减少含铌钒钛微合金化钢连铸板坯角横裂纹的研究

1、减少含铌、钒、钛微合金化钢连铸板坯角横裂纹的研究王新华王文军刘新宇费惠春张立叶锦渭(北京科技大学)(宝山钢铁(集团)公司)摘要根据钢的高温延塑性可将含铌、钒、钛微合金化钢分为两类：一类是含碳较低(0.10 %)的钢种，此类钢在温度降低到825 后延塑性能够随温度降低而快速恢复；另一类是含碳较高(0.12 %)或含铌、钒较高的钢种，此类钢在第脆性温度区的脆化可延伸至725 。通过提高恒拉速率、液面自动控制投入率和铸机对弧精度，并针对钢的高温延塑性特点采用合理的二冷工艺，使矫直区铸坯边角部温度避开钢的脆性温度区，含铌、钒、钛微合金化钢连铸板坯的角横裂显著减少。关键词含铌钒钛钢连铸高温延塑性裂纹ST

2、UDY ON TRANSVERSE CORNER CRACKING OCCURRENCE PREVENTIONOF THE Nb，V AND Ti MICROALLOYING STEEL CC SLABSWANG XinhuaWANG WenjunLIU Xinyu(University of Science and Technology Beijing)FEI HuichunZHANG LiYE Jinwei( Baoshan Iron and Steel Corp.)ABSTRACTBy hot ductility,Nb,V and Ti microalloying steels can

3、be classified into two groups.The first group includes steels with lower carbon content (0.10 %).Ductility of this group steels is recovered with decreasing temperature when it is cooled down to below 825 .Another group covers steels containing more carbon (0.12 %) or more Nb and V.The embrittlement

4、 of this group steels in the low ductility temperature region can be observed at a temperature as low as 725 .By stabilizing casting speed,using automatic level control,improving the alignment of caster and adopting proper secondary cooling patterns based on hot ductility of the steels, it is possib

5、le to make slab corner temperature in unbending zone out off the low ductility temperature region.In this way the transverse corner cracking of the Nb,V and Ti microalloying steel CC slabs has been considerably decreased.KEY WORDSNb-V-Ti containing steel,continuous casting,hot ductility,crack1前言采用控轧

6、控冷工艺，轧制过程中含铌、钒、钛微合金化钢中析出的碳、氮化物能够细化钢的组织，并对钢起到沉淀强化的作用。但是，在连铸过程，由于钢中微细碳、氮化物析出使铸坯脆性提高，含铌、钒、钛钢连铸坯的表面裂纹发生率显著高于普通钢铸坯，因此成为有关连铸质量问题的研究重点之一1，2。近几年来宝钢含铌、钒、钛钢连铸板坯产量逐年增高，在一段时间内曾出现含铌、钒、钛钢铸坯角横裂较多的情况。为了解决这一问题，宝钢与北京科技大学合作进行了较系统的试验研究，针对性地采取措施，使含铌、钒、钛钢铸坯的角横裂纹发生率显著降低。2研究结果2.1角横裂纹形貌特征图1为含铌钢(0.024 %Nb)铸坯上的角横裂纹照片。角横裂多发生在铸

7、坯内弧侧角部振痕波谷处，在表面开裂较宽，“曲折”地向铸坯内部延伸，表现为沿晶界开裂和扩展的模式。此外，在表皮25 mm下也经常有微细角横裂纹存在。2.2含铌、钒、钛钢铸坯的高温延塑性对宝钢生产的含铌钢(A、B)、含铌钛钢(C)和含铌钒钛钢(D)四个典型钢种铸坯试样的高温延塑图 1铸坯角横裂纹照片Fig.1Photograph of the transverse corner crack on slab性进行了测试。试样直径为10 mm，长110 mm，化学成分见表1。为了对比，对中碳铝镇静钢铸坯(E)也进行了测试。表 1试样的化学成分%Table 1Chemical composition o

8、f specimens%钢CSiMnPSAlNbVTiNA0.1040.2040.840.0120.00760.0500.0120.0033B0.1770.4281.330.0150.00730.0240.0390.0035C0.0920.2761.020.0100.00410.0330.0220.0170.0042D0.1000.2301.410.0200.00500.0420.0460.0380.0190.0028E0.1100.0301.170.0200.00900.0470.0038高温延塑性测试在Gleeble-1500试验机上进行，测试时试样在氩气氛下以10 /s的速率升温到135

