EH36鋼連鑄坯角部橫裂熱模擬試驗(yàn)研究

竇力威,于賦志,魏 國(guó),丁智敏,沈峰滿

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110004;2.鞍鋼股份有限公司 技術(shù)中心,遼寧 鞍山 114001)

EH36鋼連鑄坯角部橫裂熱模擬試驗(yàn)研究

竇力威1,2,于賦志2,魏 國(guó)1,丁智敏1,沈峰滿1

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110004;2.鞍鋼股份有限公司 技術(shù)中心,遼寧 鞍山 114001)

針對(duì)某鋼廠 EH36鋼 300 mm厚連鑄板坯的角部橫裂問(wèn)題,應(yīng)用 Gleeble—3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究了EH36鋼的缺口試樣在結(jié)晶器與二冷矯直區(qū)分別產(chǎn)生裂紋的差異.研究表明,結(jié)晶器產(chǎn)生的裂紋特征與二冷矯直區(qū)產(chǎn)生的裂紋特征在氧化程度上有著顯著差異,據(jù)此可以判定 EH36鋼 300 mm厚連鑄板坯的角部橫裂產(chǎn)生位置,為調(diào)整工藝參數(shù)提供參考.

連鑄;厚板坯;熱模擬;角部橫裂;結(jié)晶器;二冷區(qū)

某鋼廠在厚板坯連鑄機(jī)生產(chǎn) 300 mm厚的船板、結(jié)構(gòu)板等微合金鋼時(shí),鑄坯易出現(xiàn)角部橫裂,軋制時(shí)出現(xiàn)邊裂現(xiàn)象.文獻(xiàn)研究結(jié)果表明,板坯產(chǎn)生角部橫裂主要是由于熱應(yīng)力、相變應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的作用;角部橫裂主要產(chǎn)生在結(jié)晶器、二冷區(qū)上部和二冷矯直區(qū) 3個(gè)部位[1～5].目前,常用熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)試和研究連鑄鋼的高溫力學(xué)性能,并以此為依據(jù)制定連鑄二冷制度[6～8].然而,對(duì)于連鑄中產(chǎn)生的角部橫裂,其產(chǎn)生后在連鑄過(guò)程的發(fā)展變化研究相對(duì)較少[9].本文通過(guò)熱模擬試驗(yàn),利用含缺口試樣模擬鑄坯角部橫裂在連鑄過(guò)程的變化,分析鑄坯易產(chǎn)生角部橫裂的結(jié)晶器和二冷矯直區(qū)部位及裂紋特征,為解決鑄坯角部橫裂問(wèn)題提供依據(jù).

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所使用的材料均來(lái)自實(shí)際生產(chǎn)的300 mm厚 EH36鑄坯,取自正常生產(chǎn)時(shí)的同一連鑄板坯,試樣尺寸 11 mm ×11 mm ×100 mm,并在試樣上面人為加工出一道寬 0.005 mm左右、深8 mm的裂紋.鋼的成分見(jiàn)表 1.

表1 EH36鋼成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chem ical compo sition of EH36 steel(mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)方法

在 Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上,根據(jù)300 mm厚 EH36鋼連鑄生產(chǎn)工藝過(guò)程的溫度與時(shí)間變化設(shè)定試驗(yàn)過(guò)程,通過(guò)模擬鑄坯從結(jié)晶器到二冷區(qū)上部到矯直區(qū)的過(guò)程溫度變化,觀察裂紋區(qū)域的成分及氧化區(qū)寬度的變化,由此判斷裂紋的起源及探討鑄坯的合理冷卻制度.關(guān)于鑄機(jī)導(dǎo)輥和拉輥調(diào)整不當(dāng)、鑄線不正等機(jī)械原因?qū)е妈T坯在二冷區(qū)上部產(chǎn)生的角部裂紋,本文不予考慮.

