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)品作為軋機的原材料。鋼的連鑄需要嚴格控制的操作程序、精確的技術(shù)參數(shù)以及先進的生產(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)部缺陷的風險，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，鑄坯會產(chǎn)生熱應(yīng)力，而在彎曲/矯直區(qū)則會受到機械應(yīng)力的影響。當應(yīng)力在某一溫度下超過臨界值時，就會發(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)計的性能指標。在凝固的初始階段，溫度高達1350℃，由于枝晶間區(qū)域存在液相，未完全固化，表現(xiàn)出低強度和低延展性，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，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，因為它可以捕捉硫并抑制FeS的形成。第三個低溫低延展性區(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導(dǎo)致延展性損失。研究表明，第三個低延展性區(qū)僅影響表面裂紋的形成，而不會影響內(nèi)部裂紋的形成。缺陷的存在還受到連鑄機設(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行再加熱時失效。為探明這種板坯失效的成因，進行了全面研究。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)，板坯在進行軋制前，在加熱爐的加熱期間出現(xiàn)沿寬度方向開裂。進行詳細的失效分析，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。需對板坯缺陷的成因進行調(diào)查，包括鑄造結(jié)構(gòu)和內(nèi)部完整性、測量總氣體含量和鋼的化學分析、金相分析、微觀偏析和晶粒結(jié)構(gòu)。在GLEEBLE設(shè)備上進行的熱機械模擬，是研究鋼材高溫性能的極好工具。同時，還研究了運行數(shù)據(jù)，以評估可能導(dǎo)致板坯失效的關(guān)鍵參數(shù)。早期研究人員報告了板坯內(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)域和低強度區(qū)域進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行冶金學研究。樣品的取樣位置如圖1和圖2所示，并標有樣品的編號順序。在第一塊板坯中，沿板坯寬度方向切取了九個樣品。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行的取樣。圖2展示了第二塊板坯樣品編號的示意圖。取了六個樣品，編號為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，因為本研究將使用不同的方法對樣品進行多種圖示表示。使用LECO氣體分析儀對采用樣品9#制備的針狀樣品進行了總氧和氮分析。總氧含量約為40-50ppm，氮含量約為40ppm，均在可接受范圍內(nèi)。表1顯示了三個針狀樣品總氧和氮的檢測結(jié)果平均值。通過化學分析以檢查成分并確認其在該鋼級鑄造中通常遵循的標準范圍內(nèi)。表2顯示了板坯的化學成分。破碎板坯的化學分析顯示，僅進行了釩微合金化。據(jù)文獻報道，這種牌號的鋼級延展性較差，容易出現(xiàn)裂紋。為了詳細揭示宏觀結(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，對板坯樣品進行了酸蝕刻。為此，對板坯樣品進行機械加工和拋光，以在寬面和窄面（厚度）上創(chuàng)建光滑的表面。兩個寬面都進行了機械加工和拋光，以檢查裂紋是否沿連鑄方向擴展。制備好樣品后，測試表面用36vol.% HCl和水以1:1的體積比進行酸蝕刻。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，較大的柱狀生長一直延伸到中心。圖4是樣品2#的放大圖，圖中顯示了兩個寬面以及窄面。裂紋呈波浪狀圖案，水平和垂直延伸到中心線。當從窄面?zhèn)扔^看時，它們顯示為細長的豎線。此外，在某些樣品中，裂紋在相對面上也可見，表明這些裂紋有時會穿透樣品的厚度（即至少40mm深）。為了進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)域的擴展。在高倍率（1000倍）光學顯微照片中（如圖8所示）可以看到，枝晶臂中的鐵素體被珠光體團簇包圍。從鑄造板坯中取樣，并加工成直徑10mm、長度120mm的圓柱形狀，縱軸與鑄造方向平行。在GLEEBLE1500模擬器中進行了熱力學模擬測試。為了在測試期間監(jiān)控表面溫度，將熱電偶點焊到每個樣品的中間位置。采用電阻加熱對試樣進行均勻加熱。將測試樣品以10℃/s的加熱速率加熱至1300℃，保溫300s，再進行浸泡和固溶處理，然后以1℃/s的冷卻速率冷卻至測試溫度（如700℃、800℃、900℃和1000℃），工藝流程示于圖9。在試驗溫度下，保溫60s使樣品的溫度穩(wěn)定，然后以5×10-3/s的應(yīng)變速率進行拉伸試驗，直到樣品失效。試驗結(jié)果表明，當試驗溫度降至1000℃以下時，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。在一些樣品上測量了裂紋的起始和擴展情況，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)裂紋有時會延伸到70mm?？紤]到連鑄速度為1m/min，厚度為220mm，K因子為22.4，計算凝固坯殼厚度，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一步加劇了裂紋的擴展。在所有板坯樣品中，表面均未見裂紋。光學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)域擴展。這些裂紋的存在表明它們在連鑄過程中較高溫度下生成，通常在連鑄機的上段普遍存在。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。熱力學模擬顯示，當溫度降至1000℃以下時，樣品的延展性急劇下降。在1000℃時，樣品斷面收縮率約為60%，而在700℃時下降到40%以下。研究人員報告稱，斷面收縮率低于40%是一個臨界閾值，裂紋的敏感性會迅速增加。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產(chǎn)生的拉應(yīng)力引起的。這可能發(fā)生在連鑄機的上段。連鑄設(shè)備上段的運行狀況可能是其中一個影響因素。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烈冷卻，隨后在較低段進行溫和冷卻，可能是由于二次冷卻不當或漏水引起的。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的組合進行微合金化，也可以改善板坯的內(nèi)部質(zhì)量。5）對板坯進行緩慢堆疊冷卻和爐內(nèi)緩慢加熱，以控制裂紋的加劇。
