12Cr1MoVG?210 mm連鑄坯表面裂紋分析與控制

王曉紅，王豐產(chǎn)，賀冰林

（天津天管特殊鋼有限公司，天津300301）

12Cr1MoVG?210 mm連鑄坯表面裂紋分析與控制

王曉紅，王豐產(chǎn)，賀冰林

（天津天管特殊鋼有限公司，天津300301）

分析出12Cr1MoVG?210 mm鑄坯表面裂紋為應(yīng)力裂紋，其直接原因是受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力影響，根本原因是不合理的連鑄工藝制度。避免裂紋措施包括控制澆注過熱度20～30℃，拉速1.5～1.7 m/min，使用更適合包晶鋼生產(chǎn)的保護(hù)渣；優(yōu)化二冷配水，比水量由0.30 L/kg增加到0.48 L/kg，并增加3區(qū)和4區(qū)冷卻水比例；鑄坯冷床下線后堆放緩冷。

12Cr1MoVG；連鑄工藝；表面裂紋；應(yīng)力裂紋

1 引言

l2CrlMoVG是一種低碳低合金耐熱鋼，廣泛應(yīng)用于電站、鍋爐、石油化工及航空工業(yè)等。天津天管特殊鋼有限公司采用EAF—LF—VD—CCM工藝路線生產(chǎn)12Cr1MoVG?210 mm鑄坯，鑄坯經(jīng)常出現(xiàn)表面裂紋，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量。天津天管特殊鋼有限公司為此開展了多項(xiàng)研究工作，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，細(xì)化操作，逐步穩(wěn)定了鑄坯質(zhì)量，減少了裂紋產(chǎn)生幾率。

2 表面裂紋特征

觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋在鑄坯外表面分布毫無規(guī)律，彎曲分叉，非常細(xì)微，只有通過打磨后才能勉強(qiáng)肉眼可見，見圖1。在鑄坯橫截面上裂紋深約1～3 cm，穿過表層激冷層進(jìn)入近表層的柱狀晶區(qū)，但沒有擴(kuò)展至中心等軸晶區(qū)。從出現(xiàn)裂紋的鑄坯上取樣分析顯示：組織為沿原奧氏體晶界網(wǎng)狀分布鐵素體加貝氏體，裂紋非沿晶分布，周圍無脫碳現(xiàn)象；斷口區(qū)域無明顯碳化物、氮化物及其它異常夾雜物聚集。圖2為裂紋組織形態(tài)。

3 初步分析

12Cr1MoVG鑄坯表面裂紋不是在高溫區(qū)產(chǎn)生，因?yàn)槿绻鸭y源自結(jié)晶器或二冷區(qū)，則裂紋處必定有氧化脫碳現(xiàn)象。另外裂紋處未見碳氮化合物和P、S、Pb、As、Sn等低熔點(diǎn)元素在晶界明顯聚集，所以也不是化合物和元素偏聚引起的。從裂紋的形貌來看，應(yīng)該是鑄坯冷卻過程中在中低溫區(qū)（≤600℃）甚至可能冷態(tài)時(shí)不能承受其內(nèi)部越來越大的應(yīng)力而開裂。下面就造成鑄坯應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的各種原因進(jìn)行討論分析。

4 應(yīng)力裂紋分析

4．1 熱應(yīng)力

裂紋產(chǎn)生具有較強(qiáng)季節(jié)性。每年11月至次年4月風(fēng)力較大、氣溫較低季節(jié)鑄坯裂紋明顯增加，特別是由于生產(chǎn)需要，鑄坯下線后（約260℃）倒運(yùn)至露天庫房，裂紋出現(xiàn)幾率更大。5月至10月裂紋很少出現(xiàn)。

冬季寒冷的氣溫和流動(dòng)的空氣導(dǎo)致鑄坯溫度梯度增大，熱應(yīng)力增加，裂紋的產(chǎn)生是受到熱應(yīng)力影響，但僅僅熱應(yīng)力不足以使鑄坯開裂，因?yàn)槠胀ㄤ摲N在相同冷卻條件，甚至更激冷環(huán)境中從未產(chǎn)生類似裂紋。

4．2 組織應(yīng)力

12CrlMoVG是低合金耐熱鋼，為增加其耐熱性能含有一定量Cr、Mo和細(xì)晶元素V（見表1），鋼中的Mo對(duì)奧氏體分解為珠光體有強(qiáng)烈的抑制作用，對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響卻很小，Mo、Cr又具有使Bs下降，擴(kuò)大貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍，V是強(qiáng)碳化物形成元素，溶于奧氏體有阻止碳化物析出的作用[1]。

