大直徑連鑄連軋圓鋼連續式調質開裂原因分析

郭東旭，袁長生，常春麗

東北特殊鋼集團股份有限公司 遼寧大連 116600

1 序言

42CrMoS4圓鋼調質材料是歐標EN 10083-3：2006（目前已被EN ISO 683-2：2018替代）中最為常用的品種。因其具有良好的強度及塑韌性，并通過添加S元素又具有良好的車削性能，所以廣泛應用于工程機械、汽車、石油及風電等行業。本文通過對該品種調質過程中發生的開裂問題進行深入分析，進一步優化工藝，大幅減少了過程廢品，實現了連鑄代替模鑄，生產成本大幅降低。

2 問題概述

2014年，東北特鋼集團大連基地引進合金鋼大棒材連續調質處理生產線，規格φ100～φ360mm軋材。自投產以來，以42CrMoS4鋼為代表的中碳合金鋼隨著連鑄連軋生產規格的逐步擴大，采用φ600mm圓坯軋制生產φ250mm以上圓材，調質前進行無損檢測，能夠滿足標準要求，但在后續調質過程中出現不同程度的開裂現象（見圖1、圖2）。而同期生產的更大規格模鑄材沒有開裂問題發生，因此需要對連續式調質過程中開裂原因進行分析，找出工藝改善點，實現大直徑調質材的連鑄化，擴大連鑄極限規格。

圖1 鋼材開裂形貌

圖2 斷裂面形貌

3 生產工藝及設備

3.1 工藝流程

工藝流程為：轉爐→LF→RH→兩機兩流大圓坯連鑄機→φ600mm連鑄坯旋轉加熱/緩冷→步進梁式加熱爐→1050軋機開坯→連軋機→緩冷→調質→檢測→精整入庫。

3.2 熱處理設備

熱處理設備為燃氣式連續調質爐，可生產規格φ100～φ360mm，天然氣明火加熱，V形輥輥底式淬火加熱爐，輥子與料臺軸線呈一定角度同時自轉，單支鋼材旋轉通過淬火加熱爐，以達到防止變形、實現均勻冷卻的目的。輥子中心線與爐子中心線設計為一定夾角。

淬火水箱冷卻介質為水，采用水環噴射冷卻。該種冷卻方式可以使蒸汽膜提早破裂，顯著提高在較高溫度區間內的換熱系數和冷卻速度，噴水壓力越高，流量越大，冷卻效果就越好[1]。噴水系統（水環）分為高壓噴水區和低壓噴水區。高壓水環4組，每組可單獨控制流量；低壓水環若干組，水流量需整體調節，如圖3所示。

圖3 淬火過程

3.3 調質工藝

亞共析鋼一般淬火加熱比Ac3高30～50℃[1]，42CrMoS4鋼Ac3（參考42CrMo鋼）為780℃[2]，連續爐按區制定升溫及保溫工藝，考慮到出爐溫降條件，保溫區溫度為850℃，為提高加熱效率，3～7區溫度高于850℃，見表1。淬火冷卻為水冷，采用高壓和低壓水環冷卻，具體工藝見表2。回火溫度主要根據用戶性能要求進行調整，一般在630～680℃。

表1 淬火加熱工藝

表2 冷卻工藝

4 檢測

4.1 化學成分

選取一爐φ250mm的42CrMoS4圓鋼作為分析對象，鋼材熔煉化學成分見表3。從表3可看出，化學成分均符合要求。

表3 42CrMoS4圓鋼化學成分（質量分數） （%）

4.2 力學性能

根據EN 10081-1：2005及EN 10083-3：2006要求，鋼材調質后在距表面12.5mm處截取縱向試樣，檢測力學性能，結果見表4。力學性能指標符合EN 10083-3：2006要求，且指標較好。

表4 規格φ250mm圓鋼力學性能檢測結果

4.3 低倍檢測

對調質開裂鋼材取樣進行酸浸低倍檢測，按ASTM E381：2017進行評級，標準要求不超過S2（皮下區域2級），R2（一般區域2級）、C2（中心區域2級）。實際結果如圖4所示，評級為S1、R1、C3，中心區域疏松評級有超標現象。

