重型異形坯鑄坯表面橫裂紋的成因分析與控制

胡林梅，沈 昶，王 猛

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

異形坯具有鑄坯形狀復(fù)雜、表面積大等特點(diǎn)，連鑄生產(chǎn)時(shí)鑄坯各點(diǎn)的散熱差異較大，導(dǎo)致斷面上各點(diǎn)溫度場(chǎng)分布不均勻，因此，鑄坯易產(chǎn)生表面裂紋缺陷［1］。隨著斷面尺寸增大，鑄坯坯殼在結(jié)晶器內(nèi)凝固均勻性變差，坯殼受到結(jié)晶器斷面形狀所產(chǎn)生的應(yīng)力更強(qiáng)，產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)更高。軋制過(guò)程中如若不能消除表面橫裂紋，缺陷將會(huì)保留在成品表面，增加后續(xù)處理成本，甚至形成龜裂廢品，影響產(chǎn)品的生產(chǎn)交貨和盈利水平。以下對(duì)重型異形坯連鑄機(jī)生產(chǎn)大斷面坯料過(guò)程影響其翼緣表面橫裂紋的主要原因進(jìn)行分析探討。

1 基本生產(chǎn)情況

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn)，重型異形坯連鑄機(jī)在生產(chǎn)Q355 級(jí)和Q420 級(jí)為代表的低合金鋼時(shí)，產(chǎn)生的橫裂紋缺陷較多，這兩類(lèi)鋼種均為需入LF爐精煉的鋼種，連鑄機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 連鑄機(jī)主要參數(shù)

2 橫裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 翼緣表面橫裂紋的形態(tài)和成因分析

一般認(rèn)為鑄坯橫裂紋的產(chǎn)生可分為三個(gè)階段［2］：一是初生坯殼生成不均勻，在應(yīng)力作用下坯殼薄弱處產(chǎn)生裂紋；二是進(jìn)入二冷段后由于冷卻不均勻?qū)е挛⒓?xì)裂紋擴(kuò)展；三是矯直溫度處于脆性區(qū)，鑄坯內(nèi)弧在張力作用下產(chǎn)生裂紋。盡管表面橫向裂紋的早期形成階段可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在鑄坯出結(jié)晶器之后的二冷區(qū)和矯直區(qū)。鑄坯在運(yùn)行過(guò)程中受到彎曲和矯直以及鼓肚等應(yīng)力作用，如果此時(shí)連鑄機(jī)設(shè)備精度不高，易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。鑄坯在冷卻過(guò)程中發(fā)生奧氏體到鐵素體相變，第二相質(zhì)點(diǎn)在奧氏體晶界析出，增加了晶界脆性［3］。特別是在矯直時(shí)，如果鑄坯表面溫度剛好處于裂紋敏感區(qū)，容易在振痕波谷處產(chǎn)生裂紋。圖1 為重型異形坯鑄坯翼緣頂端表面橫裂紋。

圖1 重型異形坯鑄坯翼緣頂端表面橫裂紋

從圖1 可以看出，鑄坯的內(nèi)弧翼緣頂端有橫裂紋產(chǎn)生，鑄坯的外弧翼緣頂端沒(méi)有裂紋，橫裂紋主要位于內(nèi)弧翼緣頂端外側(cè)的振痕波谷處，內(nèi)側(cè)沒(méi)有裂紋產(chǎn)生。重型異形坯鑄坯翼緣表面橫裂紋金相檢測(cè)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 重型異形坯鑄坯翼緣頂端表面橫裂紋金相檢測(cè)結(jié)果

從圖2 可以看出，鑄坯表面橫裂紋沿粗大的奧氏體晶粒開(kāi)裂，沿奧氏體晶界存在白色的先共析鐵素體。先共析鐵素體在奧氏體中形核析出導(dǎo)致晶界強(qiáng)度弱化［4］。如果鑄坯矯直時(shí)的溫度剛好處于裂紋敏感區(qū)，又加上振痕“缺口效應(yīng)”的影響，容易在振痕波谷處產(chǎn)生裂紋。