9、0 ，保持5 min后以3 /s的速率降温(个别试样升温)到预定的试验温度，2 min后以1×10-3/s的应变速率进行拉伸，拉断后立即对断口部位大量喷水冷却以保持其组织形貌。图2为所测钢种试样断面收缩率RA随温度的变化。在温度降低到950 以下后，A、B、C、D钢的RA值开始减小，进入了通常所称钢的第脆性温度区，而碳钢(E钢)的RA在温度降低到850 后才出现减小。该温度区间含铌、钒、钛钢延塑性降低是钢中碳、氮化物析出造成的，这是因为：析出物粒子钉扎在晶界，抑制了钢的动态再结晶进行；应力下发生塑性变形时，沿晶界的微细析出物作为应力集中源点，与晶界脱开形成微孔，在晶界滑移作用下，微孔

10、连接形成裂纹。采用碳萃取复型方法利用透射电镜在含铌、钒、钛钢变形试样中观察到的析出物根据形貌主要有以下类型。(1) 高温下析出的粗大块状析出物(图3a)。该类析出物仅能在含钛的C、D钢试样中观察到，尺寸多在80 nm以上，EDAX能谱分析和析出物的电子衍射分析确定其为TiN。由于粗大并在钢中零散分布，此类析出物对钢的延性影响不大。此外，由于可以作为铌、钒的碳、氮化物的析出核心，铌、钒析出物因此变得粗大，对钢的延塑性反而有利。从图2可以看到，在第脆性温度区的高温侧，含钛的C、D钢延塑性好于不含钛的A、B钢试样。图 2试样断面收缩率RA随温度的变化Fig.2Change in RA of the

11、specimens with temperature(2) 球状析出物(图3b、c)。在只含铌的A、B钢试样中仅存在此类球状析出物，高温下较粗大，多在图 3变形试样中观察到的典型析出物照片Fig.3Typical precipitates observed in deformed specimens(a)D钢，1200 ；(b)A钢，975 ；(c)A钢，875 ；(d)C钢，900 70100 nm之间，EDAX分析表明为铌的析出物。随温度的降低球状析出物尺寸减小，在900850 间变形试样中其平均尺寸仅为1015 nm。此类微细析出物降低钢延塑性的作用最为显著。(3) 900 左右含钛钢试

12、样中的微细析出物(图3d)。较高温度下含钛的C、D钢变形试样中的析出物尺寸较粗大，随着温度降低析出物尺寸减小。在900 左右变形试样中可以观察到大量仅为1020 nm的球形或立方形微细析出物。这表明，尽管含钛能够改善含铌、钒钢的高温延塑性，在900 左右含钛钢中也会析出微细的碳、氮化物，造成钢的脆化。由图2看到，温度低于800 后，含较低碳的A、C钢试样的延塑性随温度的进一步降低而快速回升，而含碳较高的B钢和含碳较低但含铌钒较高的D钢的RA值却仍随温度的下降而降低。根据延塑性的这一不同变化规律可将含铌、钒、钛钢铸坯分为以下两类。一类是含碳较低(0.10 %)的钢种，此类钢的Ar3温度较高，进入

13、+两相区后先共析转变能够快速由原晶界向晶粒内部进行(图4a)，从而很快消除晶界析出的相网膜造成的应力集中，使钢的延塑性得到改善。另一类钢含碳较高(0.12 %)，与前一类钢相比，其转变得较慢，原晶界生成的铁素体网膜能够一直保持到720 左右(图4b)。由于相的强度只是相的大约1/4，变形因此主要集中在相网膜上，造成沿晶界破坏，此类钢的脆性温度区因此向低温方向延伸。对于含碳尽管较低但含铌、钒高的钢种，钢中含铌、钒使钢的先共析转变延迟，其在图 4A、B钢试样断口部位的组织照片Fig.4Microstructure of the fractured specimens of steel A and

