鈮微合金化HRB400E鋼連鑄坯中心裂紋的形成和控制

盧維楓 楊偉勇 王東興 陶群南 汪春梅 黃 雁

(蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽 蕪湖 241002)

由于螺紋鋼GB/T 1499.2—2018的實施，釩氮合金、釩鐵合金的需求量大增，但價格昂貴。因此需以其他元素代替部分釩元素以降低生產成本。鈮和釩的物理特性相近，且鈮鐵供應量充足，價格穩定，鈮還能產生沉淀硬化[1]，并在一定程度上細化奧氏體晶粒，改善鋼的韌性和抗疲勞性能，因此是替代釩的首選元素。

某廠嘗試采用鈮微合金化的HRB400E鋼生產螺紋鋼，但連鑄坯產生了貫穿性中心裂紋，甚至軋制過程中也偶有軋材開裂和成品螺紋鋼開裂等現象，嚴重影響了產品質量。為提高鑄坯質量、降低成本，對鑄坯產生中心裂紋的原因進行了深入的分析，并采取了相應的措施，結果避免了鑄坯中心裂紋的產生。HRB400E螺紋鋼的主要連鑄工藝參數如表1所示。

表1 HRB400E螺紋鋼的主要連鑄工藝參數

1 鑄坯裂紋的特征及成因

1.1 缺陷特征

1.1.1 宏觀特征

生產中對隨機鋸切的300 mm長鈮微合金化HRB400E鋼鑄坯橫截面進行酸洗和檢驗，發現鑄坯有嚴重的中心裂紋，甚至貫穿整個鑄坯，見圖1。在大壓下量粗軋過程中，鑄坯端部偶有開裂現象，如圖2(a)所示，若開裂軋材的頭、尾部未徹底切除，易導致螺紋鋼筋端部開裂，如圖2(b)所示。

圖1 鑄坯的中心裂紋(a)和貫穿中心的裂紋(b)的宏觀形貌

圖2 軋制時開裂的坯料(a)和開裂螺紋鋼(b)的宏觀形貌

1.1.2 微觀特征

鑄坯中心裂紋的微觀形貌如圖3所示。結合其低倍照片(見圖1)可知，該裂紋深7.86 mm，曲折，沿柱狀枝晶間分布和擴展，兩側無脫碳氧化現象。

圖3 連鑄坯中心裂紋的微觀形貌

1.2 裂紋形成的原因

連鑄坯凝固過程中，一方面柱狀枝晶的間隙因S、P元素的偏析而形成低熔點液相薄膜，使枝晶間隙更為薄弱；另一方面，在矯直過程中，鑄坯受到各種拉應力的作用，當拉應力超過枝晶間的抗拉強度或應變超過應變速率極限時，就會產生凝固裂紋。此外，沿奧氏體晶界析出的Nb(C、N)等沉淀相會導致鋼的塑性降低[2]。二冷區因冷卻不均勻產生的熱應力也會促進裂紋擴展[3]。如鋼水過熱度大，則柱狀晶更為發達甚至形成穿晶組織，加劇了貫穿性中心裂紋的產生。

2 防止連鑄坯開裂的措施和效果

基于上述鑄坯裂紋形成的原因，提出了預防鑄坯中心裂紋的具體措施。

2.1 優化成分

鋼中的C、N易與Nb結合形成Nb(C、N)化合物，并在晶界析出，易導致晶界塑性降低并引發裂紋。HRB400E鋼的C、N、P、S含量較高，為避免形成Nb(C、N)化合物而使鑄坯開裂，可適當降低Nb含量。有文獻[4- 5]報道，提高鋼的錳與硫的質量比有利于減少鑄坯中心裂紋。故在確保力學性能滿足螺紋鋼要求的前提下，通過減少鈮鐵合金用量和提高硅錳合金的加入量，能使產品鈮的質量分數控制在0.010%～0.016%，Mn的質量分數控制在1.37%～1.47%，如表2所示。

表2 鋼的成分優化前、后原材料的用量

鑄坯低倍檢驗表明：成分優化后，鑄坯的中心裂紋有一定程度的減少，如表3所示。

表3 成分優化前、后鑄坯的質量

2.2 二次冷卻工藝優化

有文獻[6- 8]報道，鑄坯經過噴水段時，其中心向表面傳遞熱量，如冷卻不均勻，將導致表面回溫，坯殼受熱膨脹，凝固前沿引起張力應變。當張力超過臨界值時，便產生中心裂紋。如果二冷配水不合理，鑄坯表面將明顯回溫，裂紋發生率也明顯升高。