圖1 鑄坯表面打磨后裂紋形貌

圖2 裂紋組織

表1 12Cr1MoVG鋼化學(xué)成分 /%

對(duì)12Cr1MoVG?210 mm鑄坯進(jìn)行金相組織分析發(fā)現(xiàn)，見圖3，其組織由網(wǎng)狀鐵素體和貝氏體構(gòu)成，說明鑄坯冷卻過程中奧氏體避開了珠光體轉(zhuǎn)變而進(jìn)行貝氏體轉(zhuǎn)變。貝氏體相變產(chǎn)生的組織應(yīng)力僅次于馬氏體轉(zhuǎn)變，是非常大的[2]。

圖3 鑄坯鐵素體+貝氏體組織

12Cr1MoVG鑄坯由奧氏體向貝氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生了巨大的組織應(yīng)力，鋼質(zhì)脆化、塑性很差，容易產(chǎn)生應(yīng)力開裂。其它普通低臺(tái)金鋼，由于相變?cè)诟邷叵乱鸦就瓿桑薀o冷裂現(xiàn)象[3]。

5 工藝分析

天津天管特殊鋼有限公司包括三個(gè)生產(chǎn)區(qū)域，采用EAF—LF—VD（RH）—CCM工藝路線生產(chǎn)不同規(guī)格12Cr1MoVG，鑄坯出現(xiàn)裂紋的規(guī)格和區(qū)域見表2。

表2 煉鋼區(qū)域和規(guī)格對(duì)裂紋影響

由表2可知，12Cr1MoVG的7個(gè)鑄坯規(guī)格中，?210規(guī)格煉鋼一區(qū)和煉鋼二區(qū)生產(chǎn)時(shí)均有表面裂紋產(chǎn)生，而其余規(guī)格鑄坯在三個(gè)煉鋼區(qū)域生產(chǎn)都未發(fā)現(xiàn)類似裂紋。說明12Cr1MoVG裂紋的產(chǎn)生與該鋼種特質(zhì)有關(guān)，不合理的連鑄工藝是根本原因。

5．1 過熱度與拉速影響

12Cr1MoVG為典型的包晶鋼，凝固過程中包晶反應(yīng)劇烈，線收縮量大，生產(chǎn)過程中時(shí)常發(fā)生結(jié)晶器漏鋼和鑄坯表面縱裂缺陷。為避免漏鋼事故采取了“高溫慢鑄”手段，澆鑄過熱度控制35～45℃區(qū)間，拉速1．3～1．5 m/min。高的澆鑄過熱度與慢的澆注速度雖然降低了漏鋼幾率，但鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)、中心疏松和偏析加重，鑄坯質(zhì)量惡化。

5．2 二冷配水

二次冷卻采用比水量控制，澆注過程中水量隨拉速變化而變化，整個(gè)二冷區(qū)分為4個(gè)段，其中一段即足輥段采用全水冷卻，其余三段都為氣水冷卻。為避免700～900℃脆性區(qū)域矯直，冷卻強(qiáng)度采用弱冷，比水量為0．3 L/kg，實(shí)際矯直溫度區(qū)間控制在930～1 040℃，由于設(shè)定比水量很低，特別是四段每流20個(gè)噴嘴水量分配12 L/min，平均每個(gè)噴嘴水量分配0．6 L/min，已接近單個(gè)噴嘴最小噴水量，噴嘴氣霧冷卻性能大為降低不能滿足鑄坯冷卻要求。

5．3 鑄坯下線冷卻

鑄坯經(jīng)定尺切割后由高架鉤車運(yùn)送到電動(dòng)翻轉(zhuǎn)冷床進(jìn)行空冷，在冷床末端進(jìn)入收集臺(tái)，再由磁盤吊車吊運(yùn)至待檢場地，整個(gè)下線過程中鑄坯溫度變化見表3。

表3 鑄坯下線過程中溫度變化

12Cr1MoVG由于合金元素作用，發(fā)生過冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變溫度范圍為230～550℃[4]。這樣在冷床冷卻后期和待檢場地將發(fā)生以上轉(zhuǎn)變，冷床上鑄坯始終處于翻滾狀態(tài)，冷卻均勻，而鑄坯放入待檢場地后，鑄坯冷卻速度和冷卻均勻性受空氣對(duì)流影響難以控制。特別是大風(fēng)天氣，鑄坯冷卻受到的影響更大，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力產(chǎn)生裂紋的幾率也隨之增加。

