連鑄輕壓下對中碳鋼內(nèi)部孔隙裂紋的影響

陳小龍，年 義，熊良友，Ali Naqash，張立強

（1.廣西柳州鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545002；2.安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

引 言

連鑄坯自拉出結(jié)晶器后，中心液相在選分結(jié)晶的作用下，會不斷富集鋼中的雜質(zhì)和有害元素。在鑄坯的凝固末端指定位置增加一定的外力［1］，對鑄坯進行壓縮，產(chǎn)生一定的壓下量，用來補償或抵消連鑄坯凝固過程的收縮量，減少孔隙。在輕壓下的作用下，使連鑄坯內(nèi)部枝晶組織間富含溶質(zhì)的剩余液相保持在原來的位置或者溶質(zhì)元素重新分布，以減少中心偏析、疏松及裂紋的產(chǎn)生。因此，連鑄輕壓下技術(shù)在實際生產(chǎn)中得到了日益廣泛的應用［2-5］。陳永生等［6］通過煉鋼廠4#板坯連鑄機進行壓下區(qū)間調(diào)整現(xiàn)場生產(chǎn)實踐，結(jié)果表明實施輕壓下可以有效地改善鑄坯中心偏析和疏松，提高鑄坯質(zhì)量。王國君等［7］通過對板坯進行了射釘實驗，實驗確定板坯的合適輕壓下位置為0.3的中心固相率到0.7的中心固相率的范圍內(nèi)，改善了鑄坯中心疏松以及偏析問題，更提高了連鑄板坯質(zhì)量。葉德新等［8］通過對大方坯連鑄實施輕壓下技術(shù)，研究表明：通過對鑄坯實施輕壓下技術(shù)，確定適當?shù)膲合聟^(qū)間，可以有效的改善鑄坯的中心偏析和疏松問題，提高連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。

中心偏析［9］和縮孔是連鑄過程中鑄坯［10］內(nèi)部常見的問題，本文通過對鋼樣進行熱態(tài)試驗，研究在完成多次同種試樣不同輕壓下的壓下量后，進行熱態(tài)鋼液試樣常溫凝固，后進行酸浸試驗樹枝晶。根據(jù)試樣的酸浸結(jié)果進行分析不同壓下量下，試樣的凝固組織變化，分析不同壓下量和壓下時間對中心偏析和縮孔的影響。

1 試驗與材料

1.1 熱態(tài)試驗

本試驗采用某煉鋼廠生產(chǎn)產(chǎn)品中70號碳鋼作為研究對象，依據(jù)鑄坯間裂紋形成的原理在實驗室條件下模擬輕壓下過程。本試驗通過控制千斤頂?shù)膲合铝?，來控制輕壓下的壓下量；通過控制鋼液的凝固時間來控制坯殼的厚度。表1為70號鋼成分，表2為70號鋼的力學性能。

表1 試驗鋼成分

表2 試驗鋼的力學性能

試驗步驟：稱500 g鋼樣放入剛玉坩堝，把剛玉坩堝放入石墨坩堝內(nèi)，并作為整體放入高溫電阻爐內(nèi)進行熔化；待鋼樣徹底熔化后，取出剛玉坩堝，開始空冷計時120 s，并把帶有液芯的鋼樣連同剛玉坩堝用鑷子夾起，放入立式油壓千斤頂內(nèi)，使用撬桿進行壓下，記錄每次的壓下量，在壓下量到達后，取出鋼樣，靜置并空冷至室溫；重復上述步驟，冷卻時間為120 s共測4組，試樣編號為1號、2號、3號、4號，相同時間的前提下對每組鋼樣的壓下量不同，對應為1，2，3，4 mm；冷卻時間控制為150 s，共測4組，試樣編號為5號、6號、7號、8號，相同時間的前提下對每組鋼樣的壓下量不同，對應為1，2，3，4 mm。

試驗準備器材：T-1700VCB高溫電阻爐、立式油壓千斤頂、剛玉坩堝、石墨坩堝等。融化裝置、輕壓下模型分別如圖1，2所示。

圖1 高溫融化鋼錠

圖2 輕壓下模型

實際壓下參數(shù)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 壓下參數(shù)

