加硼钢连铸坯中间裂纹缺陷的改善

1、加硼钢连铸坯中间裂纹缺陷的改善苏笃星1，马建超1，夏翁伟2，冯红伟2(江苏沙钢集团有限公司1江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏张家港215625；2宏发炼钢厂，江苏 张家港215625)摘 要：通过对添加硼前后A36钢连铸坯中间裂纹分布特征及其高温力学性能的调查研究，分析了其中间裂纹的形成原因。结果表明，硼的加入降低了钢的零塑性温度是铸坯产生中间裂纹的内因，而铸坯在连铸过程中受弯曲应变、矫直应变以及辊缝不对中引起的过大应变是裂纹产生和扩展的外因。据此提出了相应的改进措施，有效地减轻了A36B钢连铸坯中间裂纹。关 键 词：连铸；中间裂纹；零塑性温度硼钢是以硼为基础代替铬、镍的一种低合金结构钢。通过向

2、钢中加入微量硼元素能够显著提高其淬透性，获得优良的机械性能，从而节约大量的贵重元素，因此得到广泛生产和应用1。然而，生产过程中发现，添加硼会增加钢在连铸生产过程中的裂纹敏感性。2011年江苏沙钢集团宏发炼钢厂生产的A36B钢(添加微量硼)连铸坯出现了比较严重的中间裂纹缺陷，不仅影响了连铸坯以及后续轧制板材的内部质量，有些还直接造成板坯返废，极大地影响了生产及经济效益。从2012年1月开始，通过对A36B钢连铸坯中间裂纹现状和机理进行调查分析，确定加硼钢连铸坯发生中间裂纹的主要原因，并采取相应的改进措施，显著减轻了A36B钢连铸坯的中间裂纹缺陷。1 生产工艺生产工艺流程：铁水脱硫180t转炉炉外

3、精炼板坯连铸。连铸机为直弧型单流连铸机，基本弧半径1075m，结晶器长度900mm，铸机长度34495m，工作拉速0615mmin，铸坯断面(220，250，320)mm(18002300)mm。A36B钢的连铸拉速为125mmin，浇铸断面为220mm2265mm，二冷比水量为076Lkg。2 中间裂纹评级及分布特征21 中间裂纹评级通过对2011年以来的A36B钢铸坯低倍统计调查发现，其中间裂纹等级大于等于15级比例达到22以上，而相似成分A36钢(不含硼)连铸坯中则主要为05级以下轻微的中间裂纹缺陷，如图1所示。对于10级以下的中间裂纹，可以在轧制过程中通过提高加热温度和优化轧制工艺予以

4、改善，不影响最终成品的内在质量，而对于15级以上的中间裂纹缺陷，由于其宽度较大(最大可达到1mm左右)，部分裂纹甚至在火焰切割后肉眼即可观察到，后期轧制后很难焊合，故在生产过程中一般均判废处理。22 中间裂纹分布特征通过铸坯低倍统计发现，铸坯内外弧均出现了不同程度的中间裂纹，且三角区也出现垂直于窄边的中间裂纹。裂纹主要呈河流状沿柱状晶晶间分布，裂纹区微观形貌如图2所示，严重的达20级。其中，220mm厚的板坯外弧侧裂纹主要分布在距外弧表面3080mm处，内弧侧裂纹集中分布于距内弧表面70104mm处，三角区裂纹位于距窄边3550mm处。3 中间裂纹产生原因分析讨论31 钢的高温力学性能零强度温

5、度(ZST)和零塑性温度(ZDT)是表征材料高温力学性能行为的重要参数，其中ZST表征固液界面刚凝固的金属具有抵抗外力作用的温度，而ZDT表征已凝固的金属开始具有抵抗变形能力的温度2。图3给出了钢在连铸过程中糊状区的机械性能以及相应的固液界面结构示意图2，温度高于ZST低于液相线温度时，其机械性能与液相相似。在ZST与液相不能通过位置的温度(LIT)范围内发生热撕裂作用时，产生的裂纹缝隙在周围包裹的钢液填充下不会引起最终的连铸坯裂纹，该部分称之为液相补缩区。而在ZDT与LIT的脆性温度区间，由于枝晶间搭桥比较致密，该区域内产生裂纹时无法获得钢液填充，形成最终的铸坯内部裂纹，称之为易开裂区。当凝