2.2 重異典型鋼種高溫力學(xué)性能研究

在Gleeble 熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，將試樣加熱、拉伸、然后測(cè)量斷口直徑，并以此作為標(biāo)志熱塑性高低的性能指標(biāo)，即斷口直徑越大，熱塑性越低，而斷口直徑越小，則熱塑性越高。高溫力學(xué)性能的系統(tǒng)研究表明，從鋼的熔點(diǎn)附近到600 ℃左右的溫度區(qū)間存在三個(gè)脆性區(qū)。第Ⅰ脆性區(qū)從熔點(diǎn)到1 200 ℃左右；第Ⅱ脆性區(qū)約900～1200 ℃；第Ⅲ脆性區(qū)約600～900 ℃。由于鋼的化學(xué)成分、應(yīng)變速率等條件的不同，三個(gè)脆性區(qū)不一定同時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，第Ⅱ脆性區(qū)有時(shí)并不出現(xiàn)。

高溫拉伸試樣取自于重型異形坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的Q355 級(jí)和Q420 級(jí)鋼連鑄坯，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2，試驗(yàn)內(nèi)容與條件見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)鋼種主要化學(xué)成分 %

表3 試驗(yàn)內(nèi)容與條件

將加工好的試樣在Gleeble2000D 熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫?zé)崴苄栽囼?yàn)。試驗(yàn)前將熱電偶點(diǎn)焊在試件表面，用以加熱及溫度測(cè)量。測(cè)試時(shí)試樣室通入流量為1 L∕min 的氬氣流，以10 ℃∕s 的速度加熱至1 300 ℃并保溫3 min，然后以3 ℃∕s 的冷卻速度降至拉伸試驗(yàn)溫度點(diǎn)，保溫3 min 后以1×10-3s-1的應(yīng)變速率對(duì)試樣進(jìn)行拉伸。試樣斷裂冷卻后，采用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量拉斷部位的截面積，通過(guò)計(jì)算得到該溫度下的斷面收縮率，并記錄試樣斷裂時(shí)的抗拉強(qiáng)度。

試驗(yàn)獲得Q355級(jí)鋼的熱塑性曲線(xiàn)，低塑性區(qū)的溫度范圍為600～620 ℃和740～920 ℃，試樣斷面收縮率小于40%，其中800 ℃時(shí)鑄坯塑性最差，斷面收縮率僅為23%。當(dāng)溫度大于980 ℃時(shí)，試樣斷面收縮率大于60%。連鑄坯高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的上升，總體呈下降趨勢(shì)，即溫度越高，鑄坯的強(qiáng)度指標(biāo)越低。在600～800 ℃范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度隨溫度升高下降較快。600 ℃時(shí)，鑄坯的抗拉強(qiáng)度約240 MPa。當(dāng)溫度大于1 050 ℃時(shí)，連鑄坯的抗拉強(qiáng)度基本小于30 MPa，表明在高溫下鑄坯受力容易超過(guò)其高溫強(qiáng)度極限而發(fā)生非均勻塑性變形，產(chǎn)生裂紋缺陷。

試驗(yàn)獲得Q420級(jí)鋼的熱塑性曲線(xiàn)，裂紋敏感區(qū)在600～950 ℃之間，其中800 ℃時(shí)鑄坯塑性最差，斷面收縮率僅為17%；600 ℃時(shí)，鑄坯的抗拉強(qiáng)度約330 MPa；1 000 ℃以上時(shí)，鑄坯的抗拉強(qiáng)度基本小于30 MPa。

通過(guò)對(duì)典型鋼種做系統(tǒng)的高溫力學(xué)性能分析，確定鑄坯產(chǎn)生低塑性區(qū)的實(shí)際溫度范圍，Q355級(jí)鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～620 ℃和740～920 ℃；Q420級(jí)鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～950 ℃。

2.3 重型異形坯鑄坯表面溫度測(cè)量

采用鑄坯表面在線(xiàn)測(cè)溫裝置測(cè)量重型異形坯鑄坯進(jìn)拉矯時(shí)的鑄坯表面溫度。測(cè)量鋼種為Q355級(jí)鋼，在拉速0.90 m∕min 工況下，測(cè)量10 min，結(jié)果如表4所示。

