一种宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法
技术领域
本发明涉及合金冶炼
技术领域
，具体涉及一种宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法。背景技术
铁铬铝合金属于电热工程材料，Cr、Al元素含量分别达到13-27Wt.％、3-7Wt.％左右。铁铬铝带材由于具有优异的耐高温性能及较高的电阻率，被广泛应用于家电、工业炉窑、机动车尾气净化载体等领域。目前机动车尾气净化三元催化器载体主要采用两种材料进行制造，一是使用陶瓷材料，陶瓷主要缺点是不易装配及运行中发生震动易碎，无法制造尺寸大于500mm的载体；二是采用耐高温电热合金，即0.04-0.08mm厚铁铬铝精带，可实现长寿命，易装配。随着今后全球环保要求的提高，金属替代陶瓷载体已成为必然趋势，发展前景广阔。
大量的实验观察表明，添加少量的稀土元素如Y、La、Ce、Hf等可以显著提升金属的高温抗氧化性能，并极大程度地改善氧化层与基底的黏附性。通过加入稀土元素，铁铬铝金属载体寿命得以延长。在铁铬铝带材中加入0.02-0.10Wt.％的稀土元素，可以显著提高材料在高温阶段的耐氧化性能。
目前，国内外基本采用“感应炉+电渣重熔”小规模熔炼方式进行冶炼，锻造开坯。该工艺流程设备简单、操作方便，在稀土合金化上具有一定优势，但生产效率低下，成材率低，成分性能波动大，无法进行规模化生产。
利用“VOD冶炼+板坯连铸”工艺流程规模化生产的铁铬铝产品成材率高，但在稀土合金化方面，工艺难度较大。主要难点为：稀土元素燃点低，在高温下易燃烧，烧损严重，造成收得率不稳定；稀土元素化学活性强，钢水中的溶解氧及夹杂物必须降为较低水平，并采用全程保护浇注，以免影响微合金化作用；稀土元素极易与钢包渣、水口、保护渣等耐材发生相互作用，使连铸板坯在生产过程中出现结瘤、堵水口、结块、断浇、铸坯表面夹杂等问题，无法正常连铸铁铬铝合金板坯。Al及稀土元素的加入，使铸坯表面质量恶化，但该产品最终主要以精带进行使用，夹杂物必须进行严格控制。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法，解决了稀土收得率低、连铸堵水口和铸坯横裂等问题，使得在宽度是1000-1300mm、重量大于10吨的铁铬铝连铸板坯上，稳定添加0.02-0.10Wt.％稀土元素成为可能，显著提高了产品的耐热寿命。
本发明的技术方案具体如下：
一种宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法，包括：
(1)准备稀土丝；
(2)铁铬铝钢水依次经过K-OBM-S炉、VOD炉和LF炉处理；
(3)经过步骤(2)处理后的钢水借助密封保护的中间包输送至连铸机，浇注到结晶器中；
(4)采用单机双流法喂入稀土丝，制备连铸板坯。
可选地，步骤(1)中，稀土丝的直径是2.5～3.5mm。
可选地，步骤(1)中，稀土丝采用的稀土元素是镧、铈和钇的任意一种或多种；稀土丝包括含量≥97Wt.％的稀土元素和余量的铁及不可避免的杂质。
可选地，步骤(2)中，转炉炉后扒净85％以上的炉渣，经过处理后的钢水中氧含量达到0.0012Wt.％以下，硫含量达到0.0020Wt.％以下。
可选地，步骤(3)中，中间包的温度是1525～1560℃，吹氩6-8min后开浇。
可选地，步骤(3)中，按照重量百分比计，结晶器的保护渣的组成是：C：6.0～8.0％、MgO：0.5～2.0％、Al2O3：1.2～3.0％、B2O3：2.0～4.0％、Li2O：3.5～6.5％、F-：4.0～5.5％、Na2O：5.5～8.0％、BaO：5.0～7.0％；其余为CaO和SiO2；
优选地，综合碱度(CaO+BaO)/SiO2为0.85-1.00。
可选地，步骤(4)中，连铸板坯的拉速为0.40～0.80m/min。
可选地，步骤(4)中，稀土丝的喂线处位于水口两侧对称位置，喂丝点位于连铸板坯厚度中间位置，距离浸入水口为0.20～0.26倍的板坯宽度范围之间。
可选地，步骤(4)中，稀土丝的喂线速度根据下面的公式确定：
