（材料加工工程专业论文）中厚板热装热送过程裂纹形成及改善的研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 1 i _ 量詈置曼墨詈! _ _ _ e ，_ 曼皇置e 詈量量曼詈皇曼日芒田量日e 詈皇詈詈鼍皇! 詈鼍! 曼 摘要 本文针对中厚板表面裂纹缺陷开展深入的分析，主要采用光谱分析仪、 扫描电子显微镜、金相分析、熟模拟实验等手段对钢板的化学成份、表面 裂纹处的显微组织、裂纹处的夹杂物成分及第三脆性区范围进行分析，并 在实验室运用g l e e b l e 2 0 0 0 热力模拟试验机对相关钢种进行连铸加热轧 制全程模拟实验，而后采用透射电子显微镜检测不同热履历条件下的c 、 n 化物析出、回溶情况及e d x 成分分析。通过将上述实验的结果和现场 的实际生产情况进行对比，找出表面裂纹的主要形成原因，同时在生产实 践中加以改善。 通过对钢板的表面裂纹及其生产实践的研究，得到如下的结果： ( 1 ) 产生表面裂纹缺陷的钢板其碳含量在包晶反应范围内，且表面裂纹 多发于低合金钢，尤其多发于含n b 、t i 的微合金化低合金钢。钢板表面 的裂纹不是由于基体中s n 、c u 、a s 等有害元素超标引起的，也不是在轧 制过程中新产生的，而是由坯料的原始裂纹扩展形成的。原始裂纹的产生 和包晶反应时的体积收缩以及钢中存在的夹杂物和热送过程中的c 、n 化 物析出有很大关系。 ( 2 ) 控制l f 精炼、换中包或埋入水口时液面波动情况，减少卷渣情况 的产生；控制连铸坯在矫直时的温度，使其避开钢的第三脆性区；控制铸 坯的热送温度、加热温度及加热时间，避开碳氮化物析出及相变高峰期、 使碳氮化物充分回溶，通过这些措施可以有效地降低钢板表面裂纹缺陷。 论文分析了济钢钢板表面裂纹缺陷的形成原因，并提出了相应的改进 措施，用于现场实践，取得了很好的效果。 关键词：连铸坯，表面裂纹，热履历，夹杂物。碳氮化物 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fs u r f a c ec r a c ka p p e a r e do nm e d i u ma n d h e a v yp l a t e ，s p e c t r u ma n a l y s i si n s t r u m e n t ，s e m ，m e t a l l u r g i c a la n a l y s i s m e t h o da n dt h e r m o s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw e r ee m p l o y e dt oe x a m i n et h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs t e e lp l a t e ，m i c r o s t r u c t u r eo fs u r f a c ec r a c k ，t y p eo f i n c l u s i o ni nc r a c k 、r a n go ft h et h i r db r i t t l ez o n e ，g l e e b l e - 2 0 0 0t h e r m o - s i m u l a t i o nt e s t i n gm a c h i n ew e r ea l s ou s e dt os i m u l a t et h ew h o l ec a u s eo fc a s t i n g - h e a t i n g r o l l i n go fc o r r e l a t i v es t e e l ，t h e nu s e dt e m t od e t e c tt h ep r e c i p i t a t i o n a n dr e d i s s o l v eo fc a r b o n i t r i d eu n d e rd i f f e r e n tt h e r m o lh i s t o r yc o n d i t i o n s ，a s w e l la se d x a n a l y s i s t h r o u g ht h ea b o v ee x p e r i m e n tr e s u l tc o n t r