包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制_顾晔.pdf

宝钢技术2023 年第 3 期包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制顾晔1，郭亮亮2，刘自成1(宝山钢铁股份有限公司 1 厚板事业部，上海200941;2 中央研究院，上海201999)摘要:通过对包晶合金钢厚板边裂缺陷系统研究，发现该缺陷与铸坯横向裂纹关系密切。采用金相显微镜、扫描电镜、热力模拟试验机、激光共聚焦显微镜，分析了包晶合金钢的材料特性、析出相行为、裂纹断裂机制等。研究结果表明:碳质量分数在 0 080%0 150%的包晶反应导致较大的体积收缩，裂纹敏感性强。包晶合金钢中有大量分布于晶界的 TiN 和 Nb(C，N)析出相;随着包晶合金钢连铸冷却进程，析出相脆化了奥氏体晶界，增加了裂纹倾向性。通过控制钢种化学成分、优化二冷工艺等措施，显著改善了包晶合金钢厚板边裂缺陷。关键词:边裂;横向裂纹;析出相;包晶合金钢;连铸中图分类号:TG142 33文献标志码:B文章编号:10080716(2023)03003406doi:10 3969/j issn 10080716 2023 03 006Analysis and control of edge crack on thick plate in peritectic alloyed steelGU Ye1，GUO Liangliang2and LIU Zicheng1(1 Heavy Plate Business Unit，Baoshan Iron Steel Co，Ltd，Shanghai 200941，China;2 esearch Institute，Baoshan Iron Steel Co，Ltd，Shanghai 201999，China)Abstract:In this study，the edge crack on the thick plate in peritectic alloyed steel，which ismainly caused by transverse cracks of continuous casting slab，has been discussed The materialproperties，precipitation behaviors，and thermal simulation fracture mechanism of peritectic alloyedsteel were analyzed systematically by metallographic microscope，scanning electron microscope，thermo-mechanical simulator，and laser scanning confocal microscopy The results show that theperitectic reaction with a carbon mass fraction of 0 080%0 150%leads to significant volumetriccontraction and strong surface cracking Meanwhile，there are a large number of precipitates，such asTiN and Nb(C，N)，in the as-cast grain boundary of peritectic alloyed steel With the continuouscasting cooling process of peritectic alloy steel，the precipitated phase embrittles the as-cast grainboundary and increases the crack tendency By controlling the chemical elements and optimizing thesecondary cooling process，the edge cracking defect of the thick plate of peritectic alloy steel wasimproved significantlyKey words:edge crack;transverse cracks;precipitated phase;peritectic alloyed steel;continuous casting顾晔高级工程师1985 年生2013 年毕业于东北大学现从事厚板工艺研究电话26648164E-mailguye355212 baosteel com在我国“十三五”和“十四五”规划中，国家从科技创新、结构升级、基础设施、生态环保、民生改善等方面提出了一批重大工程、重大项目，其中高端装备制造业、新能源等产业都涉及大量高档次特厚板需求。厚板已成为基础建设所依赖的重要钢铁材料，主要集中在高级别管线钢、高档压力容器钢、高强度船板钢、耐候桥梁板、高强度工程机械用钢、高层建筑用钢及海工风电用钢等1 4。43顾晔等包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制关于包晶合金钢钢质缺陷，汇总国内外研究报道5 9，主要与钢种特性、非金属夹杂物、结晶器振动、二次冷却、辊缝开口度等密切相关，但包晶合金钢的厚板边裂鲜有报道。本文以包晶合金钢厚板边裂缺陷为研究对象，采用金相显微镜、扫描电镜、热力模拟试验机、激光共聚焦显微镜、Thermo-Calc 热力学软件等研究了材料特性、缺陷原因与析出相表征，明确包晶合金钢厚板边裂形成机理和改善机制。1试验过程表1 为包晶合金钢的主要化学成分，C 质量分数为0080%0 150%，Nb、Ti 和 N 质量分数分别可达0050%、0 020%和 0 005%。连铸坯热送厚板轧制，边裂缺陷如图 1 所示，在钢板表面呈现不闭合的多边形或簇状裂口，裂纹深度深浅不等，其分布类似于多边形星状。缺陷分布位置较复杂，多发于距离边部80 140 mm 范围，对于合金含量较高的裂纹敏感钢种，也可能全板面分布。统计发现，边裂缺陷在厚板上表面总体数量比下表面高30%左右。