亞共析鋼S48C連鑄坯軋后表面缺陷原因分析

范英同,郭亮亮,徐國棟

(寶山鋼鐵股份有限公司1.煉鋼廠,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

1 概述

亞共析鋼S48C作為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼,熱處理后具有較高的強(qiáng)度,較好的塑性、韌性、抗疲勞等優(yōu)越性能[1-5]。寶鋼股份生產(chǎn)的S48C連鑄坯軋后,發(fā)現(xiàn)熱軋中心縱裂紋和冷軋邊部翹皮缺陷,如圖1所示。本文首先利用金相和掃描電鏡等試驗(yàn)手段,分析熱軋板中心縱裂紋和冷軋卷邊部翹皮形貌和成因;然后,采用高溫拉伸試驗(yàn)測得S48C的熱塑性曲線,考察鋼種的凝固特性?；谏鲜鼍C合研究得出熱軋板中心縱裂紋和冷軋卷邊部翹皮成因,并提出具體對策,從而保證產(chǎn)品生產(chǎn)的順行。

2 試驗(yàn)分析方法

本研究涉及的S48C化學(xué)成分如表1所示,熱軋板生產(chǎn)流程為BOF→RH→CC→HR→CR。對有熱軋板中心縱裂紋和冷軋卷邊部翹皮部位取樣和制樣,采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察分析缺陷?；跓崃W(xué)相圖軟件計(jì)算S48C的平衡相圖。使用Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)完成高溫拉伸試驗(yàn),試樣首先加熱至1 350 ℃,保溫一段時(shí)間后,按照一定冷卻速率冷卻到拉伸試驗(yàn)溫度600～1 350 ℃,應(yīng)變速率為3×10-4s-1;為了研究裂紋敏感性,實(shí)測了S48C的零塑性溫度(ZDT)。

圖1 S48C軋后表面缺陷

表1 S48C的典型化學(xué)成分

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 熱軋板中心縱裂分析

S48C熱軋板中心縱裂金相和掃描電鏡結(jié)果如圖2所示,縱向裂紋伴有凹陷,深度約0.7 mm,有明顯的脫碳層。通過掃描電鏡分析,發(fā)現(xiàn)主要是基體氧化物,未見明顯的夾雜物和保護(hù)渣成分。根據(jù)上述分析,可判斷熱軋板中心縱裂是由連鑄坯縱裂引發(fā)的[3-5],這在后續(xù)生產(chǎn)的S48C連鑄坯表面檢查已得到驗(yàn)證。

圖2 熱軋板中心縱向裂紋試驗(yàn)結(jié)果

3.2 冷軋卷邊部翹皮分析

S48C冷軋卷邊部翹皮截面的金相和掃描電鏡結(jié)果如圖3所示,翹皮缺陷的深度約為20 μm,翹皮缺陷附近無異常夾雜物,有少量的二次氧化顆粒,未見明顯的晶粒長大及脫碳現(xiàn)象,判斷可能與鑄坯的皮下氣孔有關(guān)[6-8]。

圖3 冷軋卷邊部翹皮試驗(yàn)結(jié)果

3.3 平衡相圖熱力學(xué)計(jì)算

圖4為亞共析鋼S48C熱力學(xué)平衡相圖計(jì)算結(jié)果,液相線溫度為1 489 ℃,固相線溫度為1 407 ℃,固液兩相溫度區(qū)間寬(82 K左右);奧氏體γ→鐵素體α轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間是770～717 ℃,滲碳體析出峰值溫度約為720 ℃。

圖4 S48C平衡相圖計(jì)算結(jié)果

3.4 高溫塑性拉伸試驗(yàn)

圖5是亞共析鋼S48C鑄坯的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。在本試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)(600～1 375 ℃),試樣的抗拉強(qiáng)度是隨溫度的升高而減小,該鋼種的零塑性溫度ZDT約在1 375 ℃左右。凝固初期結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度較薄,隨著凝固進(jìn)行,C、S、P等元素發(fā)生偏析,發(fā)生選分結(jié)晶在枝晶間富集;加之結(jié)晶器流場作用,導(dǎo)致凝固坯殼厚度不均勻,易形成縱向凹陷。如果初生坯殼受到熱應(yīng)力、結(jié)晶器摩擦力、足輥區(qū)鼓肚力等綜合作用,會(huì)沿柱狀晶晶界開裂[9-10];同時(shí),現(xiàn)場試驗(yàn)表明,不對中引起的附加機(jī)械力也會(huì)加劇縱向裂紋的產(chǎn)生。隨著溫度降低至800 ℃以下,亞共析轉(zhuǎn)變發(fā)生,滲碳體的析出進(jìn)一步弱化了鋼種塑性,增加了裂紋的發(fā)生傾向性。

圖5 S48C高溫抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率

3.5 皮下氣泡形成原因分析

連鑄塞棒吹氬起到防止鋼水的二次氧化以及水口結(jié)瘤,促進(jìn)結(jié)晶器流場形成雙環(huán)流,使保護(hù)渣變得疏松、潤滑,促進(jìn)夾雜物上浮、塞棒冷卻等作用[11]。如圖6(a)所示,當(dāng)塞棒吹氬流量波動(dòng)較大,一方面,在高拉速或SEN插入深度不合理的條件下,小氣泡容易浸入結(jié)晶器下回流區(qū)域,易被初生凝固坯殼捕獲,則會(huì)導(dǎo)致在鑄坯表面產(chǎn)生氣孔[12];另一方面,過大的氬氣流量會(huì)造成結(jié)晶器內(nèi)鋼液面波動(dòng)過大,出現(xiàn)卷渣或使鋼液暴露于空氣中發(fā)生二次氧化等現(xiàn)象。因此,最佳氬氣流量既要保證有良好的防堵效果,又要保證不對鋼質(zhì)造成不良影響,如圖6(b)所示。

