高Ti工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼連鑄縱裂紋研究*

周 峰，周 慶，陳學(xué)文

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510520）

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國工程機(jī)械制造業(yè)不斷向高質(zhì)量方向發(fā)展，對高強(qiáng)度工程結(jié)構(gòu)鋼的需求不斷增長，質(zhì)量要求不斷提高。同時，高端制造業(yè)向綠色低碳方向發(fā)展，要求工程結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼在生產(chǎn)工藝設(shè)計、制造過程中節(jié)約資源，降低成本[1-2]。鋼中微合金元素Ti元素是一種強(qiáng)碳、氮化物形成元素，容易與鋼中的N和C化合析出TiN、TiC和Ti（C，N）[3-9]，且在鋼中能發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化[10]和強(qiáng)烈沉淀強(qiáng)化[11-12]的雙重作用，鋼中添加Ti元素開發(fā)高強(qiáng)度鋼能發(fā)揮出較大的成本和資源優(yōu)勢。然而，高鈦鋼的連鑄板坯極易出現(xiàn)縱向裂紋，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏和板坯、鋼板質(zhì)量，特別是含Ti量高的高強(qiáng)度級別的鋼種。文章通過對960MPa級高Ti微合金鋼鑄坯的典型表面縱裂紋進(jìn)行分析，查找原因并進(jìn)行了生產(chǎn)工藝優(yōu)化，改善了該鑄坯質(zhì)量。

1 裂紋缺陷及化學(xué)成分

研究所用高鈦960MPa級微合金鋼鑄坯取自鋼廠現(xiàn)場連鑄坯，采用Nb+V+Ti+Mo+Ni+Cr成分設(shè)計。連鑄坯成分如表1所示。

表1 鈦微合金鋼的成分要求 單位：%

高鈦960MPa級微合金高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼性能要求如表2所示。

在生產(chǎn)過程當(dāng)中，當(dāng)高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼的合金元素含量達(dá)到3.0%時，連鑄板坯內(nèi)弧側(cè)表面中部經(jīng)常出現(xiàn)深度最大約為8mm，長度范圍為3～80mm的縱裂紋缺陷如圖2所示，使得鑄坯縱裂紋修磨率高達(dá)30%以上。

表2 鈦微合金鋼性能要求

圖2 連鑄板坯內(nèi)弧側(cè)表面中部縱裂紋缺陷形貌

2 原因分析及討論

為分析上述縱裂紋形成機(jī)制，在裂紋尖端取金相試樣，作組織分析。其中，光學(xué)顯微型號為Leica DM6000M；SEM型號為Carl Zeiss MERLIN Compact。

圖3 縱裂紋根部點(diǎn)狀夾雜物SEM及其能譜分析圖

圖4 縱裂紋根部塊狀夾雜物SEM及其能譜分析圖

鑄坯表面縱裂紋根部處典型點(diǎn)狀夾渣和塊狀夾雜物的SEM形貌及其能譜分析圖如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可知，對于點(diǎn)狀夾渣夾雜物，其最大尺寸為19μm，點(diǎn)狀夾渣的成分主要含O、Si、Ca、Mn、Fe等元素，即CaO、MnO夾渣；對于塊狀夾雜物，其成分主要為Al、O元素組成，即Al2O3夾雜，尺寸約為183μm。

經(jīng)過初軋板材表面縱裂紋的金相照片如圖5所示，由圖5可知，裂紋間隙內(nèi)存有厚度約為60μm的脫碳層。結(jié)合圖3和圖4可知，鑄坯表面的裂紋產(chǎn)生于結(jié)晶器區(qū)域。結(jié)晶器彎月面區(qū)周邊坯殼厚度薄，尤其結(jié)晶器彎月面區(qū)初生坯殼厚度生長不均勻非常易引起縱裂紋。