本文采用中冶連鑄數值模擬系統模擬了鑄機的二次冷卻溫度場，該計算模型經過了大量的實踐驗證[9- 10]，根據鋼種給出了熱焓與溫度、轉換溫度與溫度的參數表，采用轉換溫度和轉換熱焓計算溫度場，考慮了物性隨溫度的變化，且方便快捷。初始條件為：假設結晶器彎月面鋼水溫度與澆鑄溫度相同，取中包溫度。采用第二類邊界條件描述鑄坯在結晶器內的傳熱條件，即-λ▽T·n=q，式中：n為鑄坯表面的外法線方向；q是熱流密度，W/m2。二冷段的傳熱采用第三類邊界條件來描述：-λ▽T·n=h(T-T∞)，式中：n為鑄坯表面的外法線方向；T∞為環境溫度；h為鑄坯表面與周圍環境的傳熱系數，kW/(m2·℃)。傳熱系數為hs=a+bwn，式中：a和b為常數，w為水流密度，L/(m2·s)，指數n取0.4～0.8。

計算結果表明：現有工藝的二冷水分配比引起的二次冷卻區鑄坯表面回溫較明顯(最大回溫差198 ℃)，主要體現在二冷1區冷卻較強烈，鑄坯表面溫度較低，后期回溫較大。故對二冷水量分配比進行模擬優化，如表4所示。并對優化后的配水比進行二次冷卻溫度場模擬，結果發現，優化后鑄坯表面回溫明顯降低(最大回溫差105 ℃)。二冷配水優化前的二冷水量分配比為26∶48∶17∶9，優化后為36∶34∶19∶11。二冷配水優化前、后鑄坯的溫度場如圖4所示。

圖4 鑄坯表面溫度的數值模擬結果

2.3 拉速控制

過熱度和拉速的提高會延長鑄坯液芯，推遲等軸晶的形核和長大，導致等軸晶區縮小，易形成中心裂紋[11]。故采用優化后的二冷比水量及配水比參數，對不同拉速的鑄坯表面溫度和坯殼厚度進行模擬，結果如圖5所示。

圖5表明：連鑄的拉速不同，進拉矯機位置12.3 m的坯殼厚度分別為65.1、53.9和48.5 mm，說明以3種拉速連鑄的鑄坯均存在帶液心矯直，矯直點的鑄坯表面溫度均高于1 000 ℃，避開了低脆性區。但2.2 m/min拉速較2.5 m/min拉速進第一組拉矯位置的單面坯殼增厚了5.4 mm，說明低拉速連鑄的坯殼厚度增加，能進一步減小心部受力，減少中心裂紋的產生。

圖5 拉速對模擬的連鑄坯表面溫度(a)和坯殼厚度(b)的影響

根據上述模擬結果，在同爐次不同流上，改變單一拉速試生產了含鈮HRB400E鋼，連鑄工藝參數及裂紋級別如表4所示。低倍檢驗結果表明：通過二次冷卻的優化，不同拉速連鑄的鑄坯中心裂紋均明顯減少，且隨著拉速的降低，鑄坯中心裂紋進一步減少，如圖6所示。根據生產結果，可認為宜將拉速控制在1.8～2.2 m/min。

圖6 不同拉速生產的連鑄坯的低倍形貌

表4 試生產的連鑄工藝參數

2.4 中間包過熱度控制

控制中間包過熱度能在一定程度上避免貫穿中心裂紋的產生[12]。生產實踐也表明，過熱度高，中心裂紋及縮孔較嚴重。適當過熱能明顯減少鑄坯中心裂紋和縮孔，如圖7所示。因此鈮微合金化HRB400E鋼的中間包過熱度應控制在20～30 ℃，以有效避免貫穿鑄坯中心裂紋的產生。

圖7 中間包過熱度為43(a)和28 ℃(b)時連鑄坯的低倍形貌

2.5 連鑄工藝優化效果

采用優化的連鑄工藝參數小批量試生產了鈮微合金化HRB400E鋼鑄坯，并對鑄坯進行了低倍檢驗，發現鑄坯中心裂紋不超過0.5級，如圖8所示；軋制過程中坯料無開叉，鋼筋無翹皮、裂紋等缺陷，如圖9所示。優化的連鑄工藝參數如表5所示。

表5 優化的連鑄工藝參數

圖9 采用優化連鑄工藝生產的鑄坯熱軋坯料(a)和螺紋鋼(b)的宏觀形貌

圖8 采用優化連鑄工藝生產的鑄坯的低倍形貌

3 結論

(1)鈮微合金化HRB400E鋼連鑄坯產生中心裂紋的主要原因是二次冷卻傳熱控制不當和鑄坯凝固前沿受矯直力作用。

(2)通過優化Mn、Nb含量、中間包過熱度及拉速，連鑄坯中心裂紋明顯減少。

(3)采用優化的連鑄工藝批量生產的鈮微合金化HRB400E鋼鑄坯，貫穿鑄坯中心的裂紋得到了有效控制，軋制過程中坯料端部無開叉，螺紋鋼無開裂等缺陷。