電弧爐冶煉Q355D連鑄坯的高溫熱塑性研究

張振申 藺學浩 賀瑞飛

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

2020年我國提出CO2排放力爭于2030年之前達到峰值，努力爭取2060年之前實現碳中和。鋼鐵行業作為我國重要的基礎工業，是能源和CO2排放大戶，CO2排放量占全國CO2排放總量的15%～18%[1-2]。中國鋼鐵工業主要以高爐-轉爐的長流程為主，長流程生產粗鋼產量占90%以上，而長流程CO2排放量在2 000～2 400 kg/t，而電弧爐短流程的CO2排放量僅有500 kg/t左右，隨著我國廢鋼資源的總量增加，廢鋼循環及利用產業鏈的完善，發展電弧爐短流程生產模式是鋼鐵行業發展的主要方向[3]。現有電弧煉鋼生產過程中鋼水中P、S、N、殘余元素等有害元素的含量增加，隨著鋼中有害元素含量的增加，鋼的高溫熱塑性發生較大的變化[4]。 連鑄坯角橫裂和表面橫裂紋主要發生在連鑄生產過程的彎曲和矯直階段，為了了解連鑄坯角部裂紋的原因，高溫熱塑性試驗是一種研究連鑄坯高溫性能和裂紋敏感性的有效方法之一。

在連鑄生產過程中，鑄坯角部裂紋發生的頻率增加，電弧爐鑄坯生產的成品材中出現邊部裂紋的比例為3.2%～5.8%，同比轉爐鋼邊部裂紋發生的概率增加72.3%～95.0%。電弧爐鋼鑄坯角橫裂如圖1所示，鑄坯角部裂紋主要分布在鑄坯振痕波谷處，沿鑄坯窄面和寬面延伸5～15 mm，鑄坯內弧側的裂紋程度和數量要高于外弧側，在連鑄坯矯直過程中，振痕處成為應力最為集中的位置，隨著矯直溫度的降低，鑄坯高溫塑性降低誘發裂紋沿振痕波谷不斷延伸，經2800機組軋制后在鋼板表面開裂形成邊部裂紋，裂紋距邊部30～80 mm，存在邊部裂紋的鋼板需在線下進行人工切割，造成切除廢品量增加，原有合同的寬度尺寸改變需重新生產，使交貨時間延長，降低電弧爐鋼的綜合效益。筆者采用GLEEBLE-3800熱模擬試驗機對電弧爐冶煉生產的Q355D低合金鋼連鑄板坯在600～1 350 ℃溫度區間的高溫熱塑性進行了研究，為該鋼種二冷工藝調整和矯直溫度的控制提供依據。

圖1 電弧爐鋼角橫裂

1 高溫熱塑性試驗方案

1.1 試驗鋼種工藝及成分

利用GLEEBLE-3800熱模擬試驗機進行電弧爐生產低合金鋼Q355D的鑄坯熱塑性試驗，了解鑄坯高溫的塑性變形能力和裂紋敏感位溫度區間，防止在連鑄坯矯直過程出現角部裂紋和橫裂紋。Q355D的生產工藝流程如圖2所示。安鋼100 t電弧爐采用38.2%鐵比的生產模式，試樣的化學成分見表1，電弧爐冶煉鋼種的Cu、Cr、Ni等殘余元素含量隨鐵比的降低而不斷增加。

表1 Q355D試樣的化學成分

圖2 Q355D的生產工藝流程

1.2 試樣加工方案

試驗樣品的取樣位置和精度直接關系到試驗數據的準確性和穩定性，試樣選取時需避開鑄坯兩側三角區及中心偏析區域，在1 500 mm×200 mm鑄坯的寬度1/4區域、厚度距鑄坯表面10～60 mm的范圍內取樣，試樣的軸向方向與鑄坯拉坯方向相同，鑄坯取樣位置如圖3所示。首先取20 mm×20 mm×200 mm的矩形試樣，然后將矩形試樣加工成為10 mm×121.5 mm，并將兩端加工15.25 mm的螺紋，如圖4所示。