a s t i n gt h e a c t u a lp r o c e s s i n gc o n d i t i o n ，t h ep r i m a r yf o r m i n gr e a s o no fs u r f a c ec r a c kw a s f o u n d ，s i m u l t a n e i t yi m p r o v e di np r a c t i c e t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r eg i v e nt h r o u g ht h es t u d yo ns u f a c ec r a c ka n d p r o c e s s i n gp r a c t i c eo fe n e r g ys t e e l ： ( 1 ) t h ec a r b o nc o n t e n to ft h es t e e lp l a t eo c c u r r e ds u r f a c ec r a c kw a si nt h e r a n g eo fp e r i t e c t i cr e a c t i o n ，a n dm o s ts u r f a c ec r a c k sw e r eo nl o wa l l o ys t e e l ， e s p e c i a l l ym i c r o a l l o y i n gl o wa l l o ys t e e lw i t hn ba n d t ie l e m e n t t h es u r f a c e c r a c k so ns t e e lp l a t ew e r en e i t h e ro c c u r r e db yt h eo v e r - c o n t e n to fs n ，c u ，a s e l e m e n ti nb a s a l ，n o ro c c u r r e dd u r i n gt h ep r o c e s so fr o l l i n g ，b u tf o r m i n gf r o m t h eo r i g i n a lc r a c kg r o w t ho nc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b v o l u m e t r i cs h r i n k a g e i n d u c e db yp e r i t e c t i cr e a c t i o n ，i n c l u s i o ni n s i d et h es t e e la n dt h ep r e c i p i t a t i o n o fc a r b o n i t r i d ed u r i n gt h ep r o c e s so fh o tc h a r g i n gw e r et h em a i nr e a s o n s i n d u c i n gs u r f a c ec r a c k s ( 2 ) c o n t r o l l i n gl i q u i ds u r f a c ew a v i n ga tt h et i m el fr e f i n i n g ，c h a n g i n g t u n d i s ha n de m b e d d i n gn o z z l e ，r e d u c i n gt h ep r o b a b i l i t yo fs l a g e n t r a p m e n t ； c o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r eo fs t r a i g h t e n i n gi no r d e rt oa v o i dt h et h i r db r i t t l e z o n e ；c o t r o l i i n gt h eh o tc h a r g i n gt e m p e r a t u r e ，h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n d h e a t i n gt i m eo