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连铸坯裂纹与钢的高温力学性能研究

2016-01-29 09:32 来源:中联钢
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目前,我国主要钢铁企业可以生产各类高级钢铸坯,这些钢种的洁净度较高或含有各种微合金元素,但此类铸坯主要质量问题是表面横裂、角横裂、表面纵裂、内部裂纹和中心偏析等。因此,为了降低裂纹的发生率,制定合理的连铸工艺,有必要对钢的高温力学性能进行研究。

  1钢的高温力学性能与连铸坯裂纹
  1.1钢的高温力学性能
  钢的高温力学性能(含微观组织)反应了钢在高温状态下抵抗各种应力的能力,与铸坯裂纹密切相关。目前最流行的研究钢的高温力学性能的方法是采用热拉伸试验,热拉伸试验主要采用Gleeble热应力/应变模拟实验机进行,为了尽可能接近连铸实际生产条件,试验方法也在不断改进。一般以断面收缩率和强度极限作为钢的高温力学性能的指标,不同钢种、不同试验方法得出的数据可能是不同的。
  1.2连铸坯常见裂纹的形成机理及控制实践
  1.2.1连铸坯内裂纹和表面纵裂纹
  最初在结晶器中形成的2-5mm厚的凝固壳为细小的等轴晶,之后凝固组织变为柱状晶。柱状晶的方向基本上与坯壳表面垂直,且平行于热流方向。随着凝固的进行,当钢中B、O、S、P等易偏析元素或杂质含量增多时,凝固树枝晶之间液膜使钢的凝固点降低,使脆性区间向低温延伸。随温度继续下降,开始出现零强度温度ZST(=TS+(20-30)℃)和零塑性温度ZDT(=TS-(20-30)℃)。零强度温度(ZST)与零塑性温度(ZDT)是衡量钢的高温力学性能的重要参数,它们表征了坯壳凝固前沿附近抵抗裂纹的能力。ZST和ZDT越低,则凝固前沿裂纹敏感性越高。此凝固脆性温度区间是内裂纹的敏感区域,而纵裂纹起源于皮下的内裂纹。
  当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时,凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹,并向固相扩展,同时凝固前沿富含溶质元素的钢水有可能被“抽吸”进入裂纹。这就是内裂纹有时伴随着偏析一起出现的原因。在随后的凝固过程中,如果凝固前沿继续受到应力或应变的作用,则已形成的内裂纹将随着凝固界面的推进而连续“生长”。
  因此,设备上维护好连铸机的设备功能精度,保持连铸机的良好状态,保证连铸机热态下较好的开口度和对弧精度是控制内裂纹的基础;工艺上降低钢中O、S、P等易偏析元素或杂质含量,采用合适的冷却工艺及钢水过热度控制柱状晶的生长和降低枝晶间的脆性制是控制内裂纹的保证;依据连铸坯凝固收缩原理和凝固末端轻压下原理而开发的动态轻压下技术,或静态辊缝收缩控制技术是控制连铸坯内部裂纹最经济、最有效的措施。
  而表面纵裂纹形成于结晶器内,坯壳在结晶器内处于第Ⅰ脆性区,由于结晶器内的非均匀气隙和钢水δ→γ相变造成坯壳的不均匀凝固,坯壳的薄弱处在应力作用下,由于树枝晶间存在富集液相导致的枝晶间脆性,内裂纹开始形成。当坯壳的高温强度承受不了热应力、组织应力、摩擦力及钢水静压力等应力的作用时,在坯壳薄弱处皮下微裂纹扩展到表面,产生细小纵裂纹。坯壳出结晶器后,二冷段上部过强的冷却或对弧不良等各种应力、应变都会促进纵裂纹的进一步扩展和延伸。
  因此,工艺上控制结晶器的均匀传热,减小气隙,保证初生坯壳的均匀生长是控制表面纵裂纹的关键。为此,必须控制好结晶器合适的倒锥度、结晶器冷却及结晶器保护渣的传热性能;成分控制上尽量避开具有δ→γ相变的包晶点成分,细化初生铸态奥氏体晶粒;降低钢中O、S、P等易偏析元素或杂质含量,降低裂纹敏感性。此外控制合适的二次冷却工艺和连铸机对弧精度,可以减少裂纹的进一步扩展。
  1.2.2表面横裂纹及角横裂纹
  连铸坯的表面和角部横裂起始大都形成于铸坯通过结晶器期间,是结晶器温度在1300℃左右时(约在弯月面以下200-300mm处)形成的超大原始奥氏体晶粒(直径>1mm)造成的。一般发生在铸坯表面振痕波谷处。此时生成的这些微细裂纹很浅,铸坯在轧钢加热后一般可以随氧化铁皮去除掉,但是,当连铸坯在矫直时其温度处于脆性温度域,在γ→α相变温度区域伴随低应变速度变形而引起的高温脆化,随着γ→α相变的进行,在γ晶界上析出薄膜状α相,加之应变集中于此α相,在低速应变时,因动态析出NbC和A1N,而使晶粒内硬化,更助长了应变的集中。在沿γ晶界的无析出带和膜状α相之间引起界面剥离,由此产生的孔隙相互联接,从而造成了晶界的延性断裂。振痕波谷处存在的微细裂纹便会进一步扩展开裂,最终构成铸坯的表面缺陷。
  可以认为连铸坯表面横裂纹产生的内在原因是钢种在高温脆性区的脆性特点对裂纹的敏感性;外因是连铸坯弯曲、矫直过程中受到的拉应力。如生产实践中,表面横裂纹在S连铸机(全弧形)上只发生在与矫直拉应力相关的内弧上表面;在VB连铸机(立弯式)既可能发生在与矫直拉应力相关的内弧上表面,也可能发生在与弯曲拉应力相关的外弧下表面。因此,从减少表面横裂的角度来看,全弧形比立弯式连铸机具有优势。
  为解决连铸坯表面横裂及角部横裂,工艺上一是通过成分及工艺优化设计,使高温脆性区脆性减弱,二是采用弱冷工艺从高温侧避开脆性区或采用强冷从低温侧避开脆性区。国内大多数钢厂采用弱冷工艺从高温侧避开脆性区,但不同钢种高温脆性区特性不同,很难完全避开;且立弯式连铸机存在弯曲和矫直两处应力作用,弯曲和矫直两处兼顾更是困难。其次铸坯角部温度比中部温度更低,铸坯角部温度很难避开,角横裂难以控制。
  有时弱冷高温避开不总是有效,因此,日本住友公司开发了SSC控冷工艺。通过控制其铸坯表层微观组织结构,从而防止横裂的产生。国内有不少厂家在这方面有所尝试,取得较好的效果。
  还有一种工艺是对铸坯采用大压下量铸轧(或轻压下技术),利用压下时局部较大的变形量(应变速率)或由此引发的动态再结晶过程,促进晶界迁移,改变表层微观组织,增强对裂纹的抵抗力。
 (来源:炼钢)
 

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