采用金相显微镜、扫描电镜及电子探针对缺陷分析。进一步，采用热力模拟试验机、激光共聚焦显微镜、Thermo-Calc 软件研究材料特性和析出相行为，旨在得出缺陷机理与控制方法。表 1包晶合金钢的典型化学成分Table 1Main chemical composition of peritectic alloyed steel单位:%w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Nb)w(Ti)w(Al)w(N)0080 0 1500 5002 0000 0200010005000200030 00600 005图 1厚板边裂缺陷Fig 1Edge crack defect of thick plate2试验结果2 1缺陷分析结果采用金相显微镜和扫描电镜对包晶合金钢厚板边裂截面观察，如图 2 所示，缺陷处晶粒度较正常部位粗大，缺陷处已脱碳氧化。初步怀疑是高温下缺陷氧扩散、析出的结果，由此推测炼钢工序产生的可能性较大。同时，对包晶合金钢连铸坯低倍检查，发现对应的连铸坯存在横向裂纹缺陷，如图 3 所示。2 2高温塑性研究高温力学拉伸试验常用于研究铸坯塑性与铸坯横裂缺陷 10 13。本文采用 Gleeble-3800 热力模拟试验机，试验温度区间为 550 1 350，应变速率为1 103s1，试验均在真空条件下进行。图 2厚板边裂分析Fig 2Edge crack analysis of thick plate53宝钢技术2023 年第 3 期图 3连铸坯横裂Fig 3Transverse cracks of continuous casting slab试样拉断后，测量并计算断面收缩率。图 4 所示为包晶合金钢铸坯试样的断面收缩率随温度变化曲线。在 1 300 900，试样具有良好的塑性，断面收缩率在 40%以上;在 1 050 有塑性突变点，怀疑是对应析出相的峰值温度，后续会进一步分析。从 850 开始，断面收缩率随温度的降低迅速减小，并在725 左右达到最低，其后随温度降低断面收缩率又有所回升，塑性好转。图 4断面收缩率Fig 4eduction of area通过分析热模拟曲线中具有代表意义的试验温度下的断口表面微观形貌，可以对热模拟曲线的区间段作出充分的解释。图 5 为断口扫描电镜结果。700 850 对应的拉伸断口晶粒粗大，断口呈冰糖状，断裂类型为典型脆性沿晶断裂;在此温度条件下铁素体在晶界呈膜状析出，晶界强度很低，塑性最差。900 以上和 700 以下，断口分布着一定数量的韧窝。韧窝的大小和深浅决定于材料断裂时微孔生核数量和材料本身的相对塑性，如果微孔生核数量很多或材料的相对塑性较低，则韧窝的尺寸就较小或较浅。为了探究包晶合金钢 700 850 的沿晶断裂机理，采用 Thermo-Calc 软件计算了包晶合金钢的平衡相图，如图 6 所示。发现 1 050 是 TiN析出峰值温度，可以解释图 4 中断面收缩率陡降的原因。同时，700 850 低塑性温度区间也对应于 Nb(C，N)和 TiN 的析出温度，两类析出相对塑性影响非常大，裂纹敏感性很强。连铸过程析出的 Nb(C，N)和 TiN 多发生在奥氏体晶界，影响晶界滑移，并阻止动态再结晶的进程，降低了铸坯高温塑性;晶界两侧的无析出带造成的应力集中易引起开裂。2 3原位观察采用激光共聚焦显微镜，将试样加热到液相线温度以上熔化后，再仿照连铸工艺、按照一定的冷却速率，观察不同温度条件下，包晶合金钢高温金相组织行为。如图 7 所示，800 左右开始，原粗大的奥氏体晶界有明显的膜状铁素体，试样塑性受到铁素体膜的影响导致塑性较差。因钢种含Nb 较多，而热力学上低温时 Nb(C，N)析出比高温时要多，动力学上 900 以下时析出条件也更好14，故较低温度区间促使析出物增多，晶界塑性下降。3横裂机理与改善(1)包晶反应。碳质量分数为 0 080%0 150%，连铸结晶器弯月面附近液相与 相几乎同时消失转变为奥氏体，造成较大的体积收缩，增大了坯壳与铜板之间的孔隙热阻，增大传热不均匀，凝固坯壳厚度不均匀。63顾晔等包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制图 5高温拉伸断口形貌Fig 5High-temperature tensile fracture morphologies图 6平衡相图计算结果Fig 6Equilibrium phase diagrams and calculation results(2)粗大奥氏体晶粒。粗大奥氏体晶粒是诱发裂纹的先决条件，更易析出膜状先共析铁素体，如图 5 和图 7 所示。粗大的晶粒在其他相关因素的作用下引发裂纹的倾向性增大，如温度下降到Ar3线附近时，沿奥氏体晶界析出的膜状先共析铁素体，阻碍了奥氏体基体的连续性。73宝钢技术2023 年第 3 期图 7激光共聚焦显微镜试验结果Fig 7Test results of laser scanning confocal microscopy(3)析出相行为。如图 6 所示，微合金元素Nb、Ti 的碳氮化物沿奥氏体晶界析出，阻止动态再结晶的进程，降低了铸坯高温塑性。(4)工艺和设备精度。当铸机夹辊或内外弧不对中等设备问题在弯曲和矫直时产生应力应变集中;结晶器振动不当导致深振痕，二冷冷却工艺不合适也会导致横裂纹。本文发现针对厚板向连铸坯，当拉速低于 0 6 m/min 时，厚板裂纹发生率较高。究 其 原 因，如 表 2 所 示，当 拉 速 低 于0 6 m/min 时，包晶合金钢铸坯的矫直温度低于900，即在低塑性区矫直，凝固前沿在拉力作用下坯壳薄弱处产生裂纹。由于包晶合金钢相对普碳钢更加复杂的析出、相变行为导致脆性温区扩大，生产中需采取高温矫直工艺，常规恒温制度下的拉伸断面收缩率达到 40%以上即可避免铸坯弯曲或矫直时表面裂纹的出现，与之对应的温度建议在 900 以上15 18。4结论(1)包晶合金钢厚板边裂成因主要归结为连铸坯横向裂纹。