6、固过程中易开裂区所受的累积应变超过临界应变或拉伸应力超过临界断裂应力时，铸坯便开始产生凝固裂纹。其中，LIT与ZDT对应的固相率为090和0992。因此，连铸过程糊状区的机械性能对铸坯裂纹产生重要影响，连铸坯的高温力学性能是决定凝固裂纹形成的内在原因。为弄清加硼钢连铸坯中中间裂纹形成原因，采用热模拟机对比分析了加硼A36B钢和同成分不加硼A36钢的高温力学性能。试验所用钢种的化学成分如表1所示，试验在Gleeble3800热模拟机上进行，以10s的速率升温到1350，保温5min，然后以3s的速率降温至变形温度，保持2min后在该温度下以=110-3s-1的应变速率进行拉伸试验。将试验中一系列

7、不同的温度点数据整理，以断面收缩率表征材料的塑性，可以获得一个“温度面缩率”的曲线图，以描绘出材料随温度变化时塑性的变化。大部分材料中，塑性在一个固定温度以上随温度的升高而降低，而塑性降为零值的一点即NDT温度，在此温度点材料变得非常脆，试验过程中ZDT重复测试了5次。零强度试验试样一般使用20s的速率加热到低于液化温度100处，后使用12s的速率加热直到试样被损坏，断裂点温度即材料的NST。由于试样成分差异，一般需要重复此试验。如果前两次试验得到的温度差值超过20，需要进行第3次试验，所得平均值即材料的NST所得值。3次试验所得温度前后差值在10以内。表2为试验所得到的ZDT、ZST。由表2

8、可知，A36B、钢与A36钢的ZST都在1443左右，但A36B钢的ZDT温度与A36钢相比低了50。根据图3可知，相同ZST情况下，ZDT越低，裂纹敏感性越高。32 钢中偏析元素对裂纹的影响对比2钢种的化学成分比较可以看出，其主要区别在于A36B钢的硼含量较高，为进一步分析硼对其高温裂纹敏感性的影响，采用EMPA对裂纹尖端附近进行能谱分析，结果表明裂纹尖端附近存在一定的硼、磷和硫元素的富集。为进一步调查裂纹处杂质元素对裂纹的影响，从A36B钢连铸坯中沿垂直于中间裂纹方向取室温拉伸性能测试样，取样位置如图4所示。将试样在室温下进行拉伸试验，拉伸过程中试样沿中间裂纹位置断裂，对拉伸断口进行SEM

9、成分检测发现，断口位置分布有大量的条状硫化锰，如图5所示。分析认为，在凝固过程中，硼、磷、硫等元素容易在枝晶间晶界位置形成偏析，并形成低熔点的硫化物、磷化物以及硼化物，降低了枝晶间液膜的凝固点，使钢的高温脆性区向低温移动，导致ZDT降低，增加了凝固裂纹敏感性36。另外，这些低熔点的夹杂物存在于晶界上，破坏了钢基体的连续性，当连铸坯在凝固过程中受到外力作用时，容易在夹杂物周围产生应力集中而引起塑性变形产生大量的位错环，当位错环在外力作用下到达夹杂物和基体的界面时，界面分离形成微孔，大量微孔的扩散和聚合，使得在宏观上表现出裂纹的形成。同时硫化物等夹杂物尺寸越大，其所产生的位错环也越多、越长，微孔的

10、形成越早，长大速度也越快，更容易形成裂纹7。由表1可知，A36B钢尽管比A36钢磷、硫元素含量较低，但其零塑性温度更低，说明硼对钢的裂纹敏感性影响更大。有文献报道，裂纹对硼的敏感性是磷的约10倍8。33 连铸过程受力对裂纹的影响文献指出，在二次冷却区凝固坯壳的受力与变形是产生内部裂纹的根源9。在生产中，随着连铸炉数的增加，扇形段的对弧精度和辊缝值都会发生偏差，这样造成连铸坯在运行过程中，固液界面处所承受的应力如弯曲应力、鼓肚应力等都会增加，当连铸坯承受总应力超过临界断裂应力时，便会产生裂纹。结合A36B钢连铸坯低倍裂纹的分布特征和VAI在线凝固模型计算结果可知，外弧侧以及三角区裂纹的起始端位置

