Fe-Cr-Ni合金連鑄坯皮下裂紋研究

李 元

(寶鋼特鋼有限公司，上海 200940)

近年來，冷軋的耐蝕Fe-Cr-Ni合金帶材在高溫及腐蝕環(huán)境中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。國(guó)內(nèi)外主要采用電弧爐→電渣冶煉→熱軋→冷軋工藝生產(chǎn)耐蝕合金帶材。寶鋼則采用電爐冶煉→爐外精煉→連鑄→熱軋→冷軋工藝生產(chǎn)耐蝕合金帶材，前期，由于攻克了連鑄坯縱裂難題[2]，成材率提高的同時(shí)成本顯著降低，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，產(chǎn)生皮下裂紋是耐蝕Fe-Cr-Ni合金連鑄坯的突出問題。影響皮下裂紋的主要因素有[3-5]：包晶鋼等鋼種中的S、O、Al、Nb、V、N等微合金元素對(duì)熱塑性的影響；連鑄冷卻工藝，如水量太小、坯殼過薄易產(chǎn)生漏鋼；結(jié)晶器保護(hù)渣及鋼渣反應(yīng)產(chǎn)物的影響；結(jié)晶器流場(chǎng)，如坯殼局部過薄、應(yīng)力集中；連鑄過熱度和拉速不匹配；電磁攪拌對(duì)液面的擾動(dòng)；結(jié)晶器偏振等連鑄設(shè)備精度。上述因素幾乎都僅適用于普碳鋼，對(duì)于耐蝕Fe-Cr-Ni合金連鑄坯皮下裂紋的形成原因還需作進(jìn)一步研究。

本文通過理化檢測(cè)等研究了Fe-Cr-Ni合金連鑄坯皮下裂紋的形成原因，提出了預(yù)防措施，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)和提升產(chǎn)品質(zhì)量有一定意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為150 mm厚耐蝕Fe-Cr-Ni合金連鑄坯，其生產(chǎn)工藝為電爐冶煉→爐外精煉→連鑄。在鑄坯邊部切取200 mm(長(zhǎng))×100 mm(寬)×150 mm(厚)試樣，去除5～10 mm厚的表層后進(jìn)行解剖觀察。采用光學(xué)顯微鏡和電子探針對(duì)缺陷進(jìn)行形貌觀察和成分分析。

采用共聚焦高溫顯微鏡對(duì)鑄坯的凝固過程進(jìn)行原位觀察[6-7]，鑄坯試樣尺寸為φ6 mm×3 mm，將試樣以5 ℃/s加熱到1 450 ℃，然后以1 ℃/s冷卻至室溫，觀察試樣的凝固行為。

2 結(jié)果與討論

2.1 皮下裂紋

連鑄坯修磨后，在鑄坯寬度的中心發(fā)現(xiàn)有縱向皮下裂紋，局部點(diǎn)磨仍不能消除。裂紋呈斷續(xù)或離散分布并延伸至試樣中心，最深達(dá)15 mm。裂紋的宏觀形貌如圖1(a)所示，局部放大如圖1(b)所示。

圖1 鑄坯皮下裂紋(a)及其局部放大(b)Fig.1 Subsurface cracks (a)and their closeup view (b) in the continuously cast slab

金相分析結(jié)果進(jìn)一步表明，皮下裂紋自表面至心部深達(dá)10 mm以上，如圖2所示，呈斷續(xù)狀或離散分布，裂紋內(nèi)部呈空洞狀，是否還有其他物質(zhì)需采用掃描電鏡確認(rèn)。

圖2 皮下裂紋的形貌Fig.2 Patterns of the subsurface cracks

圖3為裂紋的電子探針分析結(jié)果。裂紋內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有大量的TiO2、Al2O3等氧化物，還發(fā)現(xiàn)有Na、K等保護(hù)渣的典型成分。

2.2 原位觀察結(jié)果

采用激光高聚焦高溫顯微鏡原位觀察裂紋與鑄坯冷卻溫度之間的關(guān)系。如圖4所示，高溫熔體在冷卻過程中，隨著溫度的降低，在1 367 ℃開始形核，在1 360 ℃形核點(diǎn)增多，在1 348 ℃開始形成樹枝晶，在1 264 ℃樹枝晶組織形成完成。