fc a s t i n gs l a b ，t h e na v o i d i n gt h ef a s t i g i u m o fc a r b o n i t r i d e p r e c i p i t a t i n ga n dt r a n s f o r m ，m a k i n gc a r b o n i t r i d e r e d i s s o l v e df u l l y ，t h r o u g h t h ea b o v em e a s u r e st h es u r f a c ec r a c k sw e r er e d u c e de f f e c t i v e l y t h er e a s o nf o r m i n gs u r f a c ec r a c k so ne n e r g ys t e e lp l a t ei nj i g a n gw a s i i a n a l y z e di nt h i sp a p e r ，a l s ot h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sw e r ep r o p o s e da n d a p p l i e di na c t u a lp r o c e s s i n g ，o b t a i n e dg o o de f f e c t k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g s l a b ，s u r f a c ec r a c k s ，t h e r m o lh i s t o r y , i n c l u s i o n ，c a r b o n i t r i d e i l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得辽宁科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丑盈导师签名：丝! ! 仝! 日期：巡t f 1 1 引言 1 绪论 中厚板是重要的钢材品种之一，是国民经济发展中造船、锅炉、石油、 化工、工程机械和国防建设等行业所需的重要材料。近几年来，我国中厚 板的生产规模有了大幅度的增长，中厚板的实际产生已经超过了1 5 0 0 万 吨川。我国中厚板的产量与钢产量一样居世界首位。在中厚板规模大幅提 高的同时，新建的中厚板厂从工艺布置、技术水平、生产装备等方面来看， 都达到了国际先进水平；建厂较早的中厚板厂也基本完成了工艺线理顺、 设备改造和技术升级，从而使我国的中厚板产量和质量得到了同步提升， 满足了用户对产品质量和用途日益提高的要求，拓宽了中厚板的应用领域 和范围，已成为热轧钢材中产量增长最快的产品”1 。 随着中厚板品种的增多、应用领域和范围的扩大、生产技术水平的不 断提高，中厚板在钢材中的生产比重呈上升趋势t3 。用户在注重中厚板性 能提高的同时，也更加关注钢板的质量，品种与实物质量越来越引起各冶 金同行的重视。现在大部分中厚板生产企业新建生产线或经过技术升级，、 使得实物质量有所提高1 4 | 。但是由于受铸坯质量、轧制压缩比不足、生产 工艺等问题困扰，厚板和特厚板仍然不同程度的存在质量缺陷，主要表现 在表面质量缺陷和内部缺陷。用于电力、石油、化工、煤矿机械等领域的 钢板，对钢的表面和内部质量有很高的要求，各厂家都在进行这方面的研 究。表面质量缺陷主要表现形式有：裂纹、结疤、折叠、麻点等；内部缺 陷主要有：内部裂纹、疏松、分层、偏析、气孔、夹杂物等。济钢中厚板 的表面典型缺陷类型表现形式主要为表面裂纹、结疤等，其中以表面裂纹 居多，而中厚板表面的裂纹种类又非常多，根据裂纹的表现形状不同可分 为：纵裂、横裂纹、网状裂纹、星裂等。钢板表面和内部的各种缺陷率居 高不下，严重影响了合格率和经济效益，特别是品种开发和生产过程中， 质量问题越来越突出，必须从根本上加以研究、分析和解决。 1 2 中厚板表面缺陷的相关概述 表面裂纹是在钢板表面上形成具有一定深度和长度，一条或多条长短 不一、宽窄不等、深浅不同、形状各异的条形缝隙或裂缝。从横截面观察， 辽宁科技大学硕士论文 1 绪论 一般裂纹都有尖端的根部，具有一定的深度并且与表面垂直，周边有严重 的脱碳现象和非金属夹杂。裂纹破坏了钢板的力学性能的连续性，是对钢 板危害很大的缺陷。