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)溫度范圍為 100～1 300℃,試驗(yàn)過(guò)程的溫度制度見(jiàn)表 2.2#試樣模擬正常生產(chǎn)情況下鑄坯從結(jié)晶器內(nèi)部分到二冷區(qū)的實(shí)際冷卻過(guò)程,4#試樣模擬正常生產(chǎn)情況下鑄坯在二冷區(qū)的冷卻過(guò)程,試驗(yàn)時(shí)間 t與溫度θ完全按照正常生產(chǎn)情況設(shè)定.還有 1#是優(yōu)化的冷卻過(guò)程,3#是均勻的冷卻過(guò)程,在此不做討論.由于生產(chǎn)時(shí)鑄坯用水冷卻,而本試驗(yàn)是在空氣無(wú)冷卻水情況下模擬,故在相同時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)中的鑄坯氧化程度大于本試驗(yàn)中空氣的氧化程度,為接近水冷的氧化效果,2#試樣設(shè)定在 1 350℃高溫下空氣中恒溫 30 min.試驗(yàn)結(jié)束后,取出試樣,去掉試驗(yàn)表面的氧化鐵皮,對(duì)缺口氧化區(qū)進(jìn)行掃描電鏡分析.試驗(yàn)溫度變化見(jiàn)圖1.

表2 試驗(yàn)過(guò)程溫度制度Table 2 Temperature system s for the exper iment

圖1 試驗(yàn)降溫過(guò)程Fig.1 The cooling process of the research

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂紋區(qū)域內(nèi)成分變化

每組試樣共有兩條裂紋,選取裂紋氧化嚴(yán)重的特征裂紋進(jìn)行檢測(cè).對(duì)模擬結(jié)晶器和二冷區(qū)裂紋區(qū)域進(jìn)行了掃描電鏡能譜分析,其裂紋形貌和成分見(jiàn)圖 2.

由圖 2可知,裂紋區(qū)域均已被氧化,但預(yù)制裂紋的寬度在加熱冷卻過(guò)程中基本未見(jiàn)擴(kuò)展.2#試樣經(jīng)過(guò)了 1 000℃以上的高溫區(qū),試樣裂紋區(qū)域內(nèi)O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 20%左右.2#試樣成分含有[C]系來(lái)自拋光膏的污染 (4#試樣也存在污染的問(wèn)題,因?yàn)殇摶w內(nèi) [C]很低),試樣裂紋內(nèi) O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 10%左右.4#試樣的氧化程度明顯比2#試樣輕,由此可見(jiàn)在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的裂紋與二冷矯直區(qū)產(chǎn)生的裂紋有著明顯的區(qū)別,矯直區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的裂紋區(qū)域的 O含量明顯低于結(jié)晶器內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋.

2.2 裂紋區(qū)氧化寬度

裂紋氧化區(qū)寬度以最大值進(jìn)行比較,在掃描電鏡上檢測(cè)到的試樣裂紋氧化區(qū)域?qū)挾纫?jiàn)圖 3.

圖2 裂紋形貌及成分Fig.2 Morphology and compo sition of cracks in the test samples

圖3 裂紋氧化區(qū)域?qū)挾菷ig.3 W idth of the cracks oxidat ion zone in the test samples

從圖 3可知,對(duì)應(yīng)不同的溫度制度,裂紋氧化區(qū)域?qū)挾扔兄黠@區(qū)別.試驗(yàn)前的初始加工裂紋寬度為 5μm左右,試驗(yàn)后其裂紋寬度分別是:2#為 27.3μm,4#為 9.27μm.2#試樣經(jīng)過(guò)了1 000℃以上的高溫區(qū),其氧化層均在 20μm以上,這表明在結(jié)晶器產(chǎn)生的裂紋,其氧化層明顯變厚.而4#試樣模擬了二冷矯直區(qū)產(chǎn)生裂紋時(shí),裂紋氧化層很薄,氧化層不足 10μm.

3 分析與討論

3.1 角部橫裂產(chǎn)生機(jī)理

EH36的鑄坯角部橫裂缺陷主要發(fā)生在連鑄坯角部寬面振痕的凹部.該鋼種成分屬于包晶鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08%～0.18%,有的鋼種還含有 Nb、V等裂紋敏感元素)范圍,根據(jù)鐵碳合金狀態(tài)圖可知,高溫鋼液溫度降到 1 495℃時(shí),會(huì)發(fā)生δ(鐵素體)+L(液相)→γ(奧氏體)的包晶反應(yīng),由于伴隨包晶反應(yīng)出現(xiàn)較大的體積變化和線收縮,凝固收縮和鋼水靜壓力的不均衡作用使薄的坯殼表面粗糙、折皺,嚴(yán)重時(shí)形成凹陷,凹陷部位凝固冷卻比其他部位慢,組織粗化,在熱應(yīng)力和鋼水靜壓力的作用下,在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯凹陷處應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋.若有過(guò)大附加的外界機(jī)械應(yīng)力作用在坯殼上,會(huì)加劇微裂紋的擴(kuò)大.