圖4 低倍檢測

5 原因分析

5.1 檢測數據分析

鋼材化學成分無異常，力學性能指標符合EN 10083-3：2006要求，且同其他規格生產質量相當，屈強比及沖擊性能結果屬于正常水平，說明淬火奧氏體化及淬火冷卻速度可以滿足馬氏體轉變要求。但鋼材低倍中心疏松存在超標現象，與模鑄生產中心低倍質量有一定差距，模鑄生產時該規格組織從未發生開裂現象，中心區域疏松會弱化心部區域的強度，使得開裂更容易發生。

5.2 宏觀及理論分析

鋼材縱裂發生在淬水后、回火前，一般發生在淬火水箱后半段或進回火爐之前的橫移臺架上，從圖5可以看出，裂紋起始點為距鋼材端部150～200mm處，可見從中心區域向外放射的紋理，說明鋼材開裂是由中心開始的。由于42CrMoS4鋼淬透性有限，一般200mm以上規格可完全轉化為馬氏體的深度不到20mm，因此在這個淬火過程中的開裂屬于典型的大規格非淬透件開裂。圖6[2]所示為組織應力抵消了一部分熱應力后以熱應力為主的殘留應力分布，該曲線體現了該開裂鋼材冷卻后期的應力分布，隨著冷卻逐漸進行，組織轉變已接近尾聲。而且由于該鋼淬透性有限，心部未發生馬氏體轉變，此時心部仍在進一步冷卻收縮，心表的溫度差導致心部承受來自表面的拉應力，該拉應力與溫度差成正比關系。當心部拉應力超過心部可承受的強度極限時，會從心部開始形成開裂，這時如果心部致密性不良，則會加劇該問題發生。

圖5 斷裂形貌

圖6 應力變化曲線

5.3 數據分析驗證

為進一步驗證相關工藝數據參數對開裂的影響，將化學成分（C、Mn、Cr、Mo、P、S）、低倍、高壓水流量、高壓水壓力、低壓水流量及低壓水壓力等所有相關數據進行收集統計，運用Minitab進行回歸分析，找出影響最大的關鍵因子。最終從P值相關性判斷，C元素、低倍C（中心區域）、低壓流量及壓力是主要影響因素，這與前面的理論分析是基本一致的，低壓流量及壓力作業在冷卻后期，會導致鋼材表面一直被冷卻，這樣心部與表面會形成較大的溫度梯度，心部承受的拉應力也就越大，中心低倍的質量又影響到心部承受這部分拉應力的能力。因此，后續工藝改善要從如何減少心部拉應力作為關鍵點。

6 工藝改進及效果

綜合以上分析，在當前的化學成分及低倍質量前提下，既要保證淬火質量又要降低鋼材熱應力是需要解決的關鍵問題。結合回歸分析數據，決定對淬火加熱溫度850℃以上的溫度全部降為850℃，以降低鋼材心部奧氏體化過程溫度，這樣可以使心部溫度降低。同時關閉所有低壓水，僅采用高壓水冷卻，使鋼材冷卻后期有一定的表面返溫，通過調整鋼材出水箱溫度，即從原50～80℃提高到150～180℃，完全可以保證淬火效果及性能滿足標準要求。工藝改進后，后續生產鋼材開裂問題得到有效地解決，產品性能檢測（皮下12.5mm）全部滿足標準要求。按此工藝思路不斷優化，連鑄連軋材生產規格已擴展至φ290mm，并可穩定生產。

7 結束語

1）在連續式調質過程中，鋼材開裂的主要原因是由于連鑄材中心疏松區域在淬火冷卻后期受到超出其抗拉強度極限的拉應力，因此導致開裂發生。

2）在當前化學成分及低倍質量下，通過調整奧氏體化溫度、淬火水環后期冷卻強度，適當提高出水箱溫度，可有效降低鋼材心部拉應力，摸索出合適的工藝既保證產品性能合格又可以避免開裂問題發生。

3）優化后的工藝制度完全滿足產品質量要求。