本节将从以下三个方面介绍与中厚板表面缺陷的产生 相关的影响因素。 1 2 1 微合金化与中厚板表面裂纹 微合金化技术是2 0 世纪7 0 年代在国际冶金界出现的新型冶金学科， 微合金化钢是采用现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品。它是在普通 的低碳c - m n 钢中添加微量( 通常是小于o 0 1 ) 的强碳氮化合物形成元素 ( 如：铌、钒、钛等) 进行合金化，通过高纯洁度的冶炼工艺( 脱气、脱 硫及夹杂物形态控制) 炼钢，在加工过程中施以控制轧制、控制冷却等工 艺，通过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉淀强化的物理冶金过程，在热轧 状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成型性能等最佳机械性 能配合的工程结构材料一微合金化钢。 微合金化钢属于低合金高强度钢范畴，或叫做微合金化低合金高强度 钢，是新型的低合金高强度钢。微合金钢具有以下属性： ( 1 ) 在低含c 量和超低含c 量下，具有良好的冷热成型性和焊接性。 ( 2 ) 介于合金钢和非合金钢之间，添加少量( 一般含量耋0 0 1 ) 的c 、n 化合物形成元素n b 、v 、t i 、a l 、b 等，并以晶粒细化和析出强化为钢的 主要强韧强化机制。 ( 3 ) 钢的屈服强度不低于2 7 5 m p a 。 ( 4 ) 在非热处理状态( 控制轧制、控制冷却) 下使用。 从广泛意义上讲，微合金化元素有n b 、v 、t i 、a i 、b ，z r 、t a 等， 微合金化元素与钢中的c 、n 、0 及s 等元素可形成多种化合物，从而对钢 的性能产生多种影响。但是能生成c 、n 化合物并有析出强化作用的只有 n b 、v 、t i 、z r 、t a ，使钢得以强化的主要机理是晶粒细化和析出强化。 钢的微合金化技术现在正被用于更加广泛的领域，如中碳非调质钢、钢筋 钢、高碳轨钢、耐热工具钢、不锈钢等”1 。 大力开发和生产微合金钢，最大的技术障碍是以表面横裂纹为主的连 铸裂纹倾向。在连铸产品的各项缺陷中，横向表面裂纹受合金元素的影响 较大。0 0 1 的铌就会促成裂纹的出现1 。据信，横向裂纹形成于结晶器， 随后在连铸过程中，特别是矫直过程中扩张。微合金钢在某一温度范围内， 2 辽宁科技大学硕士论文 i 绪论 显示出较低的延展率，当在低延展率区间进行矫直时，就会产生裂纹。铌 在深化延展槽，并使其向高温区域扩展方面影响显著。铌的这一特点要归 因于碳氮化铌的析出。铌的沉积促成低延展的失效，并延迟了再结晶过程。 钒对热延展性的影响不那么显著，仅在钢中钒、氮含量较高的情况下，其 延展性才接近含铌钢的水平。向含铌钢中添加钒，可通过使析出相租化稍 微改善延展性。钛对热延展性的影响较复杂，到目前还不完全为人们所知 i7 l o 钢的微合金化可以使低塑性区上移或下移。主要原因是a i n 、n b ( c n ) 在奥氏体晶界的析出增大钢的脆性。裂纹与振痕一致，增加了产生横裂纹 的危险性。也有许多研究指出n b ( c n ) 在铁索体基体上的沉淀以及杂质在 晶界的富集等也促进裂纹的形成倾向。国外的经验还表明，裂纹的形成率 与钢中【a i 】【n 】乘积有密切关系。 北京科技大学的王新华等人对宝钢公司含n b 、v 、t i 钢连铸坯的高温 延塑性进行了研究。结果表明在温度降低到9 5 0 以下后，各种钢的r a 值开始减小，进入了通常所称钢的第1 i i 脆性温度区，在这一区间，连铸坯 在各种应力的作用下，表面很容易产生裂纹等缺陷。前原泰裕等”在讨 论连铸坯表面缺陷产生机构时提出，含n b 、v 、t i 钢在低温奥氏体区产生 脆化的机构如图1 7 所示：a 在晶界上有较为粗大的析出物存在，在基体 上则有呈弥散的析出物，在晶界和基体之间为无析出区( p f z ) ；b 基体 由于弥散析出而强化，所以在应力的作用下产生的应力集中于较软的无析 出区，晶界上的析出物破坏了变形的连续性，成为微细空穴的形成源，从 而产生很多的空穴；c 在应力的作用下，以晶界析出物为形成源的空穴 开始长大、合并便造成了沿晶界变形的沿晶断裂。当奥氏体晶粒粗大时， 晶界的面积就相对较少，则造成的应力集中就大，就会加剧空穴的形成、 长大，所以也就会加剧晶界脆化。当晶界上析出物数量多、分布弥散时， 脆化就会更加严重，在变形极少甚至不产生塑性变形就会造成了裂开。