鈮微合金化HRB400E鋼連鑄坯中心裂紋的形成和控制

盧維楓 楊偉勇 王東興 陶群南 汪春梅 黃 雁

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241002)

由于螺紋鋼GB/T 1499.2—2018的實(shí)施，釩氮合金、釩鐵合金的需求量大增，但價(jià)格昂貴。因此需以其他元素代替部分釩元素以降低生產(chǎn)成本。鈮和釩的物理特性相近，且鈮鐵供應(yīng)量充足，價(jià)格穩(wěn)定，鈮還能產(chǎn)生沉淀硬化[1]，并在一定程度上細(xì)化奧氏體晶粒，改善鋼的韌性和抗疲勞性能，因此是替代釩的首選元素。

某廠嘗試采用鈮微合金化的HRB400E鋼生產(chǎn)螺紋鋼，但連鑄坯產(chǎn)生了貫穿性中心裂紋，甚至軋制過(guò)程中也偶有軋材開(kāi)裂和成品螺紋鋼開(kāi)裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。為提高鑄坯質(zhì)量、降低成本，對(duì)鑄坯產(chǎn)生中心裂紋的原因進(jìn)行了深入的分析，并采取了相應(yīng)的措施，結(jié)果避免了鑄坯中心裂紋的產(chǎn)生。HRB400E螺紋鋼的主要連鑄工藝參數(shù)如表1所示。

表1 HRB400E螺紋鋼的主要連鑄工藝參數(shù)

1 鑄坯裂紋的特征及成因

1.1 缺陷特征

1.1.1 宏觀特征

生產(chǎn)中對(duì)隨機(jī)鋸切的300 mm長(zhǎng)鈮微合金化HRB400E鋼鑄坯橫截面進(jìn)行酸洗和檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鑄坯有嚴(yán)重的中心裂紋，甚至貫穿整個(gè)鑄坯，見(jiàn)圖1。在大壓下量粗軋過(guò)程中，鑄坯端部偶有開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖2(a)所示，若開(kāi)裂軋材的頭、尾部未徹底切除，易導(dǎo)致螺紋鋼筋端部開(kāi)裂，如圖2(b)所示。

圖1 鑄坯的中心裂紋(a)和貫穿中心的裂紋(b)的宏觀形貌

圖2 軋制時(shí)開(kāi)裂的坯料(a)和開(kāi)裂螺紋鋼(b)的宏觀形貌

1.1.2 微觀特征

鑄坯中心裂紋的微觀形貌如圖3所示。結(jié)合其低倍照片(見(jiàn)圖1)可知，該裂紋深7.86 mm，曲折，沿柱狀枝晶間分布和擴(kuò)展，兩側(cè)無(wú)脫碳氧化現(xiàn)象。

圖3 連鑄坯中心裂紋的微觀形貌

1.2 裂紋形成的原因

連鑄坯凝固過(guò)程中，一方面柱狀枝晶的間隙因S、P元素的偏析而形成低熔點(diǎn)液相薄膜，使枝晶間隙更為薄弱；另一方面，在矯直過(guò)程中，鑄坯受到各種拉應(yīng)力的作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)枝晶間的抗拉強(qiáng)度或應(yīng)變超過(guò)應(yīng)變速率極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生凝固裂紋。此外，沿奧氏體晶界析出的Nb(C、N)等沉淀相會(huì)導(dǎo)致鋼的塑性降低[2]。二冷區(qū)因冷卻不均勻產(chǎn)生的熱應(yīng)力也會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展[3]。如鋼水過(guò)熱度大，則柱狀晶更為發(fā)達(dá)甚至形成穿晶組織，加劇了貫穿性中心裂紋的產(chǎn)生。