6 控制措施

為提高12Cr1MoVG?210 mm鑄坯質(zhì)量，采取以下措施減少鑄坯表面裂紋。

6．1 優(yōu)化過熱度與拉速，調(diào)整保護(hù)渣使用

連鑄合適過熱度與拉速匹配是獲得良好鑄坯質(zhì)量的前提條件。實(shí)踐表明，過低的拉速（相對(duì)于過熱度曲線而言），對(duì)鑄坯的內(nèi)外質(zhì)量不利，尤其是表層細(xì)晶層厚度不利。這是由于結(jié)晶器的水量恒定，低拉速就等于加大一冷的冷卻強(qiáng)度，鑄坯極易產(chǎn)生裂紋源。而過高的拉速會(huì)產(chǎn)生拉漏事故。對(duì)于12Cr1MoVG生產(chǎn)，控制澆注溫度20～30℃，拉速1．5～1．7 m/min，保護(hù)渣由ST-SP/LC-Q2型號(hào)改為ST-SP/512SV-O，后者具有較低的堿度和較高的黏度，更適合包晶鋼生產(chǎn)。

6．2 調(diào)整二冷配水

二次冷卻對(duì)鑄坯質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用，一般來說，表面裂紋是在結(jié)晶器中形成，二冷區(qū)擴(kuò)展的，而內(nèi)部裂紋是在二冷區(qū)形成的。為保證鑄坯二次冷卻符合二次冷卻冶金原則[4]，發(fā)揮噴嘴的最佳效果，首先加大二次冷卻強(qiáng)度，比水量由0．30 L/kg增加到0．48 L/kg，其次適當(dāng)增加3區(qū)和4區(qū)冷卻水比例（見表4）。

表4 二冷配水優(yōu)化

6．3 下線堆冷

為緩解12Cr1MoVG組織應(yīng)力和熱應(yīng)力集中釋放，鑄坯從冷床下線后直接吊運(yùn)至料架堆冷，并在上方再碼兩層其它鋼種熱坯，盡量讓鑄坯緩慢而均勻冷卻下來。另外在料架選擇上避開風(fēng)口位置，選擇空氣對(duì)流弱的料架堆放。

7 效果

通過優(yōu)化連鑄工藝以及調(diào)整鑄坯下線冷卻模式，12Cr1MoVG?210 mm鑄坯質(zhì)量明顯改善，表面裂紋缺陷基本消除，鑄坯軋制質(zhì)量正常。

8 結(jié)論

（1）2Cr1MoVG?210 mm鑄坯表面裂紋是鑄坯在中低溫（≤600℃）冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力開裂。

（2）裂紋直接原因是受熱應(yīng)力和組織應(yīng)力影響，根本原因是不合理的連鑄工藝制度。

（3）避免鑄坯產(chǎn)生裂紋措施：首先控制澆注溫度20～30℃，拉速1．5～1．7 m/min，使用更適合包晶鋼生產(chǎn)的保護(hù)渣；其次加大二次冷卻強(qiáng)度，比水量由0．30 L/kg增加到0．48 L/kg，適當(dāng)增加3區(qū)和4區(qū)冷卻水比例；最后鑄坯冷床下線后采用堆冷，讓鑄坯緩慢而均勻冷卻，緩解應(yīng)力釋放。

[1]李智超，張偉強(qiáng)．熱加工工藝對(duì)12Cr1MoV鋼中粒狀貝氏體組織形態(tài)的影響[J]．阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，10（2）：54-58．

[2]裴敦國，閻立勇，劉暉．連鑄圓坯表面裂紋的成因與預(yù)防[J]．天津冶金，1999（3）：9．

[3]朱興元，劉憶．金屬學(xué)與熱處理[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2001：97．

Analysis and Control of Billet Surface Crack for 210 mm 12Cr1MoVG

WANG Xiao-hong,WANG Feng-chan and HE Bing-lin
(Tianjin Tiangang Special Steel Company Limited,Tianjin 300301,China)

After analysis,it was found that the surface crack of 210 mm 12Cr1MoVG billet is stress crack,the direct cause of which was the influence of thermal stress and structural stress,the fundamental cause of which was improper casting process system．In order to prevent the crack from forming, measures were taken,including controlling casting superheat at 20～30℃,adopting a casting speed of 1．5 m/min～1．7 m/min and using powder more suitable for peritectic steel;optimizing secondary cooling water supply,increasing water intensity from 0．30 L/kg to 0．48 L/kg and adding cooling water ratio for zones 3 and 4;adopting stack cooling after cooling bed．

12Cr1MoVG;continuous casting process;surface crack;stress crack

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．009

2013-09-11

2013-09-30

王曉紅（1981—），男，碩士，工程師，主要從事煉鋼連鑄工藝方面的研究工作。