表 2不同拉速包晶合金钢二冷表面温度Table 2Secondary cooling surface temperature of peritecticalloy steel at different casting speeds单位:二冷回路拉速/(mmin1)0500550601N1 0521 0581 07211 0231 0431 0462IOC1 0521 0581 0833IOC1 0371 0501 0634IOC1 0011 0151 02359719879936I9399549677I9009169288I8728848989I83885687110I81583684811I775808836(2)连铸凝固冷却过程中，因包晶合金钢固有的包晶反应特性，造成较大的体积收缩，增大了坯壳与铜板之间的孔隙热阻，增大传热与凝固坯壳厚度不均匀，裂纹萌生增强。(3)包晶合金钢低温脆性温度区间是 700 83顾晔等包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制850，与 Nb(C，N)和 TiN 在奥氏体晶界析出降低铸坯高温塑性密切相关。(4)通过成分控制，提高拉速和二冷区铸坯温度有利于提升质量。参考文献1TSUYAMA S Thick plate technology for the last 100 years:aworld leader in thermo mechanical control process J ISIJInternational，2015，55(1):67 782金圣子，王琳，朱连成，等 国内外风力发电发展与展望 J 辽宁科技大学学报，2013，36(2):156 1583王月香，周 平，马光亭，等 低成本高性能新型风电用钢的研究与开发 J 轧钢，2015，32(3):16 194张宝荭 国内风电用钢市场分析与技术开发J 特钢技术，2012，18(4):6 85FEDOSOV A V，SKEBTSOVAM，PASHCHUKDVFormation of transverse surface cracks during peritectic steelcontinuous casting J Metallurgist，2018，62(1/2):39 486MINTZ B The influence of composition on the hot ductility ofsteels and to the problem of transverse cracking J ISIJInternational，1999，39(9):833 8557MA F J，WEN G H，TANG P，et al Causes of transverse cornercracks in microalloyed steel in vertical bending continuous slabcasters J Ironmaking and Steelmaking，2010，37(1):73 798王国军 风电钢生产过程氮含量控制实践J 甘肃冶金，2016，38(6):18 209兰鹏，杜辰伟，陈培莉，等 微合金钢连铸表面横裂纹形成机理与控制技术研究现状J 钢铁研究学报，2017，29(1):1 12 10 GUO L L，LI W P，MANUEL B，et al High temperaturemechanical properties of micro-alloyed carbon steel in mushyzone J Steel esearch International，2010，81(5):387 393 11 MINTZ B，COWTHE D N Hot ductility of steels and itsrelationship to the problem of transverse cracking in continuouscastingJ International Materials eviews，2010，55(3):168 196 12 龚雅林，张炯明，甄新刚，等 中碳微合金化钢高温延塑性的研究 J 钢铁，2010，45(6):67 73 13 秦军，向华，张建新，等风电钢 Q345D 高温力学性能研究 J 新疆钢铁，2017(2):16 19 14 KIM S K，KIM J S，KIM N J Effect of boron on the hotductility ofNb-containingsteel J MetallurgicalandMaterials Transactions A，2002，33(3):701 704 15 LEE U H，PAK T E，SON K S Assessment of hot ductilitywith various thermal histories as an alternative method of insitu solidificationJ ISIJ International，2010，20(4):540 545 16 朱苗勇 新一代高效连铸技术发展思考J 钢铁，2019，54(8):21 36 17 KATO T，ITO Y，KAWAMOTO M，et al Prevention of slabsurface transverse cracking by microstructure controlJ ISIJInternational，2003，43(11):1742 1750 18 AWAJIYA Y，MIKI Y，KISHIMOTO YHot ductility improvementin continuous casting by predeformation treatment J Tetsu-to-Hagan，2018，104(9):480 485(收稿日期:2023 01 12)专利信息一种两段球磨加工钢渣微粉粉磨工艺专 利 号:ZL201510432642 3专利权人:南京梅山冶金发展有限公司宝钢集团上海梅山有限公司南京梅山钢渣处理有限责任公司上海梅山钢铁股份有限公司设 计 人:符生本发明公开了一种两段球磨加工钢渣微粉粉磨工艺，通过对滚筒渣进行烘干、破碎、分级、除铁、粉磨和再分级处理等手段，将钢渣加工成合格的钢渣微粉，同时对钢渣尾渣中金属进行充分回收，形成一定价值副产品渣钢粒、渣钢粉。钢渣微粉与矿渣微粉、石膏粉及其他掺合料混合成钢渣胶凝材，用途与普硅水泥相似，并且耐磨、水化热量小、耐盐碱腐蚀，价格低廉。利用钢渣生产微粉，不但消化了大部分的钢渣，有很好的社会效益，而且使企业有较好的经济效益，实现了钢渣的零排放，避免了环境的污染和空间浪费。(宝山钢铁股份有限公司规划与科技部供稿)93