連鑄坯偏析對(duì)鋼板機(jī)械性能的影響分析

陳玉輝， 宋延成

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400)

引 言

為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)板材的生產(chǎn)，江陰興澄特種鋼鐵有限公司采用鐵水預(yù)處理、大斷面連鑄坯、電磁攪拌和連鑄輕壓下偏析控制、大壓縮比軋制等先進(jìn)技術(shù)，以保證鋼板的機(jī)械性能。鋼板具有純凈度高、致密度高等特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)先進(jìn)的連續(xù)調(diào)質(zhì)產(chǎn)線，生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)鋼板組織、性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于高層建筑、油氣管線、耐磨裝備等的制造領(lǐng)域。但在連鑄板坯的生產(chǎn)過(guò)程中，由于坯料斷面尺寸大，連鑄坯上難免存在宏觀偏析[1-2]，尤其是電磁攪拌技術(shù)的使用會(huì)在某些鋼種坯料上形成框型偏析[3]，這些偏析對(duì)于鋼板的直接影響是導(dǎo)致各部位的性能均勻性變差，影響鋼板的使用。本文就連鑄板坯的低倍宏觀偏析對(duì)鋼板的組織和機(jī)械性能影響進(jìn)行研究，對(duì)連鑄坯低倍偏析的危害性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用斷面為370 mm×2600 mm的16Mn鋼連鑄(直弧型連鑄機(jī))板坯，其化學(xué)成分如表1所示；以及由此坯料軋制而成的75 mm×3020 mm的鋼板，鋼板具體生產(chǎn)工藝路線為：KR→BOF→LF→連鑄板坯→控軋、控冷→連續(xù)調(diào)質(zhì)處理。

表1 試驗(yàn)鋼種主要成分/%

1.2 試驗(yàn)方法

在連鑄板坯和調(diào)質(zhì)后的鋼板上取橫截面試樣，分別采用酸浸低倍評(píng)級(jí)(YB/T 4003-2016標(biāo)準(zhǔn))、LECO CS400型紅外碳硫分析儀和OPA-100金屬原位分析儀，檢測(cè)連鑄坯的宏觀偏析情況，并在鋼板的對(duì)應(yīng)位置取樣檢驗(yàn)硬度分布、抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 連鑄坯偏析

如圖1所示為16Mn連鑄坯包含三角區(qū)的四分之一寬度的橫截面低倍試片，圖中用虛線標(biāo)明了連鑄坯上微弱的框型偏析(白亮帶)輪廓，該位置是連鑄坯凝固時(shí)出二冷區(qū)時(shí)枝晶前沿。由于連鑄坯窄面及角部的坯殼厚度明顯大于寬面，窄面和角部白亮線呈弧形。

圖1 連鑄板坯低倍形貌

在連鑄坯橫截面低倍試片上，從內(nèi)弧面沿厚度方向向外弧面每間隔25 mm進(jìn)行鉆點(diǎn)取樣，并應(yīng)用紅外碳硫分析儀進(jìn)行碳含量分析[4]，鉆點(diǎn)包含心部點(diǎn)和白亮帶上的點(diǎn)(如圖1所示)，合計(jì)取點(diǎn)15個(gè)，分別標(biāo)記1～15，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。偏析指數(shù)計(jì)算公式如下

偏析指數(shù)=Ci/C0

式中Ci為測(cè)試點(diǎn)碳含量(%)，C0為熔煉碳含量(%)。

圖2 連鑄坯厚度方向碳偏析

在連鑄坯上如圖1中A點(diǎn)所示的位置取包含橫截面中心和外弧白亮帶的80 mm×40 mm試樣，應(yīng)用OPA-100金屬原位分析儀進(jìn)行偏析分析[5-6]，A區(qū)域碳、錳偏析特征如圖3所示。在連鑄坯上正常凝固點(diǎn)B處和白亮帶特征區(qū)上點(diǎn)C處取樣，進(jìn)行鑄態(tài)組織觀察，結(jié)果如圖4所示。

2.2 鋼板性能

鋼板的橫截面局部形貌如圖5所示，應(yīng)用直讀光譜(OES)在靠近內(nèi)弧1/4條帶(D，F(xiàn)，H對(duì)應(yīng)的條帶)和外弧靠近厚度中心白亮帶特征區(qū)域?qū)?yīng)的條帶(E、G、I對(duì)應(yīng)的條帶)上分別測(cè)試6點(diǎn)，計(jì)算碳的平均偏析指數(shù)，如表2所示。

