1前言
連鑄是制造半成品鋼的主要方法，所得到的鑄坯產(chǎn)品作為軋機(jī)的原材料。鋼的連鑄需要嚴(yán)格控制的操作程序、精確的技術(shù)參數(shù)以及先進(jìn)的生產(chǎn)和監(jiān)控技術(shù)。盡管采取預(yù)防措施可以減少連鑄產(chǎn)品表面和內(nèi)部缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，但不能完全消除這些缺陷。由于在一次和二次冷卻區(qū)快速降溫，鑄坯會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而在彎曲/矯直區(qū)則會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的影響。當(dāng)應(yīng)力在某一溫度下超過臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生材料失效。鑄造產(chǎn)品的延展性是隨溫度變化的合金設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。在凝固的初始階段，溫度高達(dá)1350℃，由于枝晶間區(qū)域存在液相，未完全固化，表現(xiàn)出低強(qiáng)度和低延展性，直到溫度降至凝固溫度以下。在900-1200℃溫度范圍內(nèi)，鋼的第二低延展性區(qū)域出現(xiàn)。在冷卻到低于1200℃時(shí)，延展性損失與Mn/S比密切相關(guān)。增加Mn/S比可以提高鋼的延展性，因?yàn)樗梢圆蹲搅虿⒁种艶eS的形成。第三個(gè)低溫低延展性區(qū)發(fā)生在600-900℃之間。這種低延展性是由于合金元素的氮化物和碳氮化物沿晶界析出所致。沿晶界形成的先共析鐵素體也會(huì)導(dǎo)致延展性損失。研究表明，第三個(gè)低延展性區(qū)僅影響表面裂紋的形成，而不會(huì)影響內(nèi)部裂紋的形成。缺陷的存在還受到連鑄機(jī)設(shè)備狀況、鑄件產(chǎn)品形狀和尺寸、所生產(chǎn)的鋼種、特定鑄造條件（如溫度和速度）、結(jié)晶器的振蕩、冷卻機(jī)制以及鑄造原料的質(zhì)量和特性等因素影響。表面缺陷可以通過目視檢查發(fā)現(xiàn)，并可以通過表面處理消除，但內(nèi)部裂紋的情況要難以評(píng)估得多。在某些情況下，發(fā)現(xiàn)板坯在熱軋前的加熱爐中進(jìn)行再加熱時(shí)失效。為探明這種板坯失效的成因，進(jìn)行了全面研究。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)，板坯在進(jìn)行軋制前，在加熱爐的加熱期間出現(xiàn)沿寬度方向開裂。進(jìn)行詳細(xì)的失效分析，旨在找出失效的根本原因并提出預(yù)防措施，以避免未來發(fā)生類似事件。在煉鋼廠中，每塊板坯在澆鑄后都經(jīng)過徹底檢查，以發(fā)現(xiàn)任何表面缺陷，然后再送往軋鋼廠。同樣，失效的板坯也進(jìn)行了表面缺陷檢查，但表面沒有發(fā)現(xiàn)問題。因此，很可能是內(nèi)部缺陷導(dǎo)致了板坯的失效。需對(duì)板坯缺陷的成因進(jìn)行調(diào)查，包括鑄造結(jié)構(gòu)和內(nèi)部完整性、測(cè)量總氣體含量和鋼的化學(xué)分析、金相分析、微觀偏析和晶粒結(jié)構(gòu)。在GLEEBLE設(shè)備上進(jìn)行的熱機(jī)械模擬，是研究鋼材高溫性能的極好工具。同時(shí)，還研究了運(yùn)行數(shù)據(jù)，以評(píng)估可能導(dǎo)致板坯失效的關(guān)鍵參數(shù)。早期研究人員報(bào)告了板坯內(nèi)部裂紋形成的原因，如下：1）密集的噴淋冷卻，導(dǎo)致連鑄板坯表面產(chǎn)生高溫梯度，隨后表面重新加熱。2）在鋼的低延展性區(qū)域和低強(qiáng)度區(qū)域進(jìn)行的彎曲和矯直操作。