低合金钢钢锭红送裂纹的分析

低合金钢钢锭红送裂纹的分析

在冷却至红色热状态后，钢棒在红色热状态下进行拔模，并采用红色交换法将其发送给压力厂的安装炉，以便重新加热和改性。这可以显著节省成本，简化生产流程，降低生产成本。因此，金祠厂被广泛使用。但大量生产实践表明,在低碳及低合金钢红送钢锭轧坯上时常出现细小、成群分布的裂纹(称为红送裂纹)。这种裂纹难以磨削消除,严重时导致钢锭报废,造成巨大的经济损失,阻碍了红送工艺的推广。国内外虽对这类裂纹有所报道,但大多数资料都是根据生产实际现象进行分析和推测,缺乏系统的研究和深入的理论探讨。为此本文作者针对抚顺特殊钢有限责任公司生产的DIN20MnCr5、DIN16MnCr5(德国钢号)3t低合金钢矩形钢锭红送裂纹的形成机理进行了研究。1热炉加热时间在生产现场调查时发现:钢锭浇注后,约经1.5h脱模,钢锭表面温度超过1100℃,红送至轧钢厂,并保证在钢锭表面温度超过800℃装炉加热,一般不会产生红送裂纹;经6.5h脱模(此时钢锭表面温度低于650℃),温送至轧钢厂,若在低于450℃入炉按冷锭加热工艺加热,钢锭虽然常出现纵裂纹,但一般不会出现红送裂纹;经2.5～3.5h脱模红送至轧钢厂,在650～800℃区间入炉加热,轧坯产生红送裂纹的倾向较大(现场统计表明,有20%～30%的钢锭产生红送裂纹),因此,650～800℃是产生红送裂纹的敏感温度区间。从以上调查可以看出,红送裂纹的产生与红送工艺及再加热工艺密切相关。本文作者从研究钢锭红送过程及再加热过程中温度场和应力场的变化规律入手,结合钢锭高温组织和性能的分析,探讨了钢锭红送裂纹的形成机理。2钢锭表层应力分析在考察生产现场红送设备及工艺的基础上,利用计算机模拟计算了DIN20MnCr5钢3t矩形钢锭表层和心部的温度场,结果如图1所示。模拟计算从脱模开始(此时现场测温表明钢锭表层温度约1100℃,心部温度比表面温度约高100℃),经270min后,将钢锭放入均热炉中加热。从图1中可见,冷却100min后,在700～800℃之间,冷却曲线出现变缓的趋势,表明在Ar3～Ar1温度范围内发生了(A→F先+P)相变,并释放出相变潜热;反之加热升温时,在Ac1～Ac3之间(F先+P→A)相变时伴随有潜热的吸收,使钢锭升温速度减缓。钢锭在冷却和加热时,由于表层和心部温度变化的不同步性以及相变的不同步性,钢锭表层会产生热应力σH和组织应力σm,其大小可用下列公式估算:σH=α⋅E⋅Δθ1−μ(1)σm=E⋅Δε1−μ(2)σΗ=α⋅E⋅Δθ1-μ(1)σm=E⋅Δε1-μ(2)式中α——膨胀系数;E——弹性模量;Δθ——钢锭表层温度差;μ——泊松比;Δε——相变引起的应变差。计算时钢锭表层厚度取40mm,计算结果见图2。从图2(a)可见,钢锭脱模后在空气中急冷时,由于表层温差增大,热应力会产生一拉应力峰(其值为50～60MPa)。随后用保温车红送时,钢锭表层温差变小,使热应力也逐渐减小,当其进入均热炉中加热时,钢锭表层温差再度增大,出现另一个应力峰,但由于此时产生的应力是压应力不会引起钢锭开裂。从图2(b)可见,钢锭表层的组织应力有两个拉应力峰。将上述热应力和组织应力叠加可得到钢锭表层的综合内应力变化曲线(如图3所示)。从图3可见,钢锭在红送和再加热过程中存在3个拉应力峰:脱模空冷时出现第一个峰,此峰值以热应力为主;在130～180min之间,钢锭温度处于Ar3～Ar1范围时出现第二个峰,峰值大小可达100MPa,以组织应力为主;再加热时,在Ac1～Ac3范围内出现第三个拉应力峰,其最大峰值也可达到100MPa。在上述3个应力峰中,后两个峰对钢锭表层产生红送裂纹的威胁最大,但最终能否形成裂纹,还取决于钢锭表层的组织状态及高温强度和塑性。