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：通過對添加硼前后A36鋼連鑄坯中間裂紋分布特征及其高溫力學性能的調查研究，分析了其中間裂紋的形成原因。結果表明，硼的加入降低了鋼的零塑性溫度是鑄坯產生中間裂紋的內因，而鑄坯在連鑄過程中受彎曲應變、矯直應變以及輥縫不對中引起的過大應變是裂紋產生和擴展的外因。據此提出了相應的改進措施，有效地減輕了A36B鋼連鑄坯中間裂紋。關 鍵 詞：連鑄；中間裂紋；零塑性溫度硼鋼是以硼為基礎代替鉻、鎳的一種低合金結構鋼。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)良的機械性能，從而節(jié)約大量的貴重元素，因此得到廣泛生產和應用1。然而，生產過程中發(fā)現，添加硼會增加鋼在連鑄生產過程中的裂紋敏感性。2011年江蘇沙鋼集團宏發(fā)煉鋼廠生產的A36B鋼(添加微量硼)連鑄坯出現了比較嚴重的中間裂紋缺陷，不僅影響了連鑄坯以及后續(xù)軋制板材的內部質量，有些還直接造成板坯返廢，極大地影響了生產及經濟效益。從2012年1月開始，通過對A36B鋼連鑄坯中間裂紋現狀和機理進行調查分析，確定加硼鋼連鑄坯發(fā)生中間裂紋的主要原因，并采取相應的改進措施，顯著減輕了A36B鋼連鑄坯的中間裂紋缺陷。1 生產工藝生產工藝流程：鐵水脫硫180t轉爐爐外

3、精煉板坯連鑄。連鑄機為直弧型單流連鑄機，基本弧半徑1075m，結晶器長度900mm，鑄機長度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 中間裂紋評級及分布特征21 中間裂紋評級通過對2011年以來的A36B鋼鑄坯低倍統計調查發(fā)現，其中間裂紋等級大于等于15級比例達到22以上，而相似成分A36鋼(不含硼)連鑄坯中則主要為05級以下輕微的中間裂紋缺陷，如圖1所示。對于10級以下的中間裂紋，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在質量，而對于15級以上的中間裂紋缺陷，由于其寬度較大(最大可達到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計發(fā)現，鑄坯內外弧均出現了不同程度的中間裂紋，且三角區(qū)也出現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，嚴重的達20級。其中，220mm厚的板坯外弧側裂紋主要分布在距外弧表面3080mm處，內弧側裂紋集中分布于距內弧表面70104mm處，三角區(qū)裂紋位于距窄邊3550mm處。3 中間裂紋產生原因分析討論31 鋼的高溫力學性能零強度溫

5、度(ZST)和零塑性溫度(ZDT)是表征材料高溫力學性能行為的重要參數，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)的機械性能以及相應的固液界面結構示意圖2，溫度高于ZST低于液相線溫度時，其機械性能與液相相似。在ZST與液相不能通過位置的溫度(LIT)范圍內發(fā)生熱撕裂作用時，產生的裂紋縫隙在周圍包裹的鋼液填充下不會引起最終的連鑄坯裂紋，該部分稱之為液相補縮區(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)域內產生裂紋時無法獲得鋼液填充，形成最終的鑄坯內部裂紋，稱之為易開裂區(qū)。當凝

6、固過程中易開裂區(qū)所受的累積應變超過臨界應變或拉伸應力超過臨界斷裂應力時，鑄坯便開始產生凝固裂紋。其中，LIT與ZDT對應的固相率為090和0992。因此，連鑄過程糊狀區(qū)的機械性能對鑄坯裂紋產生重要影響，連鑄坯的高溫力學性能是決定凝固裂紋形成的內在原因。為弄清加硼鋼連鑄坯中中間裂紋形成原因，采用熱模擬機對比分析了加硼A36B鋼和同成分不加硼A36鋼的高溫力學性能。試驗所用鋼種的化學成分如表1所示，試驗在Gleeble3800熱模擬機上進行，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的應變速率進行拉伸試驗。將試驗中一系列

7、不同的溫度點數據整理，以斷面收縮率表征材料的塑性，可以獲得一個“溫度面縮率”的曲線圖，以描繪出材料隨溫度變化時塑性的變化。大部分材料中，塑性在一個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即NDT溫度，在此溫度點材料變得非常脆，試驗過程中ZDT重復測試了5次。零強度試驗試樣一般使用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，斷裂點溫度即材料的NST。由于試樣成分差異，一般需要重復此試驗。如果前兩次試驗得到的溫度差值超過20，需要進行第3次試驗，所得平均值即材料的NST所得值。3次試驗所得溫度前后差值在10以內。表2為試驗所得到的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 鋼中偏析元素對裂紋的影響對比2鋼種的化學成分比較可以看出，其主要區(qū)別在于A36B鋼的硼含量較高，為進一步分析硼對其高溫裂紋敏感性的影響，采用EMPA對裂紋尖端附近進行能譜分析，結果表明裂紋尖端附近存在一定的硼、磷和硫元素的富集。為進一步調查裂紋處雜質元素對裂紋的影響，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試樣，取樣位置如圖4所示。將試樣在室溫下進行拉伸試驗，拉伸過程中試樣沿中間裂紋位置斷裂，對拉伸斷口進行SEM