当 晶界上的析出物少时，减少了造成晶界薄弱的因素，则会提高高温塑性们。 一加血m 晶界暂i 出馏 图1 1 含n b 、v 、t i 钢在低温奥氏体区晶界脆化机构示意图 f i g 1 1 g r a i nb o u n d a r ye m b r i t t l e m e n to r g a no fs t e e lw i t hn b 、v 、t ii ns e c t i o no f l o wt e m p e r a t u r ea u s t e n i t e 1 2 2 非金属夹杂物与中厚板表面裂纹 非金属夹杂物作为独立相存在于钢中，破坏了钢基体的连续性，加大 了钢中组织的不均匀性，严重影响了钢的各种性能。例如，非金属夹杂物 导致应力集中，引起疲劳断裂1 - 1 3 1 数量多且分布不均匀的夹杂物会明 显降低钢的塑性、韧性、焊接性以及耐腐蚀性：钢中呈网状存在的硫化物 会造成热脆性。非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同，对 钢的性能影响也不同。所以提高金属材料的质量，生产出洁净钢，或控制 非金属夹杂物性质和要求的形态，是冶炼和铸锭过程中的一个艰巨任务。 1 钢中非金属夹杂物的来源分类 ( 1 ) 内生夹杂物 钢在冶炼过程中，脱氧反应会产生氧化物和硅酸盐等产物，若在钢液 凝固前未浮出，将留在钢中。溶解在钢液中的氧、硫、氮等杂质元素在降 温和凝固时由于溶解度的降低，与其它元素结合以化合物形式从液相或 固体中析出，最后留在钢锭中，它是金属在冶炼过程中，各种物理化学反 应形成的夹杂物1 4 - 1 9 1 所以叫内生夹杂物。 内生夹杂物分布比较均匀，颗粒也较小，正确的操作和合理的工艺措施可 以减少其数量和改变其成分、大小和分布情况，但般来说是不可避免的。 ( 2 ) 外来夹杂物 钢在冶炼浇注过程中悬浮在钢液表面的炉渣、或由炼钢炉、出钢槽和 钢包等内壁剥落的耐火材料或其它夹杂物在钢液凝固前未及时清除而留 于钢中，叫做外来夹杂。它是在金属冶炼过程中与外界物质接触发生作用 4 辽宁科技大学硕士论文1 绪论 产生的夹杂物1 4 - 1 9 ) 。如炉料表面的砂土和炉衬等与金属液作用，形成熔 渣而滞留在金属中，其中也包括加入的溶剂。这类夹杂物一般的特征是外 形不规则，尺寸比较大，分布也没规律，又称为粗夹杂。这类夹杂物通过 正确的操作是可以避免的。 2 钢中非金属夹杂物按化学成分分类 钢中非金属夹杂物按化学成分详细分类见图1 8 ，主要分为三大类： 图1 ，2 钢中非金属夹杂按照化学成分分类图 f i g 1 2c l a s s i f i c a t i o nb yc h e m i c a lc o n s t i t u e n to f n o n m e t a li n c l u s i o ni n s i d es t e e l ( 1 ) 氧化物系夹杂 简单氧化物有f e o 、f e 2 0 3 、m n o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、m g o 和c u 2 0 等。 在铸钢中，当用硅铁和铝进行脱氧时，s i 0 2 和a 1 2 0 3 夹杂比较常见。a 1 2 0 3 在钢中常常以球形聚集呈颗粒状成串分布。复杂氧化物，包括尖晶石类夹 杂物和各种钙的铝酸盐等”0 1 。硅酸盐夹杂也属于复杂氧化物夹杂，这类 夹杂2 1 有2 f e o s i 0 2 ( 铁硅酸盐) 、2m n o s i 0 2 ( 锰硅酸盐) 和c a o s i 0 2 ( 钙硅酸盐) 等”。这类夹杂物在钢的凝固过程中，由于冷却速度较快， 某些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃态的形式保存于钢 中。 ( 2 ) 硫化物系夹杂 主要是f e s 、m n s 和c a s 等。由于低熔点的f e s 易形成热脆，所以一般均 要求钢中要含有一定量的锰，使硫与锰形成熔点较高的m n s 而消除f e s 的危 害。因此钢中硫化物夹杂主要是m n s ”。 铸态钢中硫化物夹杂的形态通常分为三类t2 2 1 形态为球形，这种夹 杂物通常出现在用硅铁脱氧或脱氧不完全的钢中；在光学显微镜下观察 辽宁科技大学硕士论文1 绪论 呈链状的极细的针状夹杂：呈块状，外形不规则，在过量铝脱氧时出现。 ( 3 ) 氮化物夹杂 当钢中加入与氮亲和力较大的元素时形成a 1 n 、t i n 、z r n 和v n 等氮化 物。