其中，Vs：喂线速度，D：稀土丝直径，ρs：稀土丝密度，V1：拉坯速度，W：铸坯宽度，T：铸坯厚度，ρg：铸坯密度，ωRE：钢中目标稀土含量，ω0：稀土丝中稀土含量，Y：稀土收得率。
可选地，步骤(4)中，制备的连铸板坯厚度是180～230mm、宽度是1000～1300mm，重量大于10吨。
相比于现有技术，本发明的宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法，通过降低钢水氧硫含量、采取保护浇注、选取合适的喂丝位置和速度、优化保护渣成分等措施，实现了铁铬铝连铸板坯的稀土合金化。获得的有益效果如下：
(1)稀土收得率大幅提高，达到85％以上；实现铁铬铝板坯中稀土含量稳定在0.02-0.10Wt.％范围内，且分布均匀。
(2)避开了大包和中包的浇注水口结瘤问题，且渣条较少，连铸顺行无阻碍。
(3)实现了厚度180-230mm、宽度1000-1300mm、重量大于10吨的铁铬铝连铸板坯的稀土合金化。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是剖面图，W代表宽度，T代表厚度，其显示了铁铬铝板坯连铸结晶器内双股喂入稀土丝示意图。在浸入水口两侧对称喂入，喂丝点位于板坯厚度中间位置，距离浸入水口为0.20～0.26倍的板坯宽度范围之间。
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。
针对目前铁铬铝合金连铸板坯稀土合金化过程中存在的稀土收得率低、水口结瘤和保护渣变性等问题，本发明的发明人通过研究对生产方法进行了改进，通过降低钢水氧硫含量、采取保护浇注、选取合适的结晶器喂丝位置和速度、优化保护渣成分等措施，实现了铁铬铝合金连铸板坯的稀土合金化。
由于稀土元素活性极强，容易被氧化，有必要降低钢液中的氧、硫元素含量，扒净炉渣，过程中采取保护浇注。冶炼前期加入稀土元素，处理过程中稀土容易反应变性消耗掉，导致稀土收得率低，并且在浇注过程中有水口结瘤的风险，而在结晶器喂稀土丝能避免以上问题。但考虑到板坯稀土成分均匀性，结晶器喂丝工艺对喂丝位置、喂丝速度和铸坯拉速等的匹配精度要求较高。最后，稀土丝在穿过结晶器保护渣时会引起保护渣性能发生变化，使得保护渣对铸坯的润滑变差，引发铸坯表面纵裂纹等缺陷，严重时出现漏钢事故。借助对保护渣的改进，能够避免该问题。
基于以上思路，本发明提供了一种宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法。本发明的方法可适用于任何类型的宽钢带铁铬铝钢种，并且，尤其适合生产牌号是1Cr13Al4、0Cr15Al5、0Cr18Al4或0Cr21Al6钢种。本发明的方法主要适用于宽钢带铁铬铝连铸板坯，例如，连铸板坯的厚度是180～230mm、宽度是1000～1300mm、重量大于10吨。
在一种优选的实施方式中，本发明的宽钢带铁铬铝连铸板坯稀土合金化的生产方法包括以下步骤：
(1)准备稀土丝
因结晶器内钢水温度较低且即将凝固，为了提高稀土加入效率，降低其它元素污染，准备纯度较高的不包皮稀土丝，以便稀土丝能够快速熔化，板坯中稀土分布更加均匀。基于以上目标，要求稀土元素为镧、铈和钇的任意一种或几种，按质量百分比计稀土元素含量≥97％。
稀土丝直径规定为2.5-3.5mm，原因如下：若稀土丝过细，容易发生弯曲绞线，难以喂入钢液；若稀土丝过粗，强度过高不容易弯折。
另外，在现场实际操作当中，稀土丝质量也至关重要，不然会影响喂丝的顺行，所以要求稀土丝线径均匀，平直不弯，接头焊接牢固，使用中不断线。
对稀土丝的来源并无特殊要求，只要符合上述要求即可。
(2)铁铬铝钢水依次经过K-OBM-S炉、VOD炉和LF炉处理。
稀土是低熔点的活泼元素，易与钢水中的氧、硫迅速反应，甚至还原钢渣，所以，铁铬铝钢水必须经由K-OBM-S→VOD→LF工序处理，保证转炉炉后扒净85％以上的炉渣，按质量百分比计，氧含量达到0.0012％以下，硫含量达到0.0020％以下。
K-OBM-S炉、VOD炉和LF炉的具体条件设置，可以由本领域技术人员根据实际生产需要来进行合理的选择。
