亞共析鋼S48C連鑄坯軋后表面缺陷原因分析

范英同,郭亮亮,徐國棟

(寶山鋼鐵股份有限公司1.煉鋼廠,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

1 概述

亞共析鋼S48C作為機械結構用鋼,熱處理后具有較高的強度,較好的塑性、韌性、抗疲勞等優越性能[1-5]。寶鋼股份生產的S48C連鑄坯軋后,發現熱軋中心縱裂紋和冷軋邊部翹皮缺陷,如圖1所示。本文首先利用金相和掃描電鏡等試驗手段,分析熱軋板中心縱裂紋和冷軋卷邊部翹皮形貌和成因;然后,采用高溫拉伸試驗測得S48C的熱塑性曲線,考察鋼種的凝固特性?；谏鲜鼍C合研究得出熱軋板中心縱裂紋和冷軋卷邊部翹皮成因,并提出具體對策,從而保證產品生產的順行。

2 試驗分析方法

本研究涉及的S48C化學成分如表1所示,熱軋板生產流程為BOF→RH→CC→HR→CR。對有熱軋板中心縱裂紋和冷軋卷邊部翹皮部位取樣和制樣,采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察分析缺陷?；跓崃W相圖軟件計算S48C的平衡相圖。使用Gleeble 3800熱/力模擬試驗機完成高溫拉伸試驗,試樣首先加熱至1 350 ℃,保溫一段時間后,按照一定冷卻速率冷卻到拉伸試驗溫度600～1 350 ℃,應變速率為3×10-4s-1;為了研究裂紋敏感性,實測了S48C的零塑性溫度(ZDT)。

圖1 S48C軋后表面缺陷

表1 S48C的典型化學成分

3 試驗結果和討論

3.1 熱軋板中心縱裂分析

S48C熱軋板中心縱裂金相和掃描電鏡結果如圖2所示,縱向裂紋伴有凹陷,深度約0.7 mm,有明顯的脫碳層。通過掃描電鏡分析,發現主要是基體氧化物,未見明顯的夾雜物和保護渣成分。根據上述分析,可判斷熱軋板中心縱裂是由連鑄坯縱裂引發的[3-5],這在后續生產的S48C連鑄坯表面檢查已得到驗證。

圖2 熱軋板中心縱向裂紋試驗結果

3.2 冷軋卷邊部翹皮分析

S48C冷軋卷邊部翹皮截面的金相和掃描電鏡結果如圖3所示,翹皮缺陷的深度約為20 μm,翹皮缺陷附近無異常夾雜物,有少量的二次氧化顆粒,未見明顯的晶粒長大及脫碳現象,判斷可能與鑄坯的皮下氣孔有關[6-8]。

圖3 冷軋卷邊部翹皮試驗結果

3.3 平衡相圖熱力學計算

圖4為亞共析鋼S48C熱力學平衡相圖計算結果,液相線溫度為1 489 ℃,固相線溫度為1 407 ℃,固液兩相溫度區間寬(82 K左右);奧氏體γ→鐵素體α轉變溫度區間是770～717 ℃,滲碳體析出峰值溫度約為720 ℃。

圖4 S48C平衡相圖計算結果

3.4 高溫塑性拉伸試驗

圖5是亞共析鋼S48C鑄坯的高溫拉伸試驗結果。在本試驗溫度范圍內(600～1 375 ℃),試樣的抗拉強度是隨溫度的升高而減小,該鋼種的零塑性溫度ZDT約在1 375 ℃左右。凝固初期結晶器內坯殼厚度較薄,隨著凝固進行,C、S、P等元素發生偏析,發生選分結晶在枝晶間富集;加之結晶器流場作用,導致凝固坯殼厚度不均勻,易形成縱向凹陷。如果初生坯殼受到熱應力、結晶器摩擦力、足輥區鼓肚力等綜合作用,會沿柱狀晶晶界開裂[9-10];同時,現場試驗表明,不對中引起的附加機械力也會加劇縱向裂紋的產生。隨著溫度降低至800 ℃以下,亞共析轉變發生,滲碳體的析出進一步弱化了鋼種塑性,增加了裂紋的發生傾向性。