在出钢和浇铸过程中钢液与空气接触，氮化物的数量显著增加。 3 按夹杂物的塑性变形能力分类 ( 1 ) 脆性夹杂物。热加工时该类夹杂物形状和尺寸都不变化，但可能沿 加工方向成串排列或呈点链状，属于这类夹杂物的有a 1 2 0 3 和c r 2 0 3 1 。 ( 2 ) 塑性夹杂物。热变形时该类夹杂物具有良好的塑性，沿变形方向延 伸成条带状。属于这类的有硫化物及s i 0 2 含量较低( 4 0 6 0 ) 的铁锰 硅酸盐。 ( 3 ) 球状不变形夹杂物。铸态呈球状，热加工后保持球状不变，如s i 0 2 及含s i 0 2 较高( 7 0 ) 的硅酸盐等。 ( 4 ) 半塑性夹杂物。指各种复相的铝硅酸盐夹杂。基体铝硅酸盐有塑性， 热加工时将产生塑性变形，但是其中包含着的析出相如氧化铝等是脆性 的，加工时仍保持原状或只是拉开距离。 4 非金属夹杂物与裂纹的形成 夹杂物往往被视为显微裂纹的发源地，在疲劳裂纹和塑性加工中生成 的裂纹也往往与夹杂物存在有密切的关系，这是由于比较容易变形的金属 在难以变形的夹杂物周围塑性流动时，产生很大的张力而使金属和夹杂物 界面的联结断裂，形成空隙。另一种情况是由于夹杂物周围的应力而使夹 杂物破碎产生空隙2 5 - 2 7 | o 材料从屈服到断裂的过程可以认为是夹杂物导 致裂纹萌生和裂纹长大变宽的过程。 1 2 3 热履历对表面裂纹的影响 不同类型的热送热装工艺改变了连铸坯在装炉、轧制前的热履历。而 连铸坯热履历的变化，又会影响到轧制过程中产品的质量。钢铁企业应该 从金属学的角度研究连铸坯不同热履历对奥氏体晶粒度和微合金元素析 出行为的影响，以及“热脆”现象的形成机理，并结合各公司实际生产的 主要钢种制定不同装炉情况下的加热制度，在保证成品质量的前提下，不 仅能降低煤气消耗、提高金属收得率，还可以使轧制能力得到进一步提高。 ( 1 ) 热送( 红送) 热装技术概况 连铸是对传统模铸工艺的革命，在高产、优质低耗和自动化等方面较 6 辽宁科技大学硕士论文绪论 模铸有着无可比拟的优越性。近十几年来，连铸技术、工艺和设备都得到 了迅速的发展。围绕提高铸坯质量、节约能源、提高铸机的生产率和降低 设备投资等方面开发了不少新技术、新工艺和新设备，连铸热送热装工艺 就是其中重要的一项28 2 9 1 。 连铸热送热装工艺是连铸技术的一项重大突破，它不仪对节能有着非 常重要的意义，而且对传统工业结构的改革有着深远的意义，可以取得节 能、降耗和高产等综合经济效益。1 9 5 8 年美国的麦克劳斯钢铁公司将连铸 坯装入感应加热炉，从而迈出了热装技术的第一步。连铸热送热装就是将 钢水连铸成铸坯，在高温状态下，由炼钢厂运送到轧钢厂，直接装入加热 炉，然后轧制成材。铸坯的显热得到充分的利用，能够显著的降低加热炉 的燃耗，同时可以减少加热时间、改善加热质量，提高轧制生产率和产品 质量。与传统的冷送冷装工艺相比，可以显著降低氧化铁皮损耗，提高金 属收得率3 0 - 3 2 1 。 ( 2 ) 红送裂纹的产生机理 产生红送裂纹的本质原因是钢的热脆性，是a f 两相转变和大量n b 、 t i 的碳氮化物以及少量的a 1 n 等夹杂物在奥氏体晶界上析出共同作用所引 起的。n b 、t i 的碳氮化物在7 0 0 8 5 0 范围内析出速度最大，这个温度 区间和钢在冷却时a f 两相区转变临界温度a r l a r 3 范围基本一致。因 此热送的过程，当连铸坯表层温度降到a r 3 时开始奥氏体向铁素体的转变， 伴随着相变过程，大约有1 的体积膨胀，因而沿奥氏体晶界产生法向应力， 引起原始奥氏体晶界上铁素体的内应力集中；此时碳氮化物也开始沿奥氏 体晶界析出，使晶界强度弱化。所以，当热应力与组织应力矢量一致时， 其总应力( 拉应力) 超过晶界强度，便会导致铸坯产生裂纹。热送裂纹常 出现在连铸坯皮下，轧制时就会扩展形成表面裂纹13 3 - 3 8 1 。 辽宁科技大学硕士论文2 现状分析及论文确定的研究方案 2 中厚板表面裂纹的现状分析及研究方案 近些年，国内很多使用连铸板坯轧制中厚板的钢铁企业都曾出现过严 重的钢板表面裂纹，而且，表面裂纹的出现往往多发于低合金化、微合金 化钢板。1 9 9 5 年前后，宝钢含n b 、v 、t i 微合金化合金钢铸坯出现严重的 角部横裂纹，高峰时裂纹指数达到1 9 2 。1 9 9 7 年卜7 月，武钢轧板厂中 厚板连续产生“相当量”的表面裂纹，最高月份达1 3 7 6 ，“大批产品表 面清理和降级处理，严重影响了公司生产的正常进行，造成了很大的经济 损失”。