圖5 初軋板材金相照片

基于上述分析，實(shí)際生產(chǎn)過程中結(jié)晶器內(nèi)角部溫度與鑄坯寬面中心溫度從彎月面開始沿拉坯方向的變化情況如圖6所示。結(jié)晶器內(nèi)角部溫度比鑄坯寬面中心溫度在距離彎月面100mm要低50℃，200mm處上升到100℃，初生凝固坯殼厚度很難均勻生長，從而使得在鑄坯表面產(chǎn)生縱裂紋。

圖6 結(jié)晶器內(nèi)角部溫度與鑄坯寬面中心溫度沿拉坯方向的變化情況

結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣的傳熱影響到裂紋擴(kuò)展，輻射傳熱是坯殼向結(jié)晶器傳熱的總熱通量的15%，輻射傳熱取決于渣膜的結(jié)晶程度。保護(hù)渣的堿度高，則其熔化溫度和結(jié)晶溫度較高、黏度較低。熔化溫度高的保護(hù)渣，鑄坯與結(jié)晶器間形成了比較厚的固態(tài)渣層，構(gòu)成了較大熱阻，可改善鑄坯當(dāng)?shù)乩鋮s環(huán)境，促進(jìn)鑄坯初生凝固坯殼的均勻生長，減少裂紋的發(fā)生。目前實(shí)際生產(chǎn)中使用的保護(hù)渣物理性能如表3所示。當(dāng)前保護(hù)渣的堿度、結(jié)晶溫度、熔化性溫度和黏度（1300℃下）分別為0.9、1236℃、1183℃和0.116Pa·s，這難以達(dá)到保護(hù)渣物性參數(shù)的要求，即保護(hù)渣的熔點(diǎn)應(yīng)不大于結(jié)晶器下口處坯殼的表面溫度、保護(hù)渣的結(jié)晶溫度控制在1200℃以下，黏度控制在0.085Pa·s左右，以保證沿結(jié)晶器長度方向始終存在一定厚度的液態(tài)渣膜，從而促進(jìn)均勻傳熱。

表3 目前使用的保護(hù)渣物性參數(shù)

3 改進(jìn)措施及效果

為促進(jìn)鑄坯初生凝固坯殼的均勻生長，實(shí)際生產(chǎn)中，采用了以下措施：（1）生產(chǎn)前連鑄確認(rèn)好生產(chǎn)條件，清理扇形段噴嘴，及時換掉漏水端子，穩(wěn)定控制拉速。（2）保持結(jié)晶器合適的錐度和澆注過程中防止錐度的跑偏。（3）向保護(hù)渣中加入CaO以提高堿度，降低其黏度，提高吸收鋼中夾雜物如Al2O3的能力，且利于避免在結(jié)晶器壁形成熱阻高的渣膜。此外，為表面在連鑄坯內(nèi)弧面形成積水現(xiàn)象，二次冷卻區(qū)的冷卻方式由純水冷卻設(shè)計為汽霧混合冷卻方式，以阻止微裂紋深度加深和擴(kuò)展成縱向裂紋。

通過上述措施，960MPa級Ti微合金鋼連鑄坯縱裂紋得到了有效控制，據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計縱裂紋修磨率由之前的30%降至5%以下，并且需要修磨的連鑄坯縱裂紋都發(fā)生在澆次頭尾坯，縱裂紋深度也得到了抑制，縱裂紋深度由之前的8mm降至≤3mm的水平，優(yōu)化后的需要修磨的縱裂紋形貌如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后960MPa級Ti微合金鋼連鑄坯縱裂紋形貌

4 結(jié)論

通過對高Ti工程機(jī)械高強(qiáng)鋼連鑄坯縱裂紋試樣和連鑄生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生縱裂紋的主要原因是保護(hù)渣熔點(diǎn)過高。通過優(yōu)化結(jié)晶器保護(hù)渣，連鑄二次采用氣霧冷卻方式等措施，有效減少了9高Ti工程機(jī)械高強(qiáng)鋼鑄坯縱裂紋的產(chǎn)生，連鑄坯縱裂紋修磨率由之前的約30%的水平降至5%以下，縱裂紋深度由之前8mm降至≤3mm的水平。