的铸坯热轧之后金相中碳化物颗粒的形貌。

图3显示了实施例2的铸坯热轧之后金相中碳化物颗粒的形貌。

图4显示了对比例2的铸坯热轧之后金相中碳化物颗粒的形貌。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

本发明主要是为实现高效率低成本高碳马氏体不锈钢的生产工艺，对凝固过程和轧制加热过程中对钢中碳化物颗粒进行控制，解决连铸板坯因大颗粒碳化物导致的表面缺陷和性能问题。

高碳马氏体不锈钢板坯连铸过程中，由于钢中碳含量高的原因，导致凝固过程会产生大颗粒的碳化物。这些碳化物如果不能有效控制，会降低钢材的疲劳强度和韧性，大颗粒的碳化物会影响刀剪产品的表面抛光性能，即会在抛光时在表面留下细的暗纹，影响刀剪产品的表面质量。另外，生成的大颗粒碳化物在加工成形及淬火处理时极易产生应力集中，从而在一次碳化物和基体界面上形成初始微裂纹，影响产品的使用寿命。

针对上述问题，本发明的发明人对高碳马氏体不锈钢板坯的生产工艺进行了深入研究，在基于传统的控制连铸过程碳偏析基础上，提出了采用二冷区两段式的电磁搅拌+延长加热炉高温段加热时间的工艺路线。

本发明的生产方法针对的高碳马氏体不锈钢中典型元素的重量含量是：C：0.35～0.70％，Si≤1.00％，Mn≤1.00％，P≤0.030％，S≤0.01％，Cr：12.5～15.00％。这种元素特点的马氏体不锈钢的碳、铬含量较高，容易形成中心疏松和偏析，形成碳化物，因此其对生产工艺的要求更高，必须使用本发明的电磁搅拌以及控制过热度和连铸拉速的生产方法才能有效消除板坯中大颗粒碳化物。

本发明的生产方法主要基于如下技术构思：

方坯或者矩形坯的高碳钢连铸通常是采用两段式电磁搅拌来改善连铸过程中偏析，板坯通常采用轻压下的方式来控制凝固偏析。

本发明提供的是一种高碳马氏体不锈钢板坯连铸控制大颗粒碳化物的方法，其中，该板坯的规格可以是厚度200mm×宽度(1000～1320)mm。关键目的要消除大颗粒的碳化物。本发明从连铸工艺控制到热轧铸坯加热，对过热度、拉速、二冷比水量、两段式电磁搅拌参数及加热炉高温段温度和时间要求等各个关键参数进行了要求，所涉及各个参数均需要达到控制要求。本发明通过大批量生产试验证实了碳化物的稳定性控制较好。

作为一种优选的实施方案，本发明的消除高碳马氏体不锈钢连铸板坯大颗粒碳化物的生产方法包括如下步骤：

(1)将中间包钢水输入结晶器中形成初生坯壳，随后进入采用两段式电磁搅拌的二冷区，冷却形成铸坯。

在本发明中，中间包钢水的过热度要求是15～30℃，例如，15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃等。

本发明采用较低过热度(15～30℃)浇铸，冷却梯度减小，钢水凝固产生的初生晶核越多，等轴晶比例越多，利于控制偏析和碳化物。

在本发明中，二冷区两段式电磁搅拌包括：设置在距结晶器弯月面3.1±0.5米处(例如3.1米)的箱式电磁搅拌器；在距结晶器弯月面4.9±0.3米处(例如4.9米)和距结晶器弯月面6.5±0.3米处(例如6.5米)的各一对辊式电磁搅拌器。

也就是说，在本发明中，一方面，在距离连铸结晶器弯月面3.1±0.5m处(以下称为“二冷上段”，)利用箱式电磁搅拌，电磁搅拌参数为：电流600～800A(例如，600A、650A、700A、750A、800A等)，频率3.5±0.1Hz，换向时间10～20s，以打碎初始凝固形成的树枝晶，同时可以促使热流耗散，使铸坯厚度方向1/4处的组织成分更均匀；另一方面，在距离连铸结晶器弯月面4.9±0.3m位置和6.5±0.3m处设置(以下称为“二冷下段”)各使用一对辊式电磁搅拌，辊式电磁搅拌参数为电流350～400A(例如，350A、360A、370A、380A、390A、400A等)，频率8±0.5Hz，连续搅拌，可以减小靠近铸坯厚度中心位置的碳化物颗粒。