圖3 鑄坯取樣位置

圖4 試樣加工

1.3 熱塑性試驗方案

采用GLEEBLE-3800熱模擬機進行高溫拉伸試驗，測試的溫度范圍為600～1 350 ℃，每隔50 ℃測量一組數據。熱塑性試驗工藝方案如圖5所示，將試樣夾持在真空度為1.33×105MPa的真空槽內，通過大電流將其以10 ℃/s的速度從室溫加熱至1 300 ℃并保溫3 min，當測試溫度≥1 300 ℃時以1 ℃/s的加熱速度升溫至測試溫度并保溫2 min，然后以固定的形變速率進行高溫拉伸試驗，當測試溫度＜1 300 ℃時以2 ℃/s的冷卻速度降低至測試溫度并保溫2 min，然后以固定的形變速率進行高溫拉伸試驗。為模擬高溫下連鑄矯直區域的變形行為，熱塑性試驗的應變率選取1×10-3s-1。每組試樣每個溫度制度重復進行兩次試驗，兩次試驗斷面收縮率值之差小于3%，取兩次試驗結果的平均值作為該溫度制度的斷面收縮率和抗拉強度，若兩次試驗結果差距較大，則進行再次試驗，取其中斷面收縮率值之差小于3%的試驗結果平均值。

圖5 熱塑性試驗工藝方案

2 高溫拉伸性能

根據試樣斷口截面積與初始試樣截面積之比作為斷面收縮率，R.A%。以測量5次斷口直徑的平均值作為斷口截面的直徑，計算斷口面積，如：

式中，R.A——斷面收縮率，%；Do——試樣初始直徑，mm；Di——試樣斷口第次測量值，mm。

當面縮率R.A%值大于60%時，鋼不易出現裂紋；R.A%值處于40%～60%之間時，裂紋發生概率較低[5]；R.A%值小于40%時，裂紋敏感性大大增強。測量并計算不同溫度下斷口的收縮率，做出R.A-T曲線，分析鑄坯脆性區間，從而確定鑄坯合理的矯直溫度區間（第Ⅲ脆性區間）以及鑄坯的內裂紋敏感區（第Ⅰ脆性區間）。

電弧爐鋼Q355D鑄坯在不同溫度下試樣斷面收縮率（R.A%）隨溫度的變化曲線如圖6所示。電弧爐鋼Q355D存在明顯的高溫塑性區和低溫脆性區，高溫塑性區為1 150～1 300 ℃之間，該區間最低斷面收縮率為60.9%；低溫脆性區在650～950 ℃之間，溫度小于950 ℃之后鑄坯收縮率迅速由88.1%降低至900 ℃的33.1%，斷面收縮率在800 ℃時達到最低（為23.9%），斷面收縮率低于60%的溫度范圍為661～922 ℃，斷面收縮率低于40%的溫度范圍為700～900 ℃。在結晶器中鑄坯振痕波谷處與結晶器形成空隙，使得其傳熱速率降低，形成粗大的奧氏體晶粒，造成鑄坯的高溫力學性能降低。在出結晶器時坯殼溫度一般在1 250 ℃左右，邊角部溫度更低，而在1 250 ℃時電弧爐鋼Q355D鑄坯的收縮率只有60.9%，抗拉強度11.6 MPa，當鑄坯的變形速率大于該溫度下的塑性，可能在鑄坯角部和表面出現裂紋源。在彎曲和矯直的過程中，振痕波谷處不斷受較集中的張力和壓力，當鑄坯振痕波谷的形變速率大于其高溫塑性時，在振痕波谷處就會產生角部裂紋。因此，為了保證電弧爐鋼Q355D鑄坯應在高溫奧氏體區進行彎曲矯直時避免或減少角部裂紋的產生，要求電弧爐生產低合金鋼Q355D時鑄坯進入拉矯機前的表面溫度應≥950 ℃，且二冷區縱向和橫向噴水冷卻要均勻，降低角部冷卻速率防止鑄坯角部過冷。