將原位觀察試樣冷卻至常溫并拋光后，在金相顯微鏡下觀察。圖5表明，在接近試樣邊緣處有發(fā)達(dá)的樹枝晶，而在試樣中部則主要為等軸晶。在連鑄過程中，裂紋往往形成于鑄坯凝固的前沿，在脆性溫度區(qū)更為明顯。隨著凝固的進(jìn)行，在熱應(yīng)力等影響下，鑄坯中的裂紋沿著枝晶擴(kuò)展。

圖3 皮下裂紋的電子探針分析結(jié)果Fig.3 Electron probe analysis results for the subsurface crack

圖4 Fe-Cr-Ni合金鑄坯凝固過程的原位觀察結(jié)果Fig.4 In situ observation results of solidification process of the Fe-Cr-Ni alloy slab

圖5 原位觀察的試樣冷卻到常溫后的微觀形貌Fig.5 Micrographs of the sample obtained by in-situ observation after being cooled to room temperature

已有研究表明[2,8]，固-液界面的臨界強(qiáng)度和塑性與鋼的成分有關(guān)，通常臨界高溫強(qiáng)度為1～3 MPa，臨界塑性應(yīng)變?yōu)?.2%～0.4%。如圖6所示[8-9]，連鑄坯在固-液兩相區(qū)受到熱應(yīng)力、摩擦力等作用，一旦超過了上述臨界值，在鑄坯固-液界面就產(chǎn)生裂紋并沿柱狀晶界面擴(kuò)展，直至凝固殼能抵抗外力時(shí)為止。

圖6 連鑄坯固-液兩相區(qū)的力學(xué)性能隨溫度變化的示意圖[8-9]Fig.6 Schematic of variation of mechanical properties with temperature in solid-liquid zone for the continuously cast slab[8-9]

2.3 討論

Fe-Cr-Ni合金連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的半球點(diǎn)溫度約為1 130 ℃，該保護(hù)渣只適用于澆注液相線溫度為1 450～1 500 ℃的鋼種。而Fe-Cr-Ni合金合金液相線溫度低于1 400 ℃，結(jié)晶器內(nèi)化渣困難，保護(hù)渣在彎月面處易卷入連鑄坯皮下，這是本文研究的連鑄坯產(chǎn)生皮下裂紋的原因之一。圖3所示的裂紋內(nèi)含有連鑄保護(hù)渣成分中的Na和K元素證實(shí)了這一點(diǎn)。

另外，該合金含有大量的鋁和鈦，會(huì)與保護(hù)渣中的SiO2發(fā)生還原反應(yīng)[10]：

4Al+ 3(SiO2) → 2(Al2O3) + 3Si

(1)

Ti+ (SiO2) → (TiO2) + Si

(2)

如圖7所示，隨著鋼-渣反應(yīng)的進(jìn)行，保護(hù)渣中的SiO2含量先減少后趨于平衡，Al2O3與TiO2的含量先增加后趨于平衡，保護(hù)渣的其他成分基本不變。

圖7 保護(hù)渣中氧化物含量隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of oxide contents in the protecting slag with time

保護(hù)渣中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了約9.7%，Al2O3和TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了約7.0%和7.6%。保護(hù)渣變性產(chǎn)物Al2O3和TiO2易在彎月面處卷入連鑄坯皮下，這是連鑄坯形成皮下裂紋的主要原因。

3 結(jié)論

(1)Fe-Cr-Ni合金連鑄坯的裂紋往往形成于鑄坯凝固前沿的晶界，在脆性溫度區(qū)更加明顯。

(2)在Fe-Cr-Ni合金連鑄坯皮下裂紋內(nèi)有大量的TiO2、Al2O3等氧化物，這是鋼-渣反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)有Na、K等保護(hù)渣的典型成分。

(3)保護(hù)渣及保護(hù)渣變性產(chǎn)物能在原始連鑄坯皮下以細(xì)條狀裂紋的形式存在。

致謝：本文的測(cè)試工作得到了寶鋼研究院馬天軍、郭亮亮、姚雷和周燦棟等同志的熱情幫助，在此表示衷心感謝！