1 9 9 6 年初舞钢连铸牛产2 5 炉1 6 m n r ，轧制3 8 4 2 钢板，裂纹废品 率2 7 7 7 9 。1 9 9 5 年9 月，鞍钢厚板厂生产1 9 炉船板钢，投料1 4 8 0 4 1 5 吨，裂纹废品2 9 7 8 3 9 吨，废品率2 0 1 2 ，占废品总量的8 1 2 7 。 2 1 国内外技术现状及发展趋势 中厚板常用于锅炉、造船、石油、天然气输送管线、高压容器等，要 求钢不但要有好的强度、韧性，而且要求焊接性、冲压性，重要的还要求 进行超声波探伤合格率。这种钢种除需合理设计钢的化学成分外，还要求 在冶炼、连铸过程中严格控制钢内气体( 如h 2 、n 2 ) 含量，夹杂物类型和 含量，以及冶炼、炉外精炼、连铸、加热、轧制、冷却以及热处理工艺过 程。 上述钢种在生产过程中产生的各种裂纹( 纵裂、横裂、三角区裂纹、 中心横裂、网状裂纹、星状裂纹等) 原因不同，裂纹形态不同，危害程度 不同，解决裂纹缺陷问题需要细致诊断，并找出解决措施。 裂纹产生的根本原因在于产生裂纹源处的应力，超过了该处、该工况 条件下钢的强度极限，而裂纹源往往是气泡、夹杂、晶界脆性相、严重偏 析、疏松、缩孔，钢在整个生产工艺过程中要受到相变应力、温度应力、 鼓肚应力、拉坯应力、矫直应力、轧制应力等诸多应力作用3 9 - 4 2 1 而钢 的强度则受到c 、m n 、s i 、p 、s 以及其他合金元素和变形温度、变形程 度、变形速率的影响，以及p b 、s n 、c u 、a s 等残余元素的影响和钢中碳、 氮化物( 如a i n 、n b ( c n ) 、v ( c n ) 、t i ( c n ) ) 等析出形态的影响，因此为 了保证钢的性能，防止裂纹产生，必须从钢的成分设计及控制开始，并采 用炉外精炼等手段，严格控制钢中气体和夹杂。在连铸过程中，则要求严 格控制钢水过热度、拉速、二冷配水、防止液面波动和选用合适的保护渣， 辽宁f g - 技大学硕士论趸 2 现状分析及论疋确定的研究方案 并实施保护浇铸1 4 3 1 。在加热、轧制、轧后冷却过程中则要控制加热温度、 加热速度、加热时间、轧制方式和制定合理的压下规程，控制轧后的冷却 速度。 此外，各种钢种中，包晶钢非常容易产生裂纹。这种钢种含碳量正好 在铁碳相图的包晶范围内，包晶钢在凝固过程中发牛包晶反应( 即在高温 区有6 一t 相的转变) 如图2 1 所示：在两相区内( 6 + l i q u i d ) ，温度降低， 6 一f e 和残余铁液中的碳含量将增加。在包晶反应温度( 1 4 9 9 ) ，含碳量 0 1 的6 一f e 同含碳量0 5 2 的铁液反应形成含碳0 1 6 的t f e 。x r a y 衍射数据表明：含碳量为0 1 的6 一f e 的密度为7 8 9 9 c m 3 ；含碳 量为0 1 6 的y f e 密度为8 2 6g c m 3 。因此5 相转变为y 相将伴随着 4 7 的体积收缩。因此包晶钢极易在连铸过程中发生结晶器漏钢事故和 铸坯表面质量缺陷一裂纹源，因此目前国内外大多采用避开包晶钢含碳量 的范围，用降碳增锰的方法来保证钢的强度而避开裂纹敏感区，另外还用 n b 、v 、t i 微合金化加控轧控冷的方法来提高钢的强韧性“4 5 1 。 m a s s ( c ) 图2 1 包晶反应相转变图 f i g 2 1t a n s f o r m a t i o no fp e r i t e c t i cr e a c t i o n 但是含n b 、v 、t i 的微合金钢在连铸结晶、凝固的过程中，要经过一 个钢中碳、氮化物集中析出区，如果a 1 n 、n b ( c n ) 等大量析出在奥氏体晶 粒晶界上，形成的是脆性相，不但不利于钢的强度的提高，反而易产生裂 纹，因此避开脆性析出区的方法有两种：一是采用“热行”，一种是“冷 行”。前者是在连铸机上采用弱冷和提高出坯温度的措施，使矫直和热装 辽宁科技大学硕士论文 2 现状分析及论文确定的研究方案 炉温度在碳、氮化物集中析出温度以上。后者是在连铸机上采用喷水强冷， 使矫直和热送温度降到碳、氮化物析出温度以下，然后采用缓慢加热和提 高加热温度、增加保温时间的办法，使碳氮化物重新回熔，防止在轧制应 力下产生开裂。两种方法不同，控制的手段和节能的效果也不同。防止碳、 氮化物大量析出的另一手段是控制钢中的碳含量、铝含量和氮含量，使其 在一定比例范围之内。