3试验结果分析取抚顺特殊钢有限责任公司生产的DIN16MnCr5和20CrMnTi低合金钢锭试样,按GB/T4338-1995标准加工成高温拉伸试样。试样的化学成分(质量分数)如表1所示,高温拉伸试验条件见图4和表2,测试结果见表3。从试验结果可知:在840℃奥氏体化状态下,DIN16MnCr5钢和20CrMnTi钢的抗拉强度都较低,且塑性也不高,如DIN16MnCr5钢的σb只有89.0MPa;随着温度降低,进入A+F先两相区时,两种钢的抗拉强度都升高,同时塑性也提高;当温度达到680℃时,即显微组织中的A全部转变为F先+P时,试样的抗拉强度最高,并且塑性最好,如DIN16MnCr5钢的σb=154MPa,Ψ=81%。从试验结果还可以看到,钢中加入微量钛后,强度和塑性都有所提高,尤其是塑性提高更为显著,如20CrMnTi钢680℃时的Ψ可达91.5%,这可有效防止产生红送裂纹,这一结果与现场的实际情况也是吻合的。4钢锭表层组织的变化红送裂纹在钢锭轧制前就存在,但一般轧制后更加明显,表现为钢坯表面沿轧向密集成群分布着许多细小的裂纹(约数十微米)。严重时红送钢锭从加热炉中取出锻轧时,一经压延就碎裂,根本无法继续锻轧,这表明钢锭表面产生的细小裂纹在加热时已被氧化。从钢锭表层内应力变化曲线(如图4)可见,钢锭表层在红送及再加热过程中经历了3个拉应力峰;第一个拉应力峰出现在钢锭脱模初期的空冷阶段,其值为50～60MPa,应力值相对较小,而且此时钢锭处于1000℃以上的奥氏体状态,塑性很好,应力很容易通过变形而松弛,不至于引起钢锭表层的开裂;第二个拉应力峰出现在Ar1附近,峰值约为100MPa,此时钢锭表层组织已转变为F先+P。根据高温拉伸试验结果(见表3),此时钢锭的高温强度大于150MPa,塑性也非常好,因此产生红送裂纹的可能性不大,现场观察也未发现钢锭表面出现裂纹;当钢锭被装入加热炉后,钢锭表层迅速升温,出现第三个拉应力峰(峰值约为100MPa),但此时钢锭表层温度已超过Ac1,组织中发生(F先+P)向A的相变,并产生体积收缩,引起较大的组织应力。表3试验测定结果也证明此时奥氏体的强度较低,塑性也相对较差,因此容易产生红送裂纹。对钢锭表层组织转变规律的研究结果表明:钢的组织形态也具有产生细小网状裂纹的条件。图5是DIN16MnCr5钢拉伸试样在表3第4组工艺条件下水淬得到的室温显微组织照片。图中粗大的黑色网状区是珠光体组织,珠光体中有少量的铁素体沿晶界分布,珠光体网包围的区域由许多细小的铁素体等轴晶粒组成,这种组织形态是该钢高温时包晶转变不完全造成的。由于钢锭表层冷却速度快,高温包晶转变进行得不完全,形成了中心粗大的δ铁素体,其碳含量较低,而包围它的是碳含量较高的奥氏体。在随后的冷却过程中,中心粗大的δ铁素体经过δ→A,A→F两次相变再结晶,转变为细小的铁素体等轴晶粒,而周围的奥氏体分解为呈网状分布的珠光体和少量铁素体。在钢锭再加热过程中,当温度超过Ac1后,表层的珠光体网首先转变为奥氏体网,而奥氏体的强度低、塑性也较差,此时相当于产生了“沿晶”弱化,所以在钢锭表层拉应力的作用下容易沿奥氏体网形成细小的网状裂纹,该网状裂纹在加热炉高温长时间加热时被氧化。由于裂纹的深浅与内应力的大小有关,这样钢锭在轧制时就会形成沿轧向分布的网状裂纹,严重时钢锭一经轧制即碎裂,类似“过烧”一样。根据钢锭红送裂纹的形成机制确认:改进再加热工艺可防止产生红送裂纹。如减缓均热炉中钢锭的再加热速度,可明显降低红送裂纹的产生几率。5高温拉伸试验(1)利用计算机模拟技术计算了在红送及再加热过程中,低合金钢钢锭表层温度场和应力场的变化规律。发现在钢锭冷却至Ar1或再加热至Ac1附近温度时出现拉应力峰