2 防止連鑄坯開(kāi)裂的措施和效果

基于上述鑄坯裂紋形成的原因，提出了預(yù)防鑄坯中心裂紋的具體措施。

2.1 優(yōu)化成分

鋼中的C、N易與Nb結(jié)合形成Nb(C、N)化合物，并在晶界析出，易導(dǎo)致晶界塑性降低并引發(fā)裂紋。HRB400E鋼的C、N、P、S含量較高，為避免形成Nb(C、N)化合物而使鑄坯開(kāi)裂，可適當(dāng)降低Nb含量。有文獻(xiàn)[4- 5]報(bào)道，提高鋼的錳與硫的質(zhì)量比有利于減少鑄坯中心裂紋。故在確保力學(xué)性能滿足螺紋鋼要求的前提下，通過(guò)減少鈮鐵合金用量和提高硅錳合金的加入量，能使產(chǎn)品鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.010%～0.016%，Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.37%～1.47%，如表2所示。

表2 鋼的成分優(yōu)化前、后原材料的用量

鑄坯低倍檢驗(yàn)表明：成分優(yōu)化后，鑄坯的中心裂紋有一定程度的減少，如表3所示。

表3 成分優(yōu)化前、后鑄坯的質(zhì)量

2.2 二次冷卻工藝優(yōu)化

有文獻(xiàn)[6- 8]報(bào)道，鑄坯經(jīng)過(guò)噴水段時(shí)，其中心向表面?zhèn)鬟f熱量，如冷卻不均勻，將導(dǎo)致表面回溫，坯殼受熱膨脹，凝固前沿引起張力應(yīng)變。當(dāng)張力超過(guò)臨界值時(shí)，便產(chǎn)生中心裂紋。如果二冷配水不合理，鑄坯表面將明顯回溫，裂紋發(fā)生率也明顯升高。

本文采用中冶連鑄數(shù)值模擬系統(tǒng)模擬了鑄機(jī)的二次冷卻溫度場(chǎng)，該計(jì)算模型經(jīng)過(guò)了大量的實(shí)踐驗(yàn)證[9- 10]，根據(jù)鋼種給出了熱焓與溫度、轉(zhuǎn)換溫度與溫度的參數(shù)表，采用轉(zhuǎn)換溫度和轉(zhuǎn)換熱焓計(jì)算溫度場(chǎng)，考慮了物性隨溫度的變化，且方便快捷。初始條件為：假設(shè)結(jié)晶器彎月面鋼水溫度與澆鑄溫度相同，取中包溫度。采用第二類邊界條件描述鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱條件，即-λ▽T·n=q，式中：n為鑄坯表面的外法線方向；q是熱流密度，W/m2。二冷段的傳熱采用第三類邊界條件來(lái)描述：-λ▽T·n=h(T-T∞)，式中：n為鑄坯表面的外法線方向；T∞為環(huán)境溫度；h為鑄坯表面與周圍環(huán)境的傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)。傳熱系數(shù)為hs=a+bwn，式中：a和b為常數(shù)，w為水流密度，L/(m2·s)，指數(shù)n取0.4～0.8。

計(jì)算結(jié)果表明：現(xiàn)有工藝的二冷水分配比引起的二次冷卻區(qū)鑄坯表面回溫較明顯(最大回溫差198 ℃)，主要體現(xiàn)在二冷1區(qū)冷卻較強(qiáng)烈，鑄坯表面溫度較低，后期回溫較大。故對(duì)二冷水量分配比進(jìn)行模擬優(yōu)化，如表4所示。并對(duì)優(yōu)化后的配水比進(jìn)行二次冷卻溫度場(chǎng)模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后鑄坯表面回溫明顯降低(最大回溫差105 ℃)。二冷配水優(yōu)化前的二冷水量分配比為26∶48∶17∶9，優(yōu)化后為36∶34∶19∶11。二冷配水優(yōu)化前、后鑄坯的溫度場(chǎng)如圖4所示。

