一种高碳高铝高锰钢连铸坯及其生产方法与流程

本发明涉及冶金，尤其涉及一种高碳高铝高锰钢连铸坯及其生产方法。

背景技术：

1、随着汽车、船舶、航空航天等领域对轻量化材料的迫切需求，低密度高强钢成为钢铁材料研发的重要方向。在fe-mn-al-c系低密度钢中，al是实现材料轻量化的关键合金元素。由于al的原子质量显著低于fe，同时其固溶可引起晶格膨胀，随着al含量增加，钢的密度显著降低；在常见fe-mn-al-c成分范围内，每增加1wt.% al，钢的密度通常降低约1.3%。此外，al能够显著提高奥氏体层错能，从而抑制变形诱发孪晶及ε/α′马氏体转变，并促进以位错滑移为主的塑性变形机制。需要指出的是，al属于铁素体稳定元素，高al含量会降低奥氏体的热力学稳定性；而mn和c则具有较强的奥氏体稳定作用。因此，通过合理匹配mn、al和c含量，可在获得显著减重效果的同时保持较高的奥氏体体积分数，特定成分及固溶处理条件下可获得稳定的奥氏体基体，从而实现良好的强塑性匹配。

2、然而，当al含量大幅提升时，连铸生产面临一系列严峻挑战。首先，al含量过高会显著降低钢的导热性能，钢的凝固速率大幅减慢，连铸过程坯壳生长缓慢且不均匀，极易在结晶器弯月面附近发生粘结和漏钢事故。其次，过量al在凝固过程中易与钢中n结合形成粗大的aln析出物，沿晶界呈链状分布，割裂基体，在后续冷却和热应力作用下进一步延展形成微裂纹，严重损害铸坯表面质量和内部致密性。再次，钢中高活性的al会与常规连铸保护渣中的sio2发生剧烈的氧化还原反应，导致保护渣成分急剧变化，碱度升高、熔点增大、粘度增加，液渣失去原有的润滑和传热功能，沿结晶器壁形成大量渣条，进一步加剧漏钢倾向和铸坯表面裂纹缺陷。

3、对于al含量在2.5%以下的高锰高铝钢，现有技术已尝试通过低过热度、低拉速、弱冷却、专用保护渣及缓冷等措施实现连铸生产。但当al含量进一步提升至5%以上时，上述技术困难呈几何级数增加，现有连铸工艺无法直接移植应用。目前，al含量超过5%的超高铝高锰钢在工业生产中仍只能采用模铸工艺，该工艺工序繁多、综合成材率低、生产效率低下，生产成本高昂，严重制约了该钢种的工业化应用和推广。超高al含量使钢的传热慢、凝固收缩量大、易开裂，连铸过程极易发生漏钢事故。如何在保证al添加带来的轻量化效果的同时，克服超高al含量带来的连铸工艺困难和因钢种特性导致的漏钢倾向，实现al含量9%-12%的超高铝高锰钢的稳定连铸生产，是亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种高碳高铝高锰钢连铸坯及其生产方法，至少用以解决现有高铝高锰钢工艺生产存在的以下问题之一：1、现有高铝高锰钢只能采用模铸工艺，该工序繁多、综合成材率低、生产效率低下，生产成本高昂；2、现有高铝高锰钢的超高al含量使钢的传热慢、凝固收缩量大、易开裂，连铸过程极易发生漏钢事故，无法进行连铸生产。

2、本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种高碳高铝高锰钢连铸坯，化学成分按照质量百分比计为：0.8%≤c≤1.2%，9%≤al≤12%，20%≤mn≤35%，0.08%≤v≤0.15%，p≤0.015%，s≤0.015%，余量为fe及不可避免的杂质。

