中碳高錳鋼帶狀組織改善研究與實(shí)踐

徐必靖，李輝成，任振海，陳占領(lǐng)，朱富強(qiáng)，鄒 晉

(1.江蘇常州中天鋼鐵集團(tuán)，江蘇 常州 213011； 2.江西省科學(xué)院 應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330096)

帶狀組織是一種常見(jiàn)于鋼材內(nèi)部的缺陷組織，根據(jù)其形成過(guò)程可分為一次帶狀組織和二次帶狀組織。一次帶狀組織為鋼液凝固過(guò)程中偏析所形成的原始偏析帶狀組織；二次帶狀組織為鋼坯在軋制冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的沿軋制方向平行排列、層狀分布的條帶狀組織。帶狀組織增加了鋼材組織的不均勻性，形成各向異性，故而會(huì)影響鋼材的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能[1-6]。

鑄坯成分不均勻性、碳及合金元素(尤其以Mn、Cr、P影響最為突出)所形成的貧化帶和富化帶差異程度決定鑄坯軋制過(guò)程中成分的不均勻及鐵素體形成、分布差異性的影響，最終決定軋材帶狀組織的分布情況[7-8]。本文選擇中碳高錳鋼為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，降低容易引起凝固組織偏析所造成的軋材帶狀組織的合金元素含量，調(diào)整連鑄工藝和軋制工藝進(jìn)而改善帶狀組織。

1 試驗(yàn)條件及過(guò)程

本文以江蘇常州中天鋼鐵集團(tuán)電爐煉鋼廠五機(jī)五流，鑄坯斷面220 mm×260 mm的連鑄機(jī)生產(chǎn)的中碳高錳鋼為研究對(duì)象。通過(guò)降低成分中容易造成帶狀組織的元素含量、優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)以及調(diào)整軋制工藝改善軋材。中碳高錳鋼化學(xué)成分、連鑄工藝參數(shù)和軋制工藝參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2和表3。鋼坯完成軋制后進(jìn)行取樣對(duì)比分析，為了取到軋制穩(wěn)定期的軋材試樣，在每個(gè)軋次的軋制中期進(jìn)行取樣，取樣如圖1所示。將軋材試樣進(jìn)行切割加工、粗磨、精磨、拋光、腐蝕等工序制作成待檢測(cè)樣品。

表1 試驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 連鑄工藝參數(shù)

表3 軋制工藝參數(shù)

圖1 取樣示意圖Fig.1 Sampling schematic diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鑄坯橫向低倍組織

采用不同的連鑄工藝生產(chǎn)連鑄坯，對(duì)連鑄坯進(jìn)行取樣分析，主要進(jìn)行連鑄坯橫向低倍樣的對(duì)比研究。為了保證取樣對(duì)比的準(zhǔn)確性，兩塊低倍試樣的取樣位置、取樣流次均保持一致。取樣完成后，將低倍樣進(jìn)行鋸床切割、銑床及磨床加工，獲取較好的待腐蝕平面，之后采用75 ℃的工業(yè)鹽酸與水體積比1:1的混合溶液進(jìn)行10 min的熱酸洗。兩種工藝的連鑄坯橫向低倍組織如圖2所示，鑄坯低倍參考標(biāo)準(zhǔn)《YB/T 153—2015 優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼連鑄坯低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》進(jìn)行評(píng)級(jí)，具體評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表4。由圖2和表4可以看出，通過(guò)優(yōu)化連鑄工藝，使鑄坯低倍質(zhì)量得以提高，中心偏析和中心疏松得到改善，等軸晶率增加，面積占比由25.53%增加到35.05%，鑄坯的組織均勻性得到提高，偏析情況得以改善。

(a)工藝1；(b)工藝2圖2 連鑄坯橫向低倍組織(a)process 1；(b)process 2Fig.2 Transverse macrostructure of continuous casting billet

表4 低倍組織評(píng)級(jí)

2.2 軋材帶狀組織

將軋材按照?qǐng)D1進(jìn)行取樣，取其中一個(gè)半圓橫向低倍樣作為帶狀組織分析樣，對(duì)平行于軋制方向的組織采用4%硝酸酒精過(guò)腐蝕20～30 s，采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，并參考標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34474.1—2017 鋼的帶狀組織的評(píng)定》對(duì)帶狀組織進(jìn)行評(píng)級(jí)。由圖3和表5可以看出，高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱、高終軋溫度工藝下軋材的中心和半徑1/2處的帶狀組織更細(xì)，評(píng)級(jí)更低。

(a)工藝1，中心處；(b)工藝1，半徑1/2處；(c)工藝2，中心處；(d)工藝2，半徑1/2處圖3 不同工藝下軋材中心和半徑1/2處帶狀組織(a)process 1, center; (b) process 1, radius 1/2; (c) process 2, center; (d) process 2, radius 1/2Fig.3 The banded structure at the center and 1/2 radius of rolled material under different processes

表5 帶狀組織級(jí)別

鋼液在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的元素偏析是形成帶狀組織最直接的原因，鑄坯凝固組織中元素分布的均勻性對(duì)于帶狀組織的形成和分布有重要影響。從連鑄工序來(lái)說(shuō)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)鑄坯凝固組織的勻質(zhì)化可以有效地改善或消除帶狀組織。通過(guò)增大結(jié)晶器電流參數(shù)可以增大結(jié)晶器內(nèi)的強(qiáng)制流動(dòng)，打斷樹(shù)枝晶，形成更多的二次晶核，從而抑制柱狀晶的生長(zhǎng)；同時(shí)利用脈沖磁致振蕩(PMO)的激發(fā)形核作用，促進(jìn)更多初生晶核的生成，增加等軸晶數(shù)量，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和組織均質(zhì)化。

同時(shí)，高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱有利于促進(jìn)鑄坯內(nèi)部元素成分的充分?jǐn)U散，實(shí)現(xiàn)成分均勻性。提高加熱溫度并延長(zhǎng)加熱時(shí)間可以使得形成枝晶偏析的元素(如Mn、Cr)等擴(kuò)散均勻，從而實(shí)現(xiàn)奧氏體均勻化；同時(shí)奧氏體晶粒較大，鐵素體形核心減少，可有利于降低不同位置鐵素體形核速率的差異，降低形成帶狀組織的條件[8]。高終軋溫度有利于增大軋后冷卻速度，可以降低帶狀組織的產(chǎn)生條件[9-11]。隨著軋后冷卻速度的增大，先共析鐵素體形核的驅(qū)動(dòng)力增大，貧溶質(zhì)區(qū)與富溶質(zhì)區(qū)的 Ar3溫度差對(duì)帶狀組織的影響會(huì)減輕，碳成分由貧溶質(zhì)區(qū)向富溶質(zhì)區(qū)的擴(kuò)散距離的減小可減輕帶狀的程度。同時(shí)，加大終軋后冷卻速度也可以抑止碳在原始帶狀基礎(chǔ)上的長(zhǎng)距離擴(kuò)散，減小碳原子充分?jǐn)U散時(shí)間， 消除或減輕鐵素體珠光體的帶狀形態(tài)。

3 結(jié)論

1)通過(guò)降低容易引起偏析的合金元素含量以及優(yōu)化連鑄工藝可顯著改善鑄坯低倍組織，增加連鑄坯等軸晶率及降低中心偏析，為軋制工藝的制定提供良好的基礎(chǔ)，有利于改善軋材帶狀組織的形成。

2)提高加熱溫度、增加保溫時(shí)間以及提高終軋溫度可改善鑄坯枝晶偏析，降低鐵素體形成條件，進(jìn)而改善帶狀組織。