14、steel B(a)A钢，775 ；(b)B钢，725 第脆性温度域低温侧的延塑性与含碳较高(0.12 %)的含铌、钒、钛钢类似。2.3铸机对弧、结晶器液面控制等的影响生产数据的统计分析结果表明，拉速大的波动、铸机对弧精度和结晶器钢水液面控制精度对角横裂有显著的影响。图5为1996年全年宝钢两台板坯铸机四个铸流的铸机对弧精度指数与铸坯角横裂指数的关系。可以看到，3、4号铸流的对弧精度指数仅比1、2号铸流低88.5，但铸坯的角横裂指数平均是1、2号铸流的2.7倍。目前宝钢连铸恒拉速率和结晶器钢液面自动控制投入率已分别提高到60 %和90 %以上，铸机对弧偏差低于0.5 mm的比率也已超过95 %

15、，这对减少铸坯的角横裂起到了重要作用。2.4改变二冷模式含铌、钒、钛钢铸坯的角横裂纹多发生在内弧，表明与矫直工艺有很大关系。如果矫直时铸坯边角部温度位于微细碳、氮化物析出高峰温度区，由于钢的脆化，矫直变形下铸坯振痕波谷处易产生裂纹。图 5铸机对弧精度与角横裂指数的关系Fig.5Relation between caster segment radial alignment index and the transverse corner crack index本研究中采用远红外测温仪对宝钢含铌、钒、钛钢铸坯所用二冷控制模式下矫直区铸坯边角部温度进行了测定，测温仪输出信号与PC计算机相联，在计算机

16、温度采集程序中做了专门处理，将每30 s内接收到的60组温度数据中的最高温度值作为该时间区间内的铸坯温度，从而避免或减低了水汽、水膜、铸坯表面氧化铁皮等对所测温度造成的影响。图6为测得的宝钢原用含铌、钒、钛钢二冷模式下矫直区铸坯边角部温度一例，实际测得的铸坯边角温度平均为862 ，恰好位于含铌、钒、钛钢的脆性温度域内(图2)。图 6矫直区铸坯边角部温度Fig.6Slab corner temperature in unbending zone为使矫直区铸坯边角部温度避开钢的脆性温度域，对含铌、钒、钛钢的二冷模式做了改动(图7)，对上文所述的含碳较低的含铌、钒、钛钢种，由于其在温度低于800 后

17、具有良好的延塑性，故采用了较原二冷模式强的二冷强度(图7中模式1)，以将铸坯边角温度控制在800 以下。而对另一类含碳较高或含铌、钒高的钢种，则专门开发了新二冷模式(图7中模式2)，将铸坯边角温度提高，从高温侧避开钢的脆性温度域。改变原有二冷控制模式后，铸坯的角横裂发生率显著下降。以图7所示新二冷模式2为例，采用该二冷控制模式后，第二类钢铸坯的角横裂指数由原来的23.7降低到4以下。图 7新、旧二冷模式铸坯表面目标控制温度沿机长的变化Fig.7Slab surface target temperature along caster length with the old and new sec

18、ondary cooling patterns2.5铸坯角横裂缺陷的减少通过提高恒拉速率、液面自动控制投入率和铸机对弧精度，并针对铸坯的高温延塑性特点采用合理的二冷工艺，宝钢生产的含铌、钒、钛微合金化钢铸坯的角横裂发生率大大减少，角横裂指数已由1995年角横裂发生高峰时的19.2减少到3左右。3结论(1) 含铌、钒、钛钢铸坯试样中主要有三类碳、氮化物析出物：含钛钢中高温下析出的粗大TiN析出物；含铌钢中铌的球状析出物；900 附近温度区间含钛钢中析出的微细动态析出产物。微细碳、氮化物的析出是钢在第脆性温度区高温侧延塑性降低的主要原因。(2) 在第脆性温度区高温侧，铌降低钢延塑性的作用最显著，钛能够减轻含铌钢的脆化。(3) 根据钢的高温延塑性可将含铌、钒、钛微合金化钢分为两类：一类是含碳较低的含铌、钒、钛钢种，此类钢在温度降低到825 后延塑性能够快速恢复；另一类是含碳较高或含铌、钒较高的钢种，此类钢的脆化可延伸至725 。(4) 通过提高恒拉速率、液面自动控制投入率和铸机对弧精度，并根据钢的高温延塑性特点采用合理的二冷工艺，宝钢含铌、钒、钛微合金化钢连铸坯的角横裂发生率显著减少。参考文献1Turkdogan E T.Causes and Effects of Nitride and Carbonitride Precipi