4、进一步地，所述高碳高铝高锰钢连铸坯的化学成分中al/c比满足8≤al/c≤12。

5、本发明还提供了一种上述高碳高铝高锰钢连铸坯的生产方法，包括以下步骤：

6、s1：按照成分配比准备原料，进行电炉冶炼，得到粗炼钢水；

7、s2：将粗炼钢水转入lf精炼炉中进行精炼，得到精炼钢水；

8、s3：将精炼钢水注入结晶器中进行连铸，得到高碳高铝高锰钢连铸坯。

9、进一步地，所述s1中，在电炉冶炼后期分批加入金属铝粒和/或铝锭进行al合金化，加入量为95-120kg/t钢；

10、在出钢过程加入钒铁进行v元素调控，加入量为2-8kg/t钢；

11、出钢温度控制为1600-1650℃。

12、进一步地，所述s2中，钢水进站温度≥1580℃，加入石灰小粒3-9kg/t钢和萤石1-3kg/t钢进行造渣；

13、待脱s达到≤0.015%后，加入电解锰或烧结锰球进行mn合金化，加入量为212-380kg/t钢；

14、精炼过程温度维持时间≥20min，出站温度为1410-1430℃。

15、进一步地，所述s2中，精炼结束喂入纯钙线2.5-4m/t钢，以0.3-0.5nl/（min·t钢）的流量软吹氩气5-10min，静置10-20min。

16、进一步地，所述s3中，中间包工序控制钢水过热度为20-35℃，采用碱性中间包覆盖剂，碱性中间包覆盖剂的sio2含量≤1.0%。

17、进一步地，所述s3中，结晶器浇铸工序中，出苗时间为70-80s，浸入式水口插入深度为105-155mm，拉速为0.3-0.8m/min，结晶器锥度为1.3-1.9%/m，结晶器冷却宽面水量为2200-2500l/min、窄面水量为330-400l/min，结晶器进水温度不低于30℃，进出水温差为4-8℃，结晶器振动频率为70-130cpm，结晶器振幅为2.5-5mm。

18、进一步地，所述s3中，开浇过程不使用开浇渣，在浇铸全程加入低反应型高铝钢连铸专用保护渣，控制液渣层厚度为5-12mm；

19、所述保护渣的化学成分按照质量百分比计包括：2%≤sio2≤15%、10%≤al2o3≤25%、20%≤cao≤40%、4%≤li2o≤10%、4%≤bao≤15%、mgo≤1%、3%≤na2o≤10%、4%≤c≤8%，5%≤f≤15%、b2o3≤3%，熔点为980-1100℃，粘度为0.05-0.2pa·s。

20、进一步地，所述s3中，二冷区比水量控制为0.50-1.1l/kg，且与拉速协同匹配：当拉速＜0.4m/min时，比水量取0.50-0.70l/kg；当拉速≥0.4m/min时，比水量取0.70-1.1l/kg；

21、所述高碳高铝高锰钢连铸坯通过退火炉缓冷或堆垛极致缓冷进行冷却；

22、其中，退火炉缓冷包括：铸坯进炉温度≥650℃，在700-750℃保温2-5h后断电，随炉冷却至室温；

23、堆垛极致缓冷包括堆垛坯四周及上部、底部均采用温度≥600℃的红坯进行包裹堆垛，缓冷时长为96-120h。

24、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

25、1、本发明通过mn-al-c-v等元素的协同成分设计，实现了钢的轻量化和奥氏体稳定化，同时al提高层错能、mn稳定奥氏体、c促进κ-碳化物析出、v细化铸态晶粒，为连铸坯获得良好的凝固组织和优异的轻量化效果提供了成分基础。

26、2、本发明通过连铸工序中低过热度、低拉速配合延长出苗时间为初生坯壳提供充足的生长时间，采用低反应型cao-al2o3基保护渣抑制渣金反应、保证润滑传热，二冷区强冷确保坯壳强度，配合退火炉缓冷或红坯包裹堆垛极致缓冷避开550-650℃析出敏感温区。通过上述成分设计与连铸工艺的协同匹配：高al、高mn成分体系决定了坯壳生长缓慢、凝固收缩量大、裂纹敏感性强的钢种特性，连铸工艺针对性地采用低拉速、强冷却、极致缓冷等控制策略加以适配，使凝固坯壳稳定性显著提高，漏钢及裂纹缺陷发生率有效降低，铸坯表面裂纹率低于1.0%，中心偏析和中心缩孔评级均不超过1.0级，连铸过程稳定无漏钢报警，最终实现了al含量9%-12%超高铝高锰钢连铸坯的稳定生产。

27、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。