圖4 鑄坯表面溫度的數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 拉速控制

過(guò)熱度和拉速的提高會(huì)延長(zhǎng)鑄坯液芯，推遲等軸晶的形核和長(zhǎng)大，導(dǎo)致等軸晶區(qū)縮小，易形成中心裂紋[11]。故采用優(yōu)化后的二冷比水量及配水比參數(shù)，對(duì)不同拉速的鑄坯表面溫度和坯殼厚度進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5表明：連鑄的拉速不同，進(jìn)拉矯機(jī)位置12.3 m的坯殼厚度分別為65.1、53.9和48.5 mm，說(shuō)明以3種拉速連鑄的鑄坯均存在帶液心矯直，矯直點(diǎn)的鑄坯表面溫度均高于1 000 ℃，避開(kāi)了低脆性區(qū)。但2.2 m/min拉速較2.5 m/min拉速進(jìn)第一組拉矯位置的單面坯殼增厚了5.4 mm，說(shuō)明低拉速連鑄的坯殼厚度增加，能進(jìn)一步減小心部受力，減少中心裂紋的產(chǎn)生。

圖5 拉速對(duì)模擬的連鑄坯表面溫度(a)和坯殼厚度(b)的影響

根據(jù)上述模擬結(jié)果，在同爐次不同流上，改變單一拉速試生產(chǎn)了含鈮HRB400E鋼，連鑄工藝參數(shù)及裂紋級(jí)別如表4所示。低倍檢驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)二次冷卻的優(yōu)化，不同拉速連鑄的鑄坯中心裂紋均明顯減少，且隨著拉速的降低，鑄坯中心裂紋進(jìn)一步減少，如圖6所示。根據(jù)生產(chǎn)結(jié)果，可認(rèn)為宜將拉速控制在1.8～2.2 m/min。

圖6 不同拉速生產(chǎn)的連鑄坯的低倍形貌

表4 試生產(chǎn)的連鑄工藝參數(shù)

2.4 中間包過(guò)熱度控制

控制中間包過(guò)熱度能在一定程度上避免貫穿中心裂紋的產(chǎn)生[12]。生產(chǎn)實(shí)踐也表明，過(guò)熱度高，中心裂紋及縮孔較嚴(yán)重。適當(dāng)過(guò)熱能明顯減少鑄坯中心裂紋和縮孔，如圖7所示。因此鈮微合金化HRB400E鋼的中間包過(guò)熱度應(yīng)控制在20～30 ℃，以有效避免貫穿鑄坯中心裂紋的產(chǎn)生。

圖7 中間包過(guò)熱度為43(a)和28 ℃(b)時(shí)連鑄坯的低倍形貌

2.5 連鑄工藝優(yōu)化效果

采用優(yōu)化的連鑄工藝參數(shù)小批量試生產(chǎn)了鈮微合金化HRB400E鋼鑄坯，并對(duì)鑄坯進(jìn)行了低倍檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鑄坯中心裂紋不超過(guò)0.5級(jí)，如圖8所示；軋制過(guò)程中坯料無(wú)開(kāi)叉，鋼筋無(wú)翹皮、裂紋等缺陷，如圖9所示。優(yōu)化的連鑄工藝參數(shù)如表5所示。

表5 優(yōu)化的連鑄工藝參數(shù)

圖9 采用優(yōu)化連鑄工藝生產(chǎn)的鑄坯熱軋坯料(a)和螺紋鋼(b)的宏觀形貌

圖8 采用優(yōu)化連鑄工藝生產(chǎn)的鑄坯的低倍形貌

3 結(jié)論

(1)鈮微合金化HRB400E鋼連鑄坯產(chǎn)生中心裂紋的主要原因是二次冷卻傳熱控制不當(dāng)和鑄坯凝固前沿受矯直力作用。

(2)通過(guò)優(yōu)化Mn、Nb含量、中間包過(guò)熱度及拉速，連鑄坯中心裂紋明顯減少。

(3)采用優(yōu)化的連鑄工藝批量生產(chǎn)的鈮微合金化HRB400E鋼鑄坯，貫穿鑄坯中心的裂紋得到了有效控制，軋制過(guò)程中坯料端部無(wú)開(kāi)叉，螺紋鋼無(wú)開(kāi)裂等缺陷。