表4 Q355級(jí)鋼進(jìn)拉矯時(shí)翼緣頂端表面溫度

從表4 可以看出，進(jìn)拉矯時(shí)鑄坯內(nèi)弧翼緣頂端最低溫度≤600 ℃。內(nèi)弧翼緣頂端溫度波動(dòng)≥135 ℃，溫度波動(dòng)范圍偏大。由于異形坯斷面形狀不規(guī)則，鑄坯翼緣頂端散熱快、溫度低，R角散熱慢、溫度高，鑄坯翼緣頂端冷熱不均，溫度梯度過(guò)大，容易產(chǎn)生熱裂紋。

3 橫裂紋工藝控制措施

3.1 鑄機(jī)拉速、冷卻水強(qiáng)度的影響

通過(guò)對(duì)翼緣頂端橫裂紋成因的分析，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可以考慮避開(kāi)裂紋敏感區(qū)。提高鑄機(jī)拉速，降低連鑄二冷強(qiáng)度，使鑄坯過(guò)矯直時(shí)避開(kāi)裂紋敏感區(qū)。生產(chǎn)Q355 級(jí)鋼種時(shí)，對(duì)于900 mm×510 mm×130 mm 斷面產(chǎn)品，設(shè)定拉速≥0.70 m∕min；對(duì)于1 030 mm×440 mm×130 mm 斷面產(chǎn)品，設(shè)定拉速≥0.75 m∕min；對(duì)于1 300 mm×510 mm×140 mm 斷面產(chǎn)品，設(shè)定拉速≥0.55 m∕min。結(jié)晶器冷卻水量降低20%，以減少坯殼和結(jié)晶器銅板間的氣隙，改善鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱條件。二冷內(nèi)弧側(cè)冷卻水量降低20%，提高鑄坯進(jìn)拉矯時(shí)翼緣頂端的溫度。工藝優(yōu)化前、后翼緣頂端的溫度分布如圖3所示。

圖3 工藝優(yōu)化前、后鑄坯進(jìn)拉矯機(jī)時(shí)翼緣頂端的溫度分布

從圖3可以看出，通過(guò)提高鑄機(jī)拉速、降低冷卻水強(qiáng)度的方法可以減少鑄坯內(nèi)弧翼緣頂端溫度差，使溫度更加均勻。

3.2 酸溶鋁含量的影響

生產(chǎn)Q355 級(jí)含鋁鋼時(shí)均出現(xiàn)了嚴(yán)重的翼緣頂端橫裂紋，酸溶鋁含量基本在0.025%左右，在原有基礎(chǔ)上降低酸溶鋁含量（≤0.010%），在保證沖擊性能的同時(shí)改善鑄坯的熱塑性。不同酸溶鋁含量下的Q355級(jí)鋼軋后龜裂廢品率如表5所示。

表5 Q355級(jí)鋼軋后龜裂廢品統(tǒng)計(jì)

龜裂產(chǎn)生的主要原因是鑄坯翼緣頂端有橫裂紋缺陷。從表5可以看出，降低酸溶鋁含量后，Q355級(jí)鋼軋后龜裂廢品率明顯降低。

4 結(jié)論

（1）重型異形坯鑄坯的內(nèi)弧翼緣頂端有橫裂紋產(chǎn)生，外弧翼緣頂端沒(méi)有裂紋。橫裂紋主要位于內(nèi)弧翼緣頂端外側(cè)的振痕波谷處，內(nèi)側(cè)沒(méi)有裂紋。

（2）通過(guò)對(duì)典型鋼種做高溫力學(xué)性能分析，確定鑄坯產(chǎn)生低塑性區(qū)的實(shí)際溫度范圍。Q355 級(jí)鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～620 ℃和740～920 ℃；Q420級(jí)鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～950 ℃。

（3）由于異形坯斷面形狀不規(guī)則，鑄坯翼緣頂端散熱快、溫度低，R角散熱慢、溫度高，鑄坯翼緣頂端冷熱不均，溫度梯度過(guò)大，容易產(chǎn)生熱裂紋，通過(guò)提高鑄機(jī)拉速、降低冷卻水強(qiáng)度的方法，可以減少鑄坯內(nèi)弧翼緣頂端溫度差，使溫度更加均勻。

（4）提高鑄機(jī)拉速、降低冷卻水強(qiáng)度、降低酸溶鋁含量，能有效控制重型異形坯鑄坯翼緣表面橫裂紋的產(chǎn)生，降低重異軋后龜裂廢品率。