本发明采用上段电磁搅拌，强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发展、促进成分均匀的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝固组织，改善铸坯质量，采用适的搅拌参数，可以形成均匀的等轴晶组织，利于碳化物的控制。

特别是，本发明的两段式电磁搅拌的作用机理如下：

二冷上段箱式搅拌区域，凝固坯壳薄，施加的电磁力可以打碎树枝晶，形成等轴晶，使凝固组织比较均匀，同时采用电磁搅拌可以促进未凝固钢水流动，加强对流，利于消除过热，降低温度梯度，利于等轴晶生长，达到成分均匀的目的，使碳化物均匀化和细小化。

二冷下段辊式搅拌区域，接近于凝固末端，可以控制铸坯中心的元素成分均匀化，控制碳化物的生成。

在本发明中，连铸二冷区的冷却强度是0.85～1.05L/kg，例如，0.85L/kg、0.90L/kg、0.95L/kg、1.05L/kg等。

本发明在二冷采用适当的强冷，一方面可以降低坯壳温度，增加坯壳强度，防止鼓肚产生的中心偏析，抑制碳化物产生；另一方面可以加快板坯凝固速度，减少二次枝晶间距，阻止溶质元素的析出和扩散，同样可以控制碳化物的产生。

在本发明中，连铸拉坯速度设置为0.75～0.90m/min，例如，0.75m/min、0.80m/min、0.85m/min、0.90m/min等。

本发明采用较低的拉速，在结晶器和二冷区强制冷却的时间延长，冷却强度增加，可以控制溶质元素的析出，控制碳化物的生成。

(2)铸坯输入加热炉中进行加热。

高碳马氏体不锈钢连铸板坯出坯后，在热轧前，需在加热炉中进行加热。

在本发明中，铸坯在加热炉内高温段的加热时间相比于现有方法进行了延长。高温段的温度是1250～1270℃(例如，1250℃、1255℃、1260℃、1265℃、1270℃等)，高温段的加热时间为110～120min(例如，110min、111min、112min、113min、114min、115min、116min、117min、118min、119min、120min等)，本发明通过热轧加热炉高温段时间的控制，可以使铸坯凝固过程不可避免产生的大颗粒碳化物溶解和扩散，进一步细化碳化物颗粒。

铸坯在加热炉的预热段和均热段的加热处理可按照常规操作进行，此处不做赘述。

铸坯经过加热炉加热处理之后可进入轧制工序。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

马氏体钢种为5Cr15MoV。

本实施例的生产方法如下：

①冶炼结束的合格钢水浇铸成连铸板坯

通过冶炼得到合格的钢水，钢水中各元素的质量百分比为：C＝0.53％；Si＝0.48％；Mn＝0.40％；P＝0.022％；S＝0.001％；Cr＝14.71％；Ni＝0.38％；Mo＝0.54％；V＝0.12％；N＝0.018％，其余为铁及不可避免的元素。

②浇铸过程的主要工艺参数为：

a)中间包内钢水温度：1487～1492℃，该钢种液相线温度为1465℃，过热度为22～27℃；

b)连铸板坯规格：厚度200mm×宽度1240mm

c)连铸拉坯速度：0.80m/min恒拉速；

d)连铸二冷却比水量：0.89L/kg；

e)上段电磁搅拌参数：电流600A，频率3.5Hz，换向时间15s；

f)下段电磁搅拌参数：电流380A，频率8Hz，连续搅拌；

③加热炉内相关参数：

高温段加热温度1252℃，加热时间115min。

5Cr15MoV铸坯热轧后，进行取样金相观察，金相中碳化物颗粒如图1所示。

最终得到的高碳马氏体不锈钢板坯中碳化物颗粒的粒径是1～3μm对比例1

马氏体钢种为5Cr15MoV。

本对比例的生产方法如下：

①冶炼结束的合格钢水浇铸成连铸板坯

通过冶炼得到合格的钢水，钢水中各元素的质量百分比为：C＝0.53％；Si＝0.48％；Mn＝0.40％；P＝0.022％；S＝0.001％；Cr＝14.71％；Ni＝0.38％；Mo＝0.54％；V＝0.12％；N＝0.018％，其余为铁及不可避免的元素。