圖6 Q355D斷面收縮率隨溫度變化曲線

電弧爐鋼Q355D鑄坯在不同溫度下試樣的抗拉強度隨溫度的變化曲線如圖7所示。在600～1 300 ℃之間，Q355D鑄坯的抗拉強度隨溫度的降低而逐漸升高。在1 000 ℃以上，溫度每降低100 ℃，抗拉強度平均升高7.2 MPa；在700～1 000 ℃之間，溫度每降低100 ℃，抗拉強度平均升高23.5 MPa；當溫度降低到700 ℃之后，溫度每降低100 ℃，抗拉強度平均升高78.7 MPa。

圖7 電弧爐鋼Q355D抗拉強度隨溫度變化曲線

電弧爐鋼與轉爐鋼Q355D的高溫塑性曲線如圖8所示。在950～1 150 ℃之間，電弧爐鋼的熱塑性要優于轉爐鋼，雖然試驗時先將溫度加熱至1 350 ℃并保溫，但鑄坯冷卻過程中已經形成的AlN在奧氏體晶界聚集，阻礙再次加熱過程中奧氏體長大，電弧爐鋼的氮含量高于轉爐鋼。因此，同等條件下電弧爐鋼的晶粒比轉爐鋼的更細，塑性更好。當溫度低于950 ℃時，電弧爐鋼的塑性下降幅度更大，斷面收縮率達到60%時電弧爐鋼和轉爐鋼的溫度分別為921.9 ℃、897.4 ℃，同等條件下，電弧爐鋼比轉爐鋼高出24.5 ℃。因此，在連鑄矯直過程中，電弧爐鋼的裂紋敏感性更高。

3 高溫斷口形貌分析

對鑄坯進行高溫拉伸試驗后，對拉斷試樣的斷口形貌進行掃描電鏡觀察分析，1 000～1 300 ℃條件下，試樣斷口因高溫發生過熔，失去原有形貌特征。因此選取因過熔失真較小的試樣進行分析。

圖8 電弧爐鋼與轉爐鋼Q355D的高溫塑性曲線

對650 ℃、800 ℃、950 ℃、1 250 ℃的試樣斷口形貌進行觀察分析，如圖9所示。從形貌上看，650 ℃、950 ℃時的斷口處韌窩粗糙，對應的面縮率也更大；1 000～1 300 ℃條件下，鑄坯在此溫度區間具有較好的塑性，斷面收縮率（高溫塑性區除外）基本在80%以上，1 250 ℃時，斷口處的韌窩光滑，對應的塑性相對差一些。由950 ℃的斷口形貌可知，該溫度下斷口呈典型的韌窩狀，試樣在收到拉力逐漸變形，當應變超過臨界應變并繼續變形的過程中，晶粒內部形成孔洞，隨著變形量的增大，孔洞長大并連接成縮頸直至斷裂，此斷裂方式為穿晶塑性斷裂。800 ℃時，此溫度處于第Ⅲ脆性區內，試樣的斷面收縮率為30.1%，斷口呈典型的“冰糖”狀斷口，表現出明顯的沿晶脆性斷裂的特征，塑性較差。650 ℃時，斷口分布有眾多良好塑性的韌窩，韌窩逐漸變多，鐵素體中的夾雜物成為孔洞中心，空洞長大，斷口形貌表現為鐵素體拉伸形成的韌窩，塑性回升。

圖9 電弧爐鋼Q355D不同溫度下的斷口形貌

4 結論

電弧爐冶煉的低合金鋼Q355D存在明顯的高溫塑性區和低溫脆性區，高溫塑性區為1 150～1 300 ℃，該區間最低斷面收縮率為60.9%；第Ⅲ脆性區為650～950 ℃，斷面收縮率在800 ℃時達到最低，為23.9%，斷口呈沿晶脆性斷裂的特征，為避免鑄坯角部裂紋的產生，鑄坯在矯直區的表面溫度要≥950 ℃，避開第Ⅲ脆性區間。

不同鐵耗情況下電弧爐鋼比轉爐鋼的氮含量要高0.002 0%～0.004 0%，鑄坯冷卻過程中更早形成AlN在奧氏體晶界聚集，根據高溫熱塑性試驗，電弧爐鋼Q355D的第Ⅲ脆性區間比轉爐鋼高出24.5 ℃，電弧爐鋼的裂紋敏感性更高。