9、成分檢測發(fā)現，斷口位置分布有大量的條狀硫化錳，如圖5所示。分析認為，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，并形成低熔點的硫化物、磷化物以及硼化物，降低了枝晶間液膜的凝固點，使鋼的高溫脆性區(qū)向低溫移動，導致ZDT降低，增加了凝固裂紋敏感性36。另外，這些低熔點的夾雜物存在于晶界上，破壞了鋼基體的連續(xù)性，當連鑄坯在凝固過程中受到外力作用時，容易在夾雜物周圍產生應力集中而引起塑性變形產生大量的位錯環(huán)，當位錯環(huán)在外力作用下到達夾雜物和基體的界面時，界面分離形成微孔，大量微孔的擴散和聚合，使得在宏觀上表現出裂紋的形成。同時硫化物等夾雜物尺寸越大，其所產生的位錯環(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，說明硼對鋼的裂紋敏感性影響更大。有文獻報道，裂紋對硼的敏感性是磷的約10倍8。33 連鑄過程受力對裂紋的影響文獻指出，在二次冷卻區(qū)凝固坯殼的受力與變形是產生內部裂紋的根源9。在生產中，隨著連鑄爐數的增加，扇形段的對弧精度和輥縫值都會發(fā)生偏差，這樣造成連鑄坯在運行過程中，固液界面處所承受的應力如彎曲應力、鼓肚應力等都會增加，當連鑄坯承受總應力超過臨界斷裂應力時，便會產生裂紋。結合A36B鋼連鑄坯低倍裂紋的分布特征和VAI在線凝固模型計算結果可知，外弧側以及三角區(qū)裂紋的起始端位置

11、位于連鑄機彎曲段，而鑄坯內弧側中間裂紋起始端位于鑄機的矯直扇形段。從低倍照片可以看出，外弧側及三角區(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外弧側受張力作用，導致外弧側凝固坯殼在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一步擴展而產生的；內弧側裂紋的主要是由于矯直段內弧側受張力作用所致。另外，在連鑄過程中，如果存在輥縫不對中或對弧不準等設備不良狀況時，或由于冷卻不均勻而導致較大鼓肚時，也會在凝固前沿產生較大的內應力，當連鑄坯凝固坯殼所受的內應力大于臨界應力時，裂紋容易沿枝晶間液相膜形成并擴展，形成晶間裂紋。4 中間裂紋改進措施及效果根據以上分析可知，

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致加硼鋼零塑性溫度降低，是導致A36B鋼連鑄坯中間裂紋產生的內在原因。彎曲應變、矯直應變、鼓肚應變與輥縫不對中導致的較大應變是中間裂紋產生的外在原因。結合現場實際生產情況，采取以下措施進行改進。1)降低鋼中雜質元素含量。通過優(yōu)化煉鋼操作，提高澆鑄A36B鋼水磷、硫含量的內控水平，鋼水中(S)控制標準由原來的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，加強對扇形段輥縫和段之間對弧的測量和校正，輥縫偏差控制在05mm以內，弧度偏差控制在1mm以內。同時加強對噴嘴的

13、檢查，對堵塞的噴嘴及時進行更換。通過對連鑄機設備的維護以及鋼水成分控制，有效地改善了中間裂紋缺陷。改進后，A36B鋼中間裂紋平均級別由2011年的12級降至2012年59月的06級，三角區(qū)裂紋平均級別由086級降至03級，完全消除了15級及以上的中間裂紋缺陷。5 結論通過對添加硼前后A36鋼連鑄坯中間裂紋分布特征及其高溫力學性能的調查研究，分析了其中間裂紋的形成原因，并提出了相應的改善措施，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生中間裂紋的內因，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)彎曲矯直應變、鼓肚應變與輥縫不對中導致的較大應變是中間裂紋產生的外在原因。4)通過降低鋼水雜質元素含量、加強對連鑄機設備的維護，有效地改善了A36B鋼鑄坯中間裂紋缺陷，A36B鋼中間裂紋平均級別由原來的12級降至06級，三角區(qū)裂紋平均級別由086級降至03級，完全消除了15級及以上中間裂紋缺陷。參 考 文 獻：1 田樹生，易耀云，楊勇45B含硼鋼裂紋成因分析及改進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

15、s in the temperature range of mushy zoneJISIJ Int，2000，40(4)：3563633 蔡兆鎮(zhèn)，朱苗勇溶質偏析對連鑄坯凝固前沿裂紋敏感性影響的研究J鑄造技術，2009，30(11)：139614014 甄新剛，張炯明，龔雅林，等中碳合金鋼連鑄板坯中間裂紋形成機理研究J鑄造技術，2010，31(5)：5755785 朱世維，張秀云，白樸存中厚板中間裂紋的研究及預防措施J熱加工工藝，2010，39(9)：1831866 王子亮，王新江，陳煜，等板坯中間裂紋的成因分析及預防措施J鋼鐵，2004，39(7)：31347 牛重軍，李京社，高錦國，等連鑄板坯中間裂紋的分析與改進J河