1.2 酸浸試驗

在完成鑄坯凝固過程輕壓下熱態(tài)試樣后，得到具有一定壓下量的鋼樣，在車床加工沿著中心線切開，進行打磨拋光，并把鋼樣放入配好的鹽酸溶液中，鹽酸侵蝕鋼樣表面的組織，得到便于觀察的樹枝晶，實驗流程如圖3所示。

圖3 酸浸步驟

試驗步驟如下：用100 mL的水和100 mL質(zhì)量分數(shù)為37%的濃鹽酸配成混合液，使用數(shù)顯恒溫水浴鍋加熱保持水溫70℃，將混合液放入數(shù)顯恒溫水浴鍋進行加熱到70℃，將打磨后的鋼樣放入水浴的燒杯中，酸浸15 min，將鋼樣夾出，用熱水沖洗，并用刷子對試樣拋光面進行清洗，去除鋼樣表面的氯離子，再用乙醇對試樣沖洗，后使用電吹風進行熱吹，乙醇蒸發(fā)帶走鋼樣表面的水，防止試樣氧化無法觀察它的顯微形貌，重復幾次，最后用熱風吹干。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓下對鑄坯宏觀組織的影響

2.1.1 壓下對縮孔的影響

在鑄坯內(nèi)部孔洞普遍存在，且對鑄坯的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。本文通過Photoshop像素來計算孔洞的面積，如圖4所示；壓下量、冷卻時間與孔洞面積統(tǒng)計如表4所示。

圖4 孔洞面積計算

表4 壓下量、冷卻時間與孔洞面積

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，在進行壓下時，孔洞面積明顯減少?？锥丛趯嶋H壓下量為3.8 mm，空冷時間為150 s時，孔洞的面積最小，表明輕壓下對鑄坯內(nèi)部孔洞的面積有明顯的控制作用，可減少孔洞的產(chǎn)生；而在冷卻時間分別為120 s和150 s，隨著壓下量的增大，孔洞的面積在不斷減少，（冷卻時間為150 s，壓下量可嘗試進一步增大），壓下量與孔洞的總面積呈反比關系。120 s和150 s冷卻時間下，壓下量與孔洞面積關系如圖5所示。

圖5 壓下量與孔洞的關系

2.1.2 壓下對鋼錠宏觀組織結(jié)構(gòu)的影響

在酸浸完成后，使用Photoshop軟件對鋼錠宏觀組織結(jié)構(gòu)所占比例面積進行測量分析。凝固組織結(jié)構(gòu)從中心到邊緣包括：中心等軸晶帶、柱狀晶帶、細小等軸晶帶。通過對鑄坯的凝固組織進行壓下，抑制柱狀晶的發(fā)展，盡可能多的得到等軸晶，提高鋼的質(zhì)量。壓下量與柱狀晶的關系如圖6所示；壓下量、冷卻時間與柱狀晶面積統(tǒng)計如表5所示。

表5 壓下量、冷卻時間與柱狀晶面積關系

圖6 壓下量與柱狀晶的關系

在進行壓下時，柱狀晶的比例與0號比較有所降低。在冷卻時間為120 s時，隨著壓下量的增大，鑄坯中心柱狀晶區(qū)域比例在不斷減少，等軸晶增加，鑄坯的性能得到改善；在冷卻時間為150 s時，隨著壓下量的增大，鑄坯中心柱狀晶區(qū)域比例在不斷增大，表明此時鑄坯性能在壓下量增加時，沒有得到提高。

3.2 壓下對鑄坯疏松的影響

在連鑄坯凝固過程中，鑄坯內(nèi)部樹枝晶生長的過程中產(chǎn)生微小的空隙稱為疏松。在使用輕壓下技術(shù)時，在壓力的作用下鑄坯內(nèi)部鋼液流動，形核增加，減少疏松的產(chǎn)生，鑄坯疏松現(xiàn)象如圖7所示。

圖7 疏松現(xiàn)象

為探究壓下對鑄坯內(nèi)部微觀組織的影響，采用工業(yè)CT對鋼錠內(nèi)部的孔隙缺陷進行檢測分析，根據(jù)檢測結(jié)果來判斷在不同壓下量下，鋼錠內(nèi)部孔隙情況。