11、位于连铸机弯曲段，而铸坯内弧侧中间裂纹起始端位于铸机的矫直扇形段。从低倍照片可以看出，外弧侧及三角区裂纹主要分布在靠近外表面的位置，这主要是由于铸坯在弯曲段时外弧侧受张力作用，导致外弧侧凝固坯壳在ZDTLIT区发生热撕裂作用，形成初始裂纹源，并在随后的弯曲过程中进一步扩展而产生的；内弧侧裂纹的主要是由于矫直段内弧侧受张力作用所致。另外，在连铸过程中，如果存在辊缝不对中或对弧不准等设备不良状况时，或由于冷却不均匀而导致较大鼓肚时，也会在凝固前沿产生较大的内应力，当连铸坯凝固坯壳所受的内应力大于临界应力时，裂纹容易沿枝晶间液相膜形成并扩展，形成晶间裂纹。4 中间裂纹改进措施及效果根据以上分析可知，

12、硼、磷、硫元素的微观偏析以及晶界处硫化物等夹杂物的存在导致加硼钢零塑性温度降低，是导致A36B钢连铸坯中间裂纹产生的内在原因。弯曲应变、矫直应变、鼓肚应变与辊缝不对中导致的较大应变是中间裂纹产生的外在原因。结合现场实际生产情况，采取以下措施进行改进。1)降低钢中杂质元素含量。通过优化炼钢操作，提高浇铸A36B钢水磷、硫含量的内控水平，钢水中(S)控制标准由原来的20010-6以下提高到5010-6以下，钢水中(P)由原来的20010-6降低到15010-6以下。2)重新规范检修制度，加强对扇形段辊缝和段之间对弧的测量和校正，辊缝偏差控制在05mm以内，弧度偏差控制在1mm以内。同时加强对喷嘴的

13、检查，对堵塞的喷嘴及时进行更换。通过对连铸机设备的维护以及钢水成分控制，有效地改善了中间裂纹缺陷。改进后，A36B钢中间裂纹平均级别由2011年的12级降至2012年59月的06级，三角区裂纹平均级别由086级降至03级，完全消除了15级及以上的中间裂纹缺陷。5 结论通过对添加硼前后A36钢连铸坯中间裂纹分布特征及其高温力学性能的调查研究，分析了其中间裂纹的形成原因，并提出了相应的改善措施，有效地减轻了A36B钢连铸坯中间裂纹。1)硼的加入降低了钢的零塑性温度是铸坯产生中间裂纹的内因，添加微量硼后，A36钢的零塑性温度降低了50。2)硼、磷、硫元素的微观偏析以及晶界处硫化物等夹杂物的存在导致加

14、硼钢零塑性温度降低的主要原因，其中硼的影响最大。3)弯曲矫直应变、鼓肚应变与辊缝不对中导致的较大应变是中间裂纹产生的外在原因。4)通过降低钢水杂质元素含量、加强对连铸机设备的维护，有效地改善了A36B钢铸坯中间裂纹缺陷，A36B钢中间裂纹平均级别由原来的12级降至06级，三角区裂纹平均级别由086级降至03级，完全消除了15级及以上中间裂纹缺陷。参 考 文 献：1 田树生，易耀云，杨勇45B含硼钢裂纹成因分析及改进J金属材料与冶金工程，2010，38(5)：36482 Seol D J，Won YM，Oh KH，et al_Mechanical behavior of carbon steel

15、s in the temperature range of mushy zoneJISIJ Int，2000，40(4)：3563633 蔡兆镇，朱苗勇溶质偏析对连铸坯凝固前沿裂纹敏感性影响的研究J铸造技术，2009，30(11)：139614014 甄新刚，张炯明，龚雅林，等中碳合金钢连铸板坯中间裂纹形成机理研究J铸造技术，2010，31(5)：5755785 朱世维，张秀云，白朴存中厚板中间裂纹的研究及预防措施J热加工工艺，2010，39(9)：1831866 王子亮，王新江，陈煜，等板坯中间裂纹的成因分析及预防措施J钢铁，2004，39(7)：31347 牛重军，李京社，高锦国，等连铸板坯中间裂纹的分析与改进J河