連鑄坯偏析對鋼板機械性能的影響分析

陳玉輝， 宋延成

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400)

引 言

為了實現優質板材的生產，江陰興澄特種鋼鐵有限公司采用鐵水預處理、大斷面連鑄坯、電磁攪拌和連鑄輕壓下偏析控制、大壓縮比軋制等先進技術，以保證鋼板的機械性能。鋼板具有純凈度高、致密度高等特點，結合國內先進的連續調質產線，生產的調質鋼板組織、性能穩定，廣泛應用于高層建筑、油氣管線、耐磨裝備等的制造領域。但在連鑄板坯的生產過程中，由于坯料斷面尺寸大，連鑄坯上難免存在宏觀偏析[1-2]，尤其是電磁攪拌技術的使用會在某些鋼種坯料上形成框型偏析[3]，這些偏析對于鋼板的直接影響是導致各部位的性能均勻性變差，影響鋼板的使用。本文就連鑄板坯的低倍宏觀偏析對鋼板的組織和機械性能影響進行研究，對連鑄坯低倍偏析的危害性進行分析。

1 試驗過程

1.1 試驗原料

試驗采用斷面為370 mm×2600 mm的16Mn鋼連鑄(直弧型連鑄機)板坯，其化學成分如表1所示；以及由此坯料軋制而成的75 mm×3020 mm的鋼板，鋼板具體生產工藝路線為：KR→BOF→LF→連鑄板坯→控軋、控冷→連續調質處理。

表1 試驗鋼種主要成分/%

1.2 試驗方法

在連鑄板坯和調質后的鋼板上取橫截面試樣，分別采用酸浸低倍評級(YB/T 4003-2016標準)、LECO CS400型紅外碳硫分析儀和OPA-100金屬原位分析儀，檢測連鑄坯的宏觀偏析情況，并在鋼板的對應位置取樣檢驗硬度分布、抗拉強度和低溫沖擊性能。

2 試驗結果

2.1 連鑄坯偏析

如圖1所示為16Mn連鑄坯包含三角區的四分之一寬度的橫截面低倍試片，圖中用虛線標明了連鑄坯上微弱的框型偏析(白亮帶)輪廓，該位置是連鑄坯凝固時出二冷區時枝晶前沿。由于連鑄坯窄面及角部的坯殼厚度明顯大于寬面，窄面和角部白亮線呈弧形。

圖1 連鑄板坯低倍形貌

在連鑄坯橫截面低倍試片上，從內弧面沿厚度方向向外弧面每間隔25 mm進行鉆點取樣，并應用紅外碳硫分析儀進行碳含量分析[4]，鉆點包含心部點和白亮帶上的點(如圖1所示)，合計取點15個，分別標記1～15，檢驗結果如圖2所示。偏析指數計算公式如下

偏析指數=Ci/C0

式中Ci為測試點碳含量(%)，C0為熔煉碳含量(%)。

圖2 連鑄坯厚度方向碳偏析

在連鑄坯上如圖1中A點所示的位置取包含橫截面中心和外弧白亮帶的80 mm×40 mm試樣，應用OPA-100金屬原位分析儀進行偏析分析[5-6]，A區域碳、錳偏析特征如圖3所示。在連鑄坯上正常凝固點B處和白亮帶特征區上點C處取樣，進行鑄態組織觀察，結果如圖4所示。

2.2 鋼板性能

鋼板的橫截面局部形貌如圖5所示，應用直讀光譜(OES)在靠近內弧1/4條帶(D，F，H對應的條帶)和外弧靠近厚度中心白亮帶特征區域對應的條帶(E、G、I對應的條帶)上分別測試6點，計算碳的平均偏析指數，如表2所示。

圖3 連鑄坯A區域碳、錳偏析分布

圖4 連鑄坯內部顯微組織

表2 鋼板試樣的力學性能

圖5 鋼板低倍形貌

在鋼板厚度方向靠近內弧1/4位置如D位置和外弧靠近厚度中心白亮帶特征區域對應的位置如E位置所示沿軋制方向各取3塊沖擊試樣，按照GB/T 229-2007標準制樣進行-20 ℃沖擊功檢測；在F位置和G位置按照GB/T 24186-2009標準制樣進行常溫拉伸強度檢測；在H位置和I位置按照GB/T 231.1-2009標準制樣進行HB硬度檢測和金相分析。力學分析結果如表2所示，鋼板組織形貌如圖6所示。

圖6 鋼板組織形貌

3 結果分析

由圖1，2，3偏析分析結果可知，連鑄板坯中心呈正偏析狀態，中心到兩側白亮帶區域呈負偏析狀態，靠近白亮帶向兩側表面各有一個正偏析區，總體來說，外弧的w(C)低于內弧對應的區域。橫截面厚度方向最大的正偏析區域在靠近內弧白亮帶向內弧一側，偏析指數達到1.08，最大的負偏析區域在靠近中心點向外弧一側，偏析指數達到0.90。原位分析結果也證實了連鑄坯上的這種偏析趨勢，連鑄坯的中心區域最后凝固，由于前期凝固的選分結晶導致碳、錳在中心區域富集并最終碳、錳偏析度分別達到0.1329和0.0320，可以預測，在相同的軋制、熱處理工藝下，鋼板上不同區域力學性能有明顯差異。

連鑄坯上的組織形貌可見，在外弧白亮帶上C處試樣的珠光體比例明顯低于正常凝固區域B處試樣的珠光體數量，同樣C處柱狀晶晶間鐵素體更為粗大，不利于該區域的強度提升和整個鋼板的性能均勻性。

連鑄坯的偏析最終會帶入到鋼板上，偏析趨勢與連鑄坯相同(H,I處試樣偏析指數及F, G處的組織形貌)，經過加熱、軋制和調質處理后，鋼板上的偏析程度較連鑄坯有所改善。鋼板負偏析區域材料(試樣E、I處)在耐低溫沖擊和塑性方面優于內弧厚度1/4區域材料(試樣D、H處)性能，但在硬度、強度方面不及1/4區域。

4 結束語

(1)連鑄坯由于冷卻和選分結晶的特征，總體而言外弧的碳含量低于內弧對應的區域。最大的偏析區域存在于白亮帶區域附近，雖然加熱、軋制和熱處理可以改善鋼板上的偏析，但其仍然會帶入到鋼板上。

(2)偏析對鋼板力學性能的均勻性會產生一定影響，鋼板外弧負偏析區域材料在耐低溫沖擊和塑性方面優于內弧厚度1/4區域材料，但在硬度、強度方面不及1/4區域材料。

(3)改善連鑄坯偏析程度，有利于提高鋼板機械性能的均勻性。