3）鋼液高過熱度，導(dǎo)致柱狀結(jié)構(gòu)區(qū)擴(kuò)大。4）由于鈮、釩等元素的存在，微合金鋼更容易產(chǎn)生裂紋。在板坯矯直過程中這些元素會(huì)降低鋼在臨界溫度下的延展性，導(dǎo)致裂紋更易形成。一些研究人員發(fā)現(xiàn)，僅含釩微合金化的鋼相比于V-Nb-Ti或Nb-Ti鋼具有顯著更低的延展性。從兩塊破碎的板坯中取樣進(jìn)行冶金學(xué)研究。樣品的取樣位置如圖1和圖2所示，并標(biāo)有樣品的編號(hào)順序。在第一塊板坯中，沿板坯寬度方向切取了九個(gè)樣品。其中，樣品1#和9#來自邊緣，樣品5#來自板坯的中心。每個(gè)樣品的尺寸大約為寬250mm、高220mm、厚40mm，沿縱向連鑄方向取樣。這些樣品是在去除斷裂表面后進(jìn)行的取樣。圖2展示了第二塊板坯樣品編號(hào)的示意圖。取了六個(gè)樣品，編號(hào)為10#-15#。樣品10#、14#和15#的一面為斷裂面，而樣品11#、12#、13#則是前一片后面的切片。需要特別注意板坯樣品的編號(hào)，因?yàn)楸狙芯繉⑹褂貌煌姆椒▽?duì)樣品進(jìn)行多種圖示表示。使用LECO氣體分析儀對(duì)采用樣品9#制備的針狀樣品進(jìn)行了總氧和氮分析?？傃鹾考s為40-50ppm，氮含量約為40ppm，均在可接受范圍內(nèi)。表1顯示了三個(gè)針狀樣品總氧和氮的檢測(cè)結(jié)果平均值。通過化學(xué)分析以檢查成分并確認(rèn)其在該鋼級(jí)鑄造中通常遵循的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。表2顯示了板坯的化學(xué)成分。破碎板坯的化學(xué)分析顯示，僅進(jìn)行了釩微合金化。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，這種牌號(hào)的鋼級(jí)延展性較差，容易出現(xiàn)裂紋。為了詳細(xì)揭示宏觀結(jié)構(gòu)和裂紋，以及獲取連鑄過程中裂紋可能的起始位置的信息，對(duì)板坯樣品進(jìn)行了酸蝕刻。為此，對(duì)板坯樣品進(jìn)行機(jī)械加工和拋光，以在寬面和窄面（厚度）上創(chuàng)建光滑的表面。兩個(gè)寬面都進(jìn)行了機(jī)械加工和拋光，以檢查裂紋是否沿連鑄方向擴(kuò)展。制備好樣品后，測(cè)試表面用36vol.% HCl和水以1:1的體積比進(jìn)行酸蝕刻。圖3顯示了樣品1#-5#的宏觀蝕刻面，這些樣品是板坯橫截面的一半。從圖中可以清楚地看到裂紋在中心線兩側(cè)的分布、大小和位置。裂紋在底部區(qū)域的分布比在上部區(qū)域更多。圖中顯示，裂紋在板坯的下部沿寬度方向延伸。裂紋的位置在中心線和表面之間的中間，位于鑄造結(jié)構(gòu)的柱狀區(qū)內(nèi)。裂紋主要垂直于鑄造方向，呈現(xiàn)枝晶間裂紋。宏觀結(jié)構(gòu)中顯示了冷卻區(qū)、柱狀區(qū)和等軸區(qū)。在某些區(qū)域，較大的柱狀生長(zhǎng)一直延伸到中心。圖4是樣品2#的放大圖，圖中顯示了兩個(gè)寬面以及窄面。裂紋呈波浪狀圖案，水平和垂直延伸到中心線。當(dāng)從窄面?zhèn)扔^看時(shí)，它們顯示為細(xì)長(zhǎng)的豎線。此外，在某些樣品中，裂紋在相對(duì)面上也可見，表明這些裂紋有時(shí)會(huì)穿透樣品的厚度（即至少40mm深）。為了進(jìn)一步了解裂紋的性質(zhì)，從樣品9#和樣品12#中切取了用于光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析的試樣。圖5和圖6顯示了300倍放大下的裂紋視圖。圖7（a）顯示了鑄態(tài)結(jié)構(gòu)的凝固組織，由典型枝晶鐵素體包圍的珠光體組成。鐵素體晶體在晶界和晶粒中到處成核。圖7（b）顯示了裂紋在枝晶間區(qū)域的擴(kuò)展。在高倍率（1000倍）光學(xué)顯微照片中（如圖8所示）可以看到，枝晶臂中的鐵素體被珠光體團(tuán)簇包圍。