同時(shí),根據(jù)鋼的高溫脆性曲線,鋼從液態(tài)到固態(tài)的凝固過(guò)程中,存在著 3個(gè)脆性區(qū).第Ⅰ脆性區(qū)為由熔點(diǎn)至固相線以下 50℃,該區(qū)鋼的高溫強(qiáng)度和塑性都很低,極易在固液兩相區(qū)產(chǎn)生裂紋.第Ⅱ脆性區(qū)為加熱溫度區(qū),鋼處于奧氏體單相狀態(tài),硫化物在γ晶界的析出會(huì)引起晶界脆化.第Ⅲ脆性區(qū)發(fā)生γ→α的相變,引起鋼的脆性增加.連鑄坯運(yùn)行至矯直區(qū)時(shí),應(yīng)避開(kāi)第Ⅲ脆性區(qū),才能防止角部橫裂紋.

3.2 角部橫裂產(chǎn)生部位判定

根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)晶器產(chǎn)生的裂紋經(jīng)過(guò)氧化后,其裂紋的氧化很嚴(yán)重,現(xiàn)場(chǎng)取樣的部分裂紋氧化區(qū)厚度相近 (后者甚至達(dá) 50μm),而在二冷矯直區(qū)產(chǎn)生的裂紋氧化區(qū)很薄,說(shuō)明模擬試驗(yàn)過(guò)程基本成功.根據(jù)裂紋氧化區(qū)的變化特征,可以判斷生產(chǎn)中角部裂紋產(chǎn)生的部位,再與鑄坯裂紋的檢測(cè)相互配合,就能綜合判斷裂紋產(chǎn)生的根源,這樣才能最終解決問(wèn)題.這為直接判斷鑄坯角部橫裂產(chǎn)生部位提供了試驗(yàn)依據(jù).

4 結(jié) 論

根據(jù) EH36鋼鑄坯裂紋的熱模擬試驗(yàn),得出如下結(jié)論:

(1)根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果,在結(jié)晶器產(chǎn)生的鑄坯角部橫裂,其氧化嚴(yán)重、裂紋氧化區(qū)寬(>2μm).在二冷矯直區(qū)產(chǎn)生的鑄坯角部橫裂紋,其裂紋氧化層薄 (<10μm).

(2)在結(jié)晶器產(chǎn)生的裂紋,其裂紋區(qū)域氧化層含O質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 20%以上,其氧化層厚度在20μm以上.

(3)二冷矯直區(qū)產(chǎn)生裂紋時(shí),裂紋氧化層含O質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 10%左右,氧化層厚度不足 10μm.參考文獻(xiàn):

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Study of thermal s imulation on transversal corner crack of EH36 slab

DOU L i-w ei1,2,YU Fu-zhi2,W EI Guo1,DING Zhi-m in1,SH EN Feng-m an1

(1.School ofMaterials&Metallurgy,N ortheastern U niversity,Shenyang110004,China 2.Technological Centre,Anshan Steel company l im ited,Anshan114001,China)

Exper im entsw ere carried out on the difference of originalposition for transversal corner cracks in EH36slab samplesw ith gaps by G leeble-3800therm al-m echanical s im ulator according the transversal corner cracks from EH36 slab in certain steel plant. It show s that there are rem arkable differences in the crack characters on oxidation of the samples for original positions betw een the m old and the straightening segm ents of the secondary cooling zone by SEM analysis.So the original position can be determ ined for the transversal corner crack.Consequently,it is important to avoid the transversal corner cracks in300mm heavy slab of EH36.

continuously cast;heavy slab; therm al s im ulation testing; transversal corner crack;m old; secondary cooling zone

TF 777

A

1671-6620(2010)04-0237-04

2010-07-16.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50474014)

竇力威 (1956—),男,遼寧鞍山人,東北大學(xué)博士研究生,鞍鋼股份有限公司高級(jí)工程師,E-mail:douliw2008@hotmail.com;沈峰滿 (1958—),男,黑龍江密山人,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.