(3)钢水借助密封保护的中间包输送至连铸机，浇注到结晶器中。
浇注前，做好中间包的密封，中间包吹氩6-8min后开浇。
因稀土元素较为活泼，前期处理中一定采用保护浇铸，来控制钢水的氧含量。为避免产生裂纹缺陷，中间包温度严格控制在1525-1560℃。
待开浇后，结晶器中添加专用保护渣，并吹氩保护。
稀土丝极易与保护渣组元反应而析出稀土氧化物，会引起保护渣性能发生变化，使得结晶器内出现渣条，影响连铸的顺行。针对此现象，专用保护渣应该具备以下特点：1)具有较强的吸收稀土氧化物的能力，减少钢中残留的稀土夹杂物，并且保护渣性能不发生明显的变化。2)在选择保护渣原料时，应该尽量减少使用容易与保护渣其它成分起反应的成分。3)较低的凝固温度和结晶化率能改善保护渣的润滑和传热性能，熔渣应具有玻璃性状。
发明人基于以上思路，通过研究，针对含稀土铁铬铝开发了专用保护渣，显著减少渣条，保证了浇铸的顺行。按照重量百分比计，连铸结晶器专用保护渣的组成是：C：6.0-8.0％、MgO：0.5-2.0％、Al2O3：1.2-3.0％、B2O3：2.0-4.0％、Li2O：3.5-6.5％、F-：4.0-5.5％、Na2O：5.5-8.0％、BaO：5.0-7.0％；其余为CaO和SiO2，综合碱度(CaO+BaO)/SiO2为0.85-1.00。
(4)以一定的喂丝速度，采用单机双流法喂入稀土丝。
结晶器喂线时，为了稀土丝的充分熔化和稳定结晶器保护渣性能，铸坯板坯的拉速不宜过快，稳定在0.40～0.80m/min之间，且拉速波动值控制为±0.02m/min。
考虑到铸坯中稀土元素的均匀化，要求在水口双侧等速度喂入。并且，通过流场计算，发现喂丝点位于铸坯厚度中间位置，距离浸入水口为0.20～0.26倍的宽度范围之间，具备使稀土元素均匀化、快速传质的动力学条件。
例如，图1显示了铁铬铝板坯连铸结晶器内双股喂入稀土丝示意图。在浸入水口两侧对称喂入，喂丝点位于铸坯厚度中间位置，距离浸入水口为0.20～0.26倍的铸坯宽度范围之间。
应该根据钢种目标稀土含量计算喂丝速度，以便现场控制。喂丝速度根据以下公式得出：
其中，Vs：喂线速度，D：稀土丝直径，ρs：稀土丝密度，V1：拉坯速度，W：铸坯宽度，T：铸坯厚度，ρg：铸坯密度，ωRE：钢中目标稀土含量，ω0：稀土丝中稀土含量，Y：稀土收得率。
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
以牌号1Cr13Al4为例，其化学成分按质量百分比为：C：0.015％、Si：0.22％、Mn：0.10％、P：0.015％、S：0.0015％、Cr：13.9％、Al：4.6％、Ti：0.23％、N：0.003％，其余为Fe及其它不可避免的杂质。该铁铬铝合金连铸板坯的规格为：厚度200mm，宽度1220mm，重量16.5吨，铸坯密度为7.4g/cm3。
实施例1的铁铬铝连铸板坯结晶器喂线稀土合金化的生产方法包括如下步骤：
(1)准备直径为2.5mm的稀土丝，镧和铈元素合计占比97.5Wt.％，稀土丝密度为6.3g/cm3，稀土丝线径均匀。
(2)铁铬铝钢水经由K-OBM-S→VOD→LF处理，转炉炉后扒净86％以上的炉渣，氧含量、硫含量分别为0.0010Wt.％、0.0015Wt.％。
(3)浇注前，做好中间包的密封保护，中间包吹氩6min后开浇，中间包温度控制在1525-1540℃。
待开浇后，结晶器中添加专用保护渣，并吹氩保护。连铸结晶器保护渣成分配比(Wt.％)为：C：7.6％、MgO：1.73％、Al2O3：2.74％、B2O3：3.64％、Li2O：5.7％、F-：4.8％、Na2O：6.7％、BaO：6.6％，综合碱度为0.88。
(4)以一定的喂丝速度，采用单机双流法喂入稀土丝。连铸板坯的拉速是Vl为0.70m/min，拉速波动值控制为±0.015m/min。喂线处位于水口两侧对称位置，喂丝点距宽面100mm处，距水口为260mm。目标稀土含量为0.03Wt.％，收得率按照85％计，根据公式计算出喂丝速度为7.4m/min。
利用实施例1的铁铬铝连铸板坯结晶器喂线稀土合金化的生产方法，在生产200mm厚、1220mm宽1Cr13Al4连铸板坯的过程中几乎无渣条，连铸正常顺行；铸坯中实际稀土含量为0.029～0.033Wt.％，稀土分布较为均匀，收得率为88％。