從鑄造板坯中取樣，并加工成直徑10mm、長(zhǎng)度120mm的圓柱形狀，縱軸與鑄造方向平行。在GLEEBLE1500模擬器中進(jìn)行了熱力學(xué)模擬測(cè)試。為了在測(cè)試期間監(jiān)控表面溫度，將熱電偶點(diǎn)焊到每個(gè)樣品的中間位置。采用電阻加熱對(duì)試樣進(jìn)行均勻加熱。將測(cè)試樣品以10℃/s的加熱速率加熱至1300℃，保溫300s，再進(jìn)行浸泡和固溶處理，然后以1℃/s的冷卻速率冷卻至測(cè)試溫度（如700℃、800℃、900℃和1000℃），工藝流程示于圖9。在試驗(yàn)溫度下，保溫60s使樣品的溫度穩(wěn)定，然后以5×10-3/s的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，直到樣品失效。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)溫度降至1000℃以下時(shí)，樣品的延展性急劇下降。宏觀蝕刻樣品顯示，板坯中存在內(nèi)部橫向裂紋和中間裂紋。這些裂紋在連鑄過程中由于強(qiáng)烈冷卻和再加熱，在二次冷卻過程中發(fā)生。在一些樣品上測(cè)量了裂紋的起始和擴(kuò)展情況，如圖10所示。在上部區(qū)域，裂紋位于距頂面50-70mm的帶狀區(qū)域。相比之下，在下部區(qū)域，裂紋形成開始得更早，大多數(shù)裂紋位于距底面30-50mm的帶狀區(qū)域，少數(shù)裂紋有時(shí)會(huì)延伸到70mm。考慮到連鑄速度為1m/min，厚度為220mm，K因子為22.4，計(jì)算凝固坯殼厚度，裂紋接近于在結(jié)晶器的鑄造段1和2之間形成。上下部區(qū)域中存在的扭曲狀、波浪狀類型的內(nèi)部裂紋，可能是由于多前沿裂紋擴(kuò)展。這表明在連鑄過程中板坯可能產(chǎn)生了應(yīng)力，并在板坯加工過程中進(jìn)一步加劇了裂紋的擴(kuò)展。在所有板坯樣品中，表面均未見裂紋。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）下的金相檢查，顯示出典型的凝固鑄造組織。顯微組織中未發(fā)現(xiàn)不均勻性。裂紋并非連續(xù)存在，而是廣泛分布的。裂紋主要沿柱狀枝晶間區(qū)域擴(kuò)展。這些裂紋的存在表明它們?cè)谶B鑄過程中較高溫度下生成，通常在連鑄機(jī)的上段普遍存在。圖11顯示了一條裂紋的俯視圖，可以明顯看到初生和次生枝晶。熱力學(xué)模擬顯示，當(dāng)溫度降至1000℃以下時(shí)，樣品的延展性急劇下降。在1000℃時(shí)，樣品斷面收縮率約為60%，而在700℃時(shí)下降到40%以下。研究人員報(bào)告稱，斷面收縮率低于40%是一個(gè)臨界閾值，裂紋的敏感性會(huì)迅速增加。在900-700℃的溫度水平下的任何應(yīng)力，都可能加劇板坯中已存在的內(nèi)部裂紋。1）板坯底部區(qū)域的橫向內(nèi)部裂紋可能是由于拉坯彎曲開始時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力引起的。這可能發(fā)生在連鑄機(jī)的上段。連鑄設(shè)備上段的運(yùn)行狀況可能是其中一個(gè)影響因素。2）板坯上部（中心線以上）出現(xiàn)裂紋，表明二次冷卻存在問題。枝晶間裂紋是由于過度再加熱引起的。這表明在上段存在強(qiáng)烈冷卻，隨后在較低段進(jìn)行溫和冷卻，可能是由于二次冷卻不當(dāng)或漏水引起的。3）通過調(diào)整碳含量，可以重新調(diào)整鋼種的化學(xué)成分以減少裂紋傾向。碳含量范圍在0.09%-0.14%之間被發(fā)現(xiàn)更易產(chǎn)生裂紋。將碳含量提高到0.15%以上有助于減少裂紋產(chǎn)生的傾向。4）通過V、Nb和Ti的組合進(jìn)行微合金化，也可以改善板坯的內(nèi)部質(zhì)量。5）對(duì)板坯進(jìn)行緩慢堆疊冷卻和爐內(nèi)緩慢加熱，以控制裂紋的加劇。
