加硼鋼連鑄坯中間裂紋缺陷的改善

1、加硼鋼連鑄坯中間裂紋缺陷的改善蘇篤星1，馬建超1，夏翁偉2，馮紅偉2(江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司1江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港215625；2宏發(fā)煉鋼廠，江蘇 張家港215625)摘 要：通過對(duì)添加硼前后A36鋼連鑄坯中間裂紋分布特征及其高溫力學(xué)性能的調(diào)查研究，分析了其中間裂紋的形成原因。結(jié)果表明，硼的加入降低了鋼的零塑性溫度是鑄坯產(chǎn)生中間裂紋的內(nèi)因，而鑄坯在連鑄過程中受彎曲應(yīng)變、矯直應(yīng)變以及輥縫不對(duì)中引起的過大應(yīng)變是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的外因。據(jù)此提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效地減輕了A36B鋼連鑄坯中間裂紋。關(guān) 鍵 詞：連鑄；中間裂紋；零塑性溫度硼鋼是以硼為基礎(chǔ)代替鉻、鎳的一種低合金結(jié)構(gòu)鋼。通過向

2、鋼中加入微量硼元素能夠顯著提高其淬透性，獲得優(yōu)良的機(jī)械性能，從而節(jié)約大量的貴重元素，因此得到廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用1。然而，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，添加硼會(huì)增加鋼在連鑄生產(chǎn)過程中的裂紋敏感性。2011年江蘇沙鋼集團(tuán)宏發(fā)煉鋼廠生產(chǎn)的A36B鋼(添加微量硼)連鑄坯出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的中間裂紋缺陷，不僅影響了連鑄坯以及后續(xù)軋制板材的內(nèi)部質(zhì)量，有些還直接造成板坯返廢，極大地影響了生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。從2012年1月開始，通過對(duì)A36B鋼連鑄坯中間裂紋現(xiàn)狀和機(jī)理進(jìn)行調(diào)查分析，確定加硼鋼連鑄坯發(fā)生中間裂紋的主要原因，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，顯著減輕了A36B鋼連鑄坯的中間裂紋缺陷。1 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝流程：鐵水脫硫180t轉(zhuǎn)爐爐外

3、精煉板坯連鑄。連鑄機(jī)為直弧型單流連鑄機(jī)，基本弧半徑1075m，結(jié)晶器長度900mm，鑄機(jī)長度34495m，工作拉速0615mmin，鑄坯斷面(220，250，320)mm(18002300)mm。A36B鋼的連鑄拉速為125mmin，澆鑄斷面為220mm2265mm，二冷比水量為076Lkg。2 中間裂紋評(píng)級(jí)及分布特征21 中間裂紋評(píng)級(jí)通過對(duì)2011年以來的A36B鋼鑄坯低倍統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中間裂紋等級(jí)大于等于15級(jí)比例達(dá)到22以上，而相似成分A36鋼(不含硼)連鑄坯中則主要為05級(jí)以下輕微的中間裂紋缺陷，如圖1所示。對(duì)于10級(jí)以下的中間裂紋，可以在軋制過程中通過提高加熱溫度和優(yōu)化軋制工藝予以

4、改善，不影響最終成品的內(nèi)在質(zhì)量，而對(duì)于15級(jí)以上的中間裂紋缺陷，由于其寬度較大(最大可達(dá)到1mm左右)，部分裂紋甚至在火焰切割后肉眼即可觀察到，后期軋制后很難焊合，故在生產(chǎn)過程中一般均判廢處理。22 中間裂紋分布特征通過鑄坯低倍統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鑄坯內(nèi)外弧均出現(xiàn)了不同程度的中間裂紋，且三角區(qū)也出現(xiàn)垂直于窄邊的中間裂紋。裂紋主要呈河流狀沿柱狀晶晶間分布，裂紋區(qū)微觀形貌如圖2所示，嚴(yán)重的達(dá)20級(jí)。其中，220mm厚的板坯外弧側(cè)裂紋主要分布在距外弧表面3080mm處，內(nèi)弧側(cè)裂紋集中分布于距內(nèi)弧表面70104mm處，三角區(qū)裂紋位于距窄邊3550mm處。3 中間裂紋產(chǎn)生原因分析討論31 鋼的高溫力學(xué)性能零強(qiáng)度溫

5、度(ZST)和零塑性溫度(ZDT)是表征材料高溫力學(xué)性能行為的重要參數(shù)，其中ZST表征固液界面剛凝固的金屬具有抵抗外力作用的溫度，而ZDT表征已凝固的金屬開始具有抵抗變形能力的溫度2。圖3給出了鋼在連鑄過程中糊狀區(qū)的機(jī)械性能以及相應(yīng)的固液界面結(jié)構(gòu)示意圖2，溫度高于ZST低于液相線溫度時(shí)，其機(jī)械性能與液相相似。在ZST與液相不能通過位置的溫度(LIT)范圍內(nèi)發(fā)生熱撕裂作用時(shí)，產(chǎn)生的裂紋縫隙在周圍包裹的鋼液填充下不會(huì)引起最終的連鑄坯裂紋，該部分稱之為液相補(bǔ)縮區(qū)。而在ZDT與LIT的脆性溫度區(qū)間，由于枝晶間搭橋比較致密，該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生裂紋時(shí)無法獲得鋼液填充，形成最終的鑄坯內(nèi)部裂紋，稱之為易開裂區(qū)。當(dāng)凝