工業(yè)CT是指通過X射線計算機斷層掃描（XRT）測量每個樣品的三維圖像，使用高精度微焦點X射線三維掃描系統(tǒng)針對試樣內(nèi)部缺陷進行3D重構(gòu)，通過高能量微焦點X射線源，螺旋掃描定量檢測并統(tǒng)計鋼樣內(nèi)部的縮孔疏松、裂紋、夾雜物等缺陷大小和空間位置分布信息，分辨率達8微米。

通過工業(yè)CT對本試驗試樣進行檢測，使用VG Studio MAX軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到其3D圖像，分析鑄坯孔隙率與壓下量之間的關系。對試樣拋光之后，進行切割，選取剖析面長寬高為10 mm×10 mm×3 mm的鋼樣，具體切割部位如圖8所示；孔隙率與壓下量關系展示如圖9所示；壓下量與縮孔率、縮孔總體積數(shù)據(jù)［11］關系如表5所示；壓下量與縮孔之間的關系如圖10所示。

圖8 切割位置

圖9 孔隙率與壓下量關系

圖10 壓下量與縮孔之間的關系

為探究不同壓下量對鋼錠內(nèi)部縮孔總體積的影響，對CT檢測結(jié)果進行分析，對鋼錠內(nèi)部所有缺陷體積進行疊加計算；除此之外，從內(nèi)部缺陷的總表面積以及縮孔之間的距離的角度出發(fā)來探究不同壓下量對縮孔之間距離的影響，缺陷的總表面積越大，則表明縮孔的數(shù)量多或體積大；用缺陷外接球體表面平均距離來代替各缺陷之間的距離，各縮孔缺陷之間的平均距離越小，表明縮孔數(shù)量密集，平均距離大，則表明縮孔數(shù)量少。

由表6可知，在壓下量為0 mm時，鋼錠內(nèi)部的縮孔總體積最大為0.6108 mm3、縮孔率最大為0.4608%、單一縮孔體積最大為0.0528 mm3。當壓下量最大，為4 mm時，縮孔率為0.1064%，與壓下量為0 mm比較，明顯降低了內(nèi)部的縮孔，表明輕壓下能夠有效降低鑄坯內(nèi)部的縮孔，提高鑄坯的質(zhì)量；當壓下量為2 mm時，縮孔率最小為0.0738%，隨著壓下量的增加，縮孔率反而增高，這是由于壓應力過大，超出了材料在該狀態(tài)下的強度，孔隙周邊未完全凝固部分在壓應力的作用下發(fā)生斷裂，造成縮孔數(shù)量增加。由圖8壓下量與最大縮孔體積關系圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓下量的增大，單個縮孔的體積呈減小趨勢。單一縮孔體積變小，這是由于在壓力的作用下鋼錠內(nèi)部的液芯發(fā)生流動，原始位置改變，原縮孔部分得到液體補充，使得孔隙體積減少。由圖8可知在壓下量為0 mm時，縮孔總表面積最大，在壓下量為2 mm時，總表面積最??；同樣在壓下量為2 mm時，縮孔缺陷之間的平均距離最大，表明此時鋼錠內(nèi)部的縮孔數(shù)量最少。

表6 壓下量與縮孔率關系

3 結(jié) 論

（1）對比無輕壓下技術(shù)，使用輕壓下技術(shù)情況下，鑄坯中心部位孔洞總面積明顯降低，且中心部位柱狀晶所占比例均低于0號，表明輕壓下起到良好的效果，鑄坯的質(zhì)量得到提高。

（2）當冷卻時間為120 s和150 s，隨著壓下量的增大，孔洞的面積在不斷降低；冷卻120 s，隨著壓下量的增大，中心部位柱狀晶所占比例不斷降低；冷卻150 s，隨著壓下量的增大，中心部位柱狀晶所占比例不斷增加，壓下量最大為3.8 mm時，柱狀晶比例小于0號試樣。

（3）在壓下量為0 mm時，試樣內(nèi)部的縮孔率最大，在一定的壓下量情況下，縮孔總體積及縮孔率降低。

（4）隨著壓下量的增加，縮孔周圍液芯流動加劇，且縮孔周圍未完全凝固部分在壓應力作用下再次斷裂，造成縮孔數(shù)量增多，縮孔率增高。

（5）隨著壓下量的增大，單一縮孔的最大體積呈減小趨勢；在壓下量為2 mm時，縮孔缺陷之間的平均距離最大，表明此時鋼錠內(nèi)部的縮孔數(shù)量最少。