实施例2
以牌号0Cr18Al4为例，其化学成分按质量百分比为：C：0.018％、Si：0.21％、Mn：0.48％、P：0.014％、S：0.0015％、Cr：17.2％、Al：4.0％、Ti：0.12％、N：0.004％，其余为Fe及其它不可避免的杂质。该铁铬铝合金连铸板坯的规格为：厚度200mm，宽度1160mm，重量15.7吨，铸坯密度为7.3g/cm3。
实施例2的铁铬铝连铸板坯结晶器喂线稀土合金化的生产方法包括如下步骤：
(1)准备直径为2.8mm的稀土丝，镧和铈元素合计占比98.0Wt.％，稀土丝密度为6.3g/cm3，稀土丝平直不弯。
(2)铁铬铝钢水经由K-OBM-S→VOD→LF处理，转炉炉后扒净88％以上的炉渣，氧含量、硫含量分别为0.0009Wt.％、0.0012Wt.％。
(3)浇注前，做好中间包的密封保护，中间包吹氩7min后开浇，中间包温度控制在1535-1550℃。
待开浇后，结晶器中添加专用保护渣，并吹氩保护。连铸结晶器保护渣成分配比(Wt.％)为：C：7.7％、MgO：1.53％、Al2O3：2.65％、B2O3：3.54％、Li2O：5.8％、F-：4.9％、Na2O：6.8％、BaO：6.7％，综合碱度为0.89。
(4)以一定的喂丝速度，采用单机双流法喂入稀土丝。连铸板坯的拉速是Vl为0.60m/min，拉速波动值控制为±0.01m/min。喂线处位于水口两侧对称位置，喂丝点距宽面100mm处，距水口为280mm。目标稀土含量为0.04Wt.％，收得率按照85％计，根据公式计算出喂丝速度为6.3m/min。
利用实施例2的铁铬铝连铸板坯结晶器喂线稀土合金化的生产方法，在生产200mm厚、1160mm宽0Cr18Al4连铸板坯的过程中渣条较少，连铸顺畅无阻；铸坯中实际稀土含量为0.038～0.042Wt.％，稀土分布较为均匀，收得率为85％。
实施例3
以牌号0Cr21Al6为例，其化学成分按质量百分比为：C：0.017％、Si：0.22％、Mn：0.09％、P：0.013％、S：0.001％、Cr：20.2％、Al：5.5％、Nb：0.08％、Ti：0.13％、N：0.003％，其余为Fe及其它不可避免的杂质。该铁铬铝合金连铸板坯的规格为：厚度200mm，宽度1080mm，重量13.1吨，铸坯密度为7.2g/cm3。
实施例3的铁铬铝连铸板坯结晶器喂线稀土合金化的生产方法包括如下步骤：
(1)准备直径为3.0mm的稀土丝，镧元素占比为97.0Wt.％，稀土丝密度为6.2g/cm3，稀土丝接头焊接牢固。
(2)铁铬铝钢水经由K-OBM-S→VOD→LF处理，转炉炉后扒净90％以上的炉渣，氧含量、硫含量分别为0.0008Wt.％、0.0010Wt.％。
(3)浇注前，做好中间包的密封保护，中间包吹氩8min后开浇，中间包温度控制在1545-1560℃。
待开浇后，结晶器中添加专用保护渣，并吹氩保护。连铸结晶器保护渣成分配比(Wt.％)为：C：7.8％、MgO：1.72％、Al2O3：2.83％、B2O3：3.67％、Li2O：5.9％、F-：5.0％、Na2O：6.9％、BaO：6.5％，综合碱度为0.93。
(4)以一定的喂丝速度，采用单机双流法喂入稀土丝。连铸板坯的拉速是Vl为0.50m/min，拉速波动值控制为±0.005m/min。喂线处位于水口两侧对称位置，喂丝点距宽面100mm处，距水口为270mm。目标稀土含量为0.07Wt.％，收得率按照85％计，根据公式计算出喂丝速度为7.5m/min。
利用实施例3的铁铬铝连铸板坯结晶器喂线稀土合金化的生产方法，在生产200mm厚、1080mm宽0Cr21Al6连铸板坯的过程中虽有少量渣条，但不影响浇铸；铸坯中实际稀土含量为0.070～0.074Wt.％，稀土分布较为均匀，收得率为87％。
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。
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