圖5 S48C高溫抗拉強度和斷面收縮率

3.5 皮下氣泡形成原因分析

連鑄塞棒吹氬起到防止鋼水的二次氧化以及水口結瘤,促進結晶器流場形成雙環流,使保護渣變得疏松、潤滑,促進夾雜物上浮、塞棒冷卻等作用[11]。如圖6(a)所示,當塞棒吹氬流量波動較大,一方面,在高拉速或SEN插入深度不合理的條件下,小氣泡容易浸入結晶器下回流區域,易被初生凝固坯殼捕獲,則會導致在鑄坯表面產生氣孔[12];另一方面,過大的氬氣流量會造成結晶器內鋼液面波動過大,出現卷渣或使鋼液暴露于空氣中發生二次氧化等現象。因此,最佳氬氣流量既要保證有良好的防堵效果,又要保證不對鋼質造成不良影響,如圖6(b)所示。

3.6 結晶器電磁攪拌影響

已有研究表明,板坯凝固過程中形成發達柱狀晶凝固組織經熱軋后不能被完全破壞而殘留到最終產品。由于在電磁場作用下,在鑄坯內部從中心開始液態金屬收到的電磁力逐漸增加,在凝固界面前沿電磁力達到最大值,從而影響了液態金屬凝固過程的傳熱、傳質以及最終的凝固組織;結晶器電磁攪拌對結晶器的鋼液和凝固坯殼均勻性有改善[13-14]。本文在同樣的連鑄工藝條件下,對比了同一鑄機兩個流分別不用和采用電磁攪拌后鑄坯的金相組織。如圖7所示,M-EMS的作用效果明顯:采用電磁攪拌鑄坯試樣未見裂紋和皮下氣泡,而未采用電磁攪拌試樣發現了裂紋和氣泡。

圖6 S48C連鑄塞棒吹氬流量隨時間變化曲線

圖7 結晶器電磁攪拌影響

3.7 設備精度研究

統計發現,S48C鑄坯縱裂發生率與結晶器錐度偏差密切相關,如圖8所示?？梢?結晶器錐度與目標錐度偏離越大,縱裂的發生比例越高。這是由于結晶器不垂直時,當澆注過程中結晶器振動不在垂直方向上時,會增加坯殼的應力,增加產生裂紋幾率[15]。同時,在現場發現如果鑄機輥道對中不良、輥子變形,鑄坯在運行過程中就會受到外力作用產生裂紋[16]。

圖8 鑄坯縱裂發生率與結晶器錐度偏差關系

4 改進措施與效果

4.1 改進措施

(1) 根據亞共析鋼S48C連鑄實績情況,發現原結晶器窄面錐度偏小,將結晶器錐度由原設計1.05%提高到1.10%,并保證結晶器錐度偏差小于0.5 mm;定期檢查鑄機輥道對中情況。

(2) 結晶器采用緩冷,降低結晶器冷卻水強度。

(3) 結晶器采用電磁攪拌,提高結晶器的鋼液和凝固坯殼均勻性。

(4) 塞棒氬氣流量穩定控制在10 L/min,減少異常波動。

4.2 改進效果

采取上述措施后,亞共析鋼S48C軋后缺陷封鎖率大幅降低,熱軋板中心縱裂紋從6.20%下降至0.32%,冷軋卷邊部翹皮缺陷從2.7%下降至0.1%。

5 結論

亞共析鋼S48C連鑄坯軋后,在熱軋板表面發現中心縱裂紋、冷軋卷邊部發現翹皮缺陷。對上述兩類缺陷采用系統的試驗分析,找到了缺陷成因,結論如下:

(1) S48C熱軋板中心縱裂伴有凹陷,深度約為0.7 mm,有明顯的脫碳層,是由連鑄坯縱裂引發,這在后續生產的S48C連鑄坯表面檢查已得到驗證。

(2) S48C零塑性溫度ZDT約在1 375 ℃左右,凝固初期結晶器內坯殼厚度較薄,導致凝固坯殼厚度不均勻,易形成縱向凹陷。隨著溫度降低至800 ℃以下,亞共析轉變發生,滲碳體的析出進一步弱化了鋼種塑性,增加了裂紋的發生傾向。

(3) S48C冷軋卷邊部翹皮深度約為20 μm,翹皮缺陷附近未見明顯的晶粒長大及脫碳現象,與鑄坯的皮下氣孔有關。當塞棒吹氬參數不合理時,進入結晶器的氬氣泡易被初生凝固坯殼捕獲,則會導致在鑄坯表面產生氣孔。

(4) 采用結晶器電磁攪拌技術、穩定塞棒氬氣流量和提高結晶器設備精度等措施,可有效提高S48C軋后表面質量。