3.6 結(jié)晶器電磁攪拌影響

已有研究表明,板坯凝固過程中形成發(fā)達(dá)柱狀晶凝固組織經(jīng)熱軋后不能被完全破壞而殘留到最終產(chǎn)品。由于在電磁場作用下,在鑄坯內(nèi)部從中心開始液態(tài)金屬收到的電磁力逐漸增加,在凝固界面前沿電磁力達(dá)到最大值,從而影響了液態(tài)金屬凝固過程的傳熱、傳質(zhì)以及最終的凝固組織;結(jié)晶器電磁攪拌對結(jié)晶器的鋼液和凝固坯殼均勻性有改善[13-14]。本文在同樣的連鑄工藝條件下,對比了同一鑄機(jī)兩個(gè)流分別不用和采用電磁攪拌后鑄坯的金相組織。如圖7所示,M-EMS的作用效果明顯:采用電磁攪拌鑄坯試樣未見裂紋和皮下氣泡,而未采用電磁攪拌試樣發(fā)現(xiàn)了裂紋和氣泡。

圖6 S48C連鑄塞棒吹氬流量隨時(shí)間變化曲線

圖7 結(jié)晶器電磁攪拌影響

3.7 設(shè)備精度研究

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),S48C鑄坯縱裂發(fā)生率與結(jié)晶器錐度偏差密切相關(guān),如圖8所示?？梢?結(jié)晶器錐度與目標(biāo)錐度偏離越大,縱裂的發(fā)生比例越高。這是由于結(jié)晶器不垂直時(shí),當(dāng)澆注過程中結(jié)晶器振動(dòng)不在垂直方向上時(shí),會(huì)增加坯殼的應(yīng)力,增加產(chǎn)生裂紋幾率[15]。同時(shí),在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)如果鑄機(jī)輥道對中不良、輥?zhàn)幼冃?鑄坯在運(yùn)行過程中就會(huì)受到外力作用產(chǎn)生裂紋[16]。

圖8 鑄坯縱裂發(fā)生率與結(jié)晶器錐度偏差關(guān)系

4 改進(jìn)措施與效果

4.1 改進(jìn)措施

(1) 根據(jù)亞共析鋼S48C連鑄實(shí)績情況,發(fā)現(xiàn)原結(jié)晶器窄面錐度偏小,將結(jié)晶器錐度由原設(shè)計(jì)1.05%提高到1.10%,并保證結(jié)晶器錐度偏差小于0.5 mm;定期檢查鑄機(jī)輥道對中情況。

(2) 結(jié)晶器采用緩冷,降低結(jié)晶器冷卻水強(qiáng)度。

(3) 結(jié)晶器采用電磁攪拌,提高結(jié)晶器的鋼液和凝固坯殼均勻性。

(4) 塞棒氬氣流量穩(wěn)定控制在10 L/min,減少異常波動(dòng)。

4.2 改進(jìn)效果

采取上述措施后,亞共析鋼S48C軋后缺陷封鎖率大幅降低,熱軋板中心縱裂紋從6.20%下降至0.32%,冷軋卷邊部翹皮缺陷從2.7%下降至0.1%。

5 結(jié)論

亞共析鋼S48C連鑄坯軋后,在熱軋板表面發(fā)現(xiàn)中心縱裂紋、冷軋卷邊部發(fā)現(xiàn)翹皮缺陷。對上述兩類缺陷采用系統(tǒng)的試驗(yàn)分析,找到了缺陷成因,結(jié)論如下:

(1) S48C熱軋板中心縱裂伴有凹陷,深度約為0.7 mm,有明顯的脫碳層,是由連鑄坯縱裂引發(fā),這在后續(xù)生產(chǎn)的S48C連鑄坯表面檢查已得到驗(yàn)證。

(2) S48C零塑性溫度ZDT約在1 375 ℃左右,凝固初期結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度較薄,導(dǎo)致凝固坯殼厚度不均勻,易形成縱向凹陷。隨著溫度降低至800 ℃以下,亞共析轉(zhuǎn)變發(fā)生,滲碳體的析出進(jìn)一步弱化了鋼種塑性,增加了裂紋的發(fā)生傾向。

(3) S48C冷軋卷邊部翹皮深度約為20 μm,翹皮缺陷附近未見明顯的晶粒長大及脫碳現(xiàn)象,與鑄坯的皮下氣孔有關(guān)。當(dāng)塞棒吹氬參數(shù)不合理時(shí),進(jìn)入結(jié)晶器的氬氣泡易被初生凝固坯殼捕獲,則會(huì)導(dǎo)致在鑄坯表面產(chǎn)生氣孔。

(4) 采用結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)、穩(wěn)定塞棒氬氣流量和提高結(jié)晶器設(shè)備精度等措施,可有效提高S48C軋后表面質(zhì)量。