6、固過程中易開裂區(qū)所受的累積應(yīng)變超過臨界應(yīng)變或拉伸應(yīng)力超過臨界斷裂應(yīng)力時(shí)，鑄坯便開始產(chǎn)生凝固裂紋。其中，LIT與ZDT對(duì)應(yīng)的固相率為090和0992。因此，連鑄過程糊狀區(qū)的機(jī)械性能對(duì)鑄坯裂紋產(chǎn)生重要影響，連鑄坯的高溫力學(xué)性能是決定凝固裂紋形成的內(nèi)在原因。為弄清加硼鋼連鑄坯中中間裂紋形成原因，采用熱模擬機(jī)對(duì)比分析了加硼A36B鋼和同成分不加硼A36鋼的高溫力學(xué)性能。試驗(yàn)所用鋼種的化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)在Gleeble3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行，以10s的速率升溫到1350，保溫5min，然后以3s的速率降溫至變形溫度，保持2min后在該溫度下以=110-3s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將試驗(yàn)中一系列

7、不同的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)整理，以斷面收縮率表征材料的塑性，可以獲得一個(gè)“溫度面縮率”的曲線圖，以描繪出材料隨溫度變化時(shí)塑性的變化。大部分材料中，塑性在一個(gè)固定溫度以上隨溫度的升高而降低，而塑性降為零值的一點(diǎn)即NDT溫度，在此溫度點(diǎn)材料變得非常脆，試驗(yàn)過程中ZDT重復(fù)測(cè)試了5次。零強(qiáng)度試驗(yàn)試樣一般使用20s的速率加熱到低于液化溫度100處，后使用12s的速率加熱直到試樣被損壞，斷裂點(diǎn)溫度即材料的NST。由于試樣成分差異，一般需要重復(fù)此試驗(yàn)。如果前兩次試驗(yàn)得到的溫度差值超過20，需要進(jìn)行第3次試驗(yàn)，所得平均值即材料的NST所得值。3次試驗(yàn)所得溫度前后差值在10以內(nèi)。表2為試驗(yàn)所得到的ZDT、ZST。由表2

8、可知，A36B、鋼與A36鋼的ZST都在1443左右，但A36B鋼的ZDT溫度與A36鋼相比低了50。根據(jù)圖3可知，相同ZST情況下，ZDT越低，裂紋敏感性越高。32 鋼中偏析元素對(duì)裂紋的影響對(duì)比2鋼種的化學(xué)成分比較可以看出，其主要區(qū)別在于A36B鋼的硼含量較高，為進(jìn)一步分析硼對(duì)其高溫裂紋敏感性的影響，采用EMPA對(duì)裂紋尖端附近進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明裂紋尖端附近存在一定的硼、磷和硫元素的富集。為進(jìn)一步調(diào)查裂紋處雜質(zhì)元素對(duì)裂紋的影響，從A36B鋼連鑄坯中沿垂直于中間裂紋方向取室溫拉伸性能測(cè)試樣，取樣位置如圖4所示。將試樣在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸過程中試樣沿中間裂紋位置斷裂，對(duì)拉伸斷口進(jìn)行SEM

9、成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，斷口位置分布有大量的條狀硫化錳，如圖5所示。分析認(rèn)為，在凝固過程中，硼、磷、硫等元素容易在枝晶間晶界位置形成偏析，并形成低熔點(diǎn)的硫化物、磷化物以及硼化物，降低了枝晶間液膜的凝固點(diǎn)，使鋼的高溫脆性區(qū)向低溫移動(dòng)，導(dǎo)致ZDT降低，增加了凝固裂紋敏感性36。另外，這些低熔點(diǎn)的夾雜物存在于晶界上，破壞了鋼基體的連續(xù)性，當(dāng)連鑄坯在凝固過程中受到外力作用時(shí)，容易在夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中而引起塑性變形產(chǎn)生大量的位錯(cuò)環(huán)，當(dāng)位錯(cuò)環(huán)在外力作用下到達(dá)夾雜物和基體的界面時(shí)，界面分離形成微孔，大量微孔的擴(kuò)散和聚合，使得在宏觀上表現(xiàn)出裂紋的形成。同時(shí)硫化物等夾雜物尺寸越大，其所產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)也越多、越長，微孔的