圖3 連鑄坯A區(qū)域碳、錳偏析分布

圖4 連鑄坯內(nèi)部顯微組織

表2 鋼板試樣的力學(xué)性能

圖5 鋼板低倍形貌

在鋼板厚度方向靠近內(nèi)弧1/4位置如D位置和外弧靠近厚度中心白亮帶特征區(qū)域?qū)?yīng)的位置如E位置所示沿軋制方向各取3塊沖擊試樣，按照GB/T 229-2007標(biāo)準(zhǔn)制樣進(jìn)行-20 ℃沖擊功檢測(cè)；在F位置和G位置按照GB/T 24186-2009標(biāo)準(zhǔn)制樣進(jìn)行常溫拉伸強(qiáng)度檢測(cè)；在H位置和I位置按照GB/T 231.1-2009標(biāo)準(zhǔn)制樣進(jìn)行HB硬度檢測(cè)和金相分析。力學(xué)分析結(jié)果如表2所示，鋼板組織形貌如圖6所示。

圖6 鋼板組織形貌

3 結(jié)果分析

由圖1，2，3偏析分析結(jié)果可知，連鑄板坯中心呈正偏析狀態(tài)，中心到兩側(cè)白亮帶區(qū)域呈負(fù)偏析狀態(tài)，靠近白亮帶向兩側(cè)表面各有一個(gè)正偏析區(qū)，總體來(lái)說(shuō)，外弧的w(C)低于內(nèi)弧對(duì)應(yīng)的區(qū)域。橫截面厚度方向最大的正偏析區(qū)域在靠近內(nèi)弧白亮帶向內(nèi)弧一側(cè)，偏析指數(shù)達(dá)到1.08，最大的負(fù)偏析區(qū)域在靠近中心點(diǎn)向外弧一側(cè)，偏析指數(shù)達(dá)到0.90。原位分析結(jié)果也證實(shí)了連鑄坯上的這種偏析趨勢(shì)，連鑄坯的中心區(qū)域最后凝固，由于前期凝固的選分結(jié)晶導(dǎo)致碳、錳在中心區(qū)域富集并最終碳、錳偏析度分別達(dá)到0.1329和0.0320，可以預(yù)測(cè)，在相同的軋制、熱處理工藝下，鋼板上不同區(qū)域力學(xué)性能有明顯差異。

連鑄坯上的組織形貌可見(jiàn)，在外弧白亮帶上C處試樣的珠光體比例明顯低于正常凝固區(qū)域B處試樣的珠光體數(shù)量，同樣C處柱狀晶晶間鐵素體更為粗大，不利于該區(qū)域的強(qiáng)度提升和整個(gè)鋼板的性能均勻性。

連鑄坯的偏析最終會(huì)帶入到鋼板上，偏析趨勢(shì)與連鑄坯相同(H,I處試樣偏析指數(shù)及F, G處的組織形貌)，經(jīng)過(guò)加熱、軋制和調(diào)質(zhì)處理后，鋼板上的偏析程度較連鑄坯有所改善。鋼板負(fù)偏析區(qū)域材料(試樣E、I處)在耐低溫沖擊和塑性方面優(yōu)于內(nèi)弧厚度1/4區(qū)域材料(試樣D、H處)性能，但在硬度、強(qiáng)度方面不及1/4區(qū)域。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)連鑄坯由于冷卻和選分結(jié)晶的特征，總體而言外弧的碳含量低于內(nèi)弧對(duì)應(yīng)的區(qū)域。最大的偏析區(qū)域存在于白亮帶區(qū)域附近，雖然加熱、軋制和熱處理可以改善鋼板上的偏析，但其仍然會(huì)帶入到鋼板上。

(2)偏析對(duì)鋼板力學(xué)性能的均勻性會(huì)產(chǎn)生一定影響，鋼板外弧負(fù)偏析區(qū)域材料在耐低溫沖擊和塑性方面優(yōu)于內(nèi)弧厚度1/4區(qū)域材料，但在硬度、強(qiáng)度方面不及1/4區(qū)域材料。

(3)改善連鑄坯偏析程度，有利于提高鋼板機(jī)械性能的均勻性。