②浇铸过程的主要工艺参数为：

a)中间包内钢水过热度30～40℃

b)连铸板坯规格：厚度200mm×宽度1240mm

c)连铸拉坯速度：0.85m/min恒拉速；

d)连铸二冷却比水量：0.70±0.05L/kg；

e)箱式电磁搅拌参数：电流1300A，频率3.5Hz，换向时间15s；无下段辊式电磁搅拌

③加热炉内相关参数：

加热炉总时间240～280min，高温段温度要求1200±20℃，时间90±10min铸坯热轧后，进行取样金相观察，金相中碳化物颗粒如图2所示。

最终得到的高碳马氏体不锈钢板坯中碳化物颗粒的粒径是5～10μm。

通过图1和图2的对比可以看出，在实施本发明的方法之前(对比例1)，热轧卷后厚度中心位置处有尺寸大于10μm的碳化物颗粒(即图2中白色颗粒)，在实施本发明的方法之后(实施例1)，大颗粒碳化物消失。

实施例2

马氏体钢种为6Cr13。

本实施例的生产方法如下：

①冶炼结束的合格钢水浇铸成连铸板坯

通过冶炼得到合格的钢水，钢水中各元素的质量百分比为：C＝0.67％；Si＝0.47％；Mn＝0.83％；P＝0.026％；S＝0.001％；Cr＝13.93％；Ni＝0.26％；N＝0.016％，其余为铁及不可避免的元素。

②浇铸过程的主要工艺参数为：

a)中间包内钢水温度：1470～1478℃，该钢种液相线温度为1450℃，过热度为20～28℃；

b)连铸板坯规格：厚度200mm×宽度1240mm

c)连铸拉坯速度：0.75m/min恒拉速；

d)连铸二冷却比水量：0.95L/kg；

e)上段电磁搅拌参数：电流800A，频率3.5Hz，换向时间15s

f)下段电磁搅拌参数：电流400A，频率8Hz，连续搅拌；

③加热炉内相关参数：

高温段加热温度1258℃，加热时间120min。

6Cr13铸坯热轧后，进行取样金相观察，金相中碳化物颗粒如图3所示。

最终得到的高碳马氏体不锈钢板坯中碳化物颗粒的粒径是1～3μm。

对比例2

马氏体钢种为6Cr13。

本对比例的生产方法如下：

①冶炼结束的合格钢水浇铸成连铸板坯

通过冶炼得到合格的钢水，钢水中各元素的质量百分比为：C＝0.67％；Si＝0.47％；Mn＝0.83％；P＝0.026％；S＝0.001％；Cr＝13.93％；Ni＝0.26％；N＝0.016％，其余为铁及不可避免的元素。

②浇铸过程的主要工艺参数为：

a)中间包内钢水过热度32～38℃

b)连铸板坯规格：厚度200mm×宽度1240mm

c)连铸拉坯速度：0.85m/min恒拉速；

d)连铸二冷却比水量：0.70±0.05L/kg；

e)箱式电磁搅拌参数：电流1300A，频率3.5Hz，换向时间15s；无下段辊式电磁搅拌

③加热炉内相关参数：

加热炉总时间240～280min，高温段温度要求1200±20℃，时间90±10min铸坯热轧后，进行取样金相观察，金相中碳化物颗粒如图4所示。

最终得到的高碳马氏体不锈钢板坯中碳化物颗粒的粒径是10～20μm。

通过图3和图4的对比可以看出，在实施本发明的方法之前(对比例2)，热轧卷后厚度中心位置处有尺寸接近20μm的碳化物颗粒(即图4中白色颗粒)，在实施本发明的方法之后(实施例2)，未发现有大颗粒碳化物。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。