10、形成越早，長大速度也越快，更容易形成裂紋7。由表1可知，A36B鋼盡管比A36鋼磷、硫元素含量較低，但其零塑性溫度更低，說明硼對(duì)鋼的裂紋敏感性影響更大。有文獻(xiàn)報(bào)道，裂紋對(duì)硼的敏感性是磷的約10倍8。33 連鑄過程受力對(duì)裂紋的影響文獻(xiàn)指出，在二次冷卻區(qū)凝固坯殼的受力與變形是產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的根源9。在生產(chǎn)中，隨著連鑄爐數(shù)的增加，扇形段的對(duì)弧精度和輥縫值都會(huì)發(fā)生偏差，這樣造成連鑄坯在運(yùn)行過程中，固液界面處所承受的應(yīng)力如彎曲應(yīng)力、鼓肚應(yīng)力等都會(huì)增加，當(dāng)連鑄坯承受總應(yīng)力超過臨界斷裂應(yīng)力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂紋。結(jié)合A36B鋼連鑄坯低倍裂紋的分布特征和VAI在線凝固模型計(jì)算結(jié)果可知，外弧側(cè)以及三角區(qū)裂紋的起始端位置

11、位于連鑄機(jī)彎曲段，而鑄坯內(nèi)弧側(cè)中間裂紋起始端位于鑄機(jī)的矯直扇形段。從低倍照片可以看出，外弧側(cè)及三角區(qū)裂紋主要分布在靠近外表面的位置，這主要是由于鑄坯在彎曲段時(shí)外弧側(cè)受張力作用，導(dǎo)致外弧側(cè)凝固坯殼在ZDTLIT區(qū)發(fā)生熱撕裂作用，形成初始裂紋源，并在隨后的彎曲過程中進(jìn)一步擴(kuò)展而產(chǎn)生的；內(nèi)弧側(cè)裂紋的主要是由于矯直段內(nèi)弧側(cè)受張力作用所致。另外，在連鑄過程中，如果存在輥縫不對(duì)中或?qū)〔粶?zhǔn)等設(shè)備不良狀況時(shí)，或由于冷卻不均勻而導(dǎo)致較大鼓肚時(shí)，也會(huì)在凝固前沿產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)連鑄坯凝固坯殼所受的內(nèi)應(yīng)力大于臨界應(yīng)力時(shí)，裂紋容易沿枝晶間液相膜形成并擴(kuò)展，形成晶間裂紋。4 中間裂紋改進(jìn)措施及效果根據(jù)以上分析可知，

12、硼、磷、硫元素的微觀偏析以及晶界處硫化物等夾雜物的存在導(dǎo)致加硼鋼零塑性溫度降低，是導(dǎo)致A36B鋼連鑄坯中間裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在原因。彎曲應(yīng)變、矯直應(yīng)變、鼓肚應(yīng)變與輥縫不對(duì)中導(dǎo)致的較大應(yīng)變是中間裂紋產(chǎn)生的外在原因。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)。1)降低鋼中雜質(zhì)元素含量。通過優(yōu)化煉鋼操作，提高澆鑄A36B鋼水磷、硫含量的內(nèi)控水平，鋼水中(S)控制標(biāo)準(zhǔn)由原來的20010-6以下提高到5010-6以下，鋼水中(P)由原來的20010-6降低到15010-6以下。2)重新規(guī)范檢修制度，加強(qiáng)對(duì)扇形段輥縫和段之間對(duì)弧的測(cè)量和校正，輥縫偏差控制在05mm以內(nèi)，弧度偏差控制在1mm以內(nèi)。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)噴嘴的

13、檢查，對(duì)堵塞的噴嘴及時(shí)進(jìn)行更換。通過對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備的維護(hù)以及鋼水成分控制，有效地改善了中間裂紋缺陷。改進(jìn)后，A36B鋼中間裂紋平均級(jí)別由2011年的12級(jí)降至2012年59月的06級(jí)，三角區(qū)裂紋平均級(jí)別由086級(jí)降至03級(jí)，完全消除了15級(jí)及以上的中間裂紋缺陷。5 結(jié)論通過對(duì)添加硼前后A36鋼連鑄坯中間裂紋分布特征及其高溫力學(xué)性能的調(diào)查研究，分析了其中間裂紋的形成原因，并提出了相應(yīng)的改善措施，有效地減輕了A36B鋼連鑄坯中間裂紋。1)硼的加入降低了鋼的零塑性溫度是鑄坯產(chǎn)生中間裂紋的內(nèi)因，添加微量硼后，A36鋼的零塑性溫度降低了50。2)硼、磷、硫元素的微觀偏析以及晶界處硫化物等夾雜物的存在導(dǎo)致加

14、硼鋼零塑性溫度降低的主要原因，其中硼的影響最大。3)彎曲矯直應(yīng)變、鼓肚應(yīng)變與輥縫不對(duì)中導(dǎo)致的較大應(yīng)變是中間裂紋產(chǎn)生的外在原因。4)通過降低鋼水雜質(zhì)元素含量、加強(qiáng)對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備的維護(hù)，有效地改善了A36B鋼鑄坯中間裂紋缺陷，A36B鋼中間裂紋平均級(jí)別由原來的12級(jí)降至06級(jí)，三角區(qū)裂紋平均級(jí)別由086級(jí)降至03級(jí)，完全消除了15級(jí)及以上中間裂紋缺陷。參 考 文 獻(xiàn)：1 田樹生，易耀云，楊勇45B含硼鋼裂紋成因分析及改進(jìn)J金屬材料與冶金工程，2010，38(5)：36482 Seol D J，Won YM，Oh KH，et al_Mechanical behavior of carbon steel

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