对于残余元素的不利影响，则要严格控制由原料和 废钢带入的c u 、p b 、s n 、a s 等含量使其降至标准允许范围以下。 针对钢板生产过程中出现的典型表面缺陷，国内外许多中厚板牛产企 业和高校都结合各自的生产工艺进行了分析研究，由于各厂中厚板牛产线 的生产工艺不尽相同，因此得出的结论也是各不相同，但具有一定的借鉴 意义。 舞阳钢铁公司针对0 4 6 0 一z 3 5 高层建筑用钢板表面出现的裂纹缺陷， 采用光学、电子扫描显微镜和i n c a 能谱仪进行分析。结果表明，裂纹具 有沿钢板纵向延伸、多分布在板尾、偏向板边且深度很小的规律性，对缺 陷作定性分析发现含氧量很高，多数裂纹中夹带细小、脆性较大的氧化物 夹杂，裂纹根部三叉晶处富碳。产生缺陷的原因是在不平衡冷却条件下形 成的薄膜状富碳奥氏体及夹带的夹杂物，在热加工过程中因形变不均匀， 造成局部表面开裂。 太原钢铁公司：通过对比轧制试验和材料显微组织分析，认为造成中 厚钢板表面裂纹的原因是连铸板坯表面存在热应力裂纹。板坯表面裂纹不 是因铜富集造成的脆性开裂。 武汉钢铁公司与武汉科技大学合作对钢板表面纵裂纹的形成原因进 行了研究，他们通过原料因素、轧制方式、立轧规程、加热工艺等方面试 验，结论认为“裂纹均为原板坯上己存在的缺陷经加热轧制后演变的结果”， 与铸坯的原始缺陷有关。文章介绍钢板表面产生的一种搓板状裂纹。对裂 纹区域的宏、微观特征和相关的显微组织进行了检验分析，认为这种裂纹 的产生与钢板局部板面在奥氏体高温区经历急剧冷却而发生马氏体相变 有关，相变后的马氏体自回火组织具有较高的硬度、强度和较低的延塑性， 在进步轧制时产生横向拉裂。优化加热炉的工艺制度，控制炉内气氛、 加热速度和上下表面加热温度的均匀性以及保证裂纹敏感的钢坯以工艺 中下限温度加热，避免待轧降温是减少裂纹有效措施之一。另外，二辊轧 机采取高温段大压下、低温段小压下轧制，保证对中轧制，减小高向的梯形 变形量：控制和增加立轧道次。减小道次侧压量( 侧压量3 0 m m ) ，降低侧边 0 辽宁科技大学硕士论文 2 现状分析及论文确定的研究方案 隆起量，并在精轧阶段减小裂纹敏感钢在脆性温度区的道次压下量对抑 制裂纹的产生可起到有效作用。 五矿营口中板有限责任公司：在连铸坯轧制的钢板表面有沿轧制方向 的裂纹。采用化学成分分析，宏、微观检验等方法对裂纹进行了分析。结 果表明，裂纹中存在氧化物及其脱碳等缺陷，这说明连铸坯表面在轧制前 己存在裂纹并在轧前加热中裂纹内发生氧化和脱碳，导致轧制后的钢板表 面出现裂纹。 宝钢经分析认为边裂是影响宝钢厚板质量的一个重要因素。对厚板边 部的非连续弧形裂纹缺陷取样，进行金相分析，并对连铸板坯进行对比轧 制试验，证实钢板边裂是由连铸板坯角部横向裂纹引起。分析了影响板坯 角部横裂的结晶器保护渣、二冷水、结晶器、浇注速度等工艺因素。在此 基础上，提出了改善板坯角部横裂的有效措施，即改进保护渣性能、优化二 冷水水量分配、弱化结晶器冷却、稳定结晶器锥度和采用合适的浇注速度 等等。实施以上措施后，钢板边部裂纹大幅度减少。 安阳钢铁集团公司用光学显微镜和电子显微镜对中厚板轧后出现的 表面纵裂纹进行了观察和分析。发现钢板横截面上的裂纹都有向内扩展的 趋势，在裂纹面和裂纹周围都存在夹杂物，且夹杂物成分中有结晶器保护 渣的特有成分钠和钾：裂纹面上有大量气泡，沿轧制方向呈簇状分布。因此 认为，凡影响初生坯壳凝固均匀性的因素对纵裂纹的产生都有影响，其中 保护渣的性能和皮下气泡是钢材产生表面裂纹的主要原因。 韩国浦项钢铁公司认为加热工序温度过高、加热时间过长、合金元素 在晶界的富集是造成钢板表面出现裂纹等缺陷的主要原因。 2 2 现状调查 济钢中厚板厂于1 9 9 8 年2 月份投产，至2 0 0 4 年累计生产了钢板2 9 7 万吨左右。钢板综合成材率9 1 1 4 ，综合合格率9 9 8 6 。近几年来钢板 产量逐步上升，质量大幅度提高。品种不断增加。同时，济钢为了适应国 内外发展形势以及市场的不断扩大，对原有的设备进行了升级改造，改造 后的品种增加了如锅炉板、造船板、输油管道用钢材等。 济钢中厚板生产线与国内同行业企业相比，具有短流程、生产节奏快、 铸坯热装热送、效率高等特点，生产工艺具有鲜明的特点。也正因为如此， 国内外各项研究结果及其制定的许多工艺改进措施均很难适合济钢的实 辽宁科技大学硕士论文 2 现状分析及论又确定的研究方案 际生产条件。济钢三炼钢一中厚板生产线上出现的钢板质量问题，无法套 用其它生产线的研究成果，只能根据现场生产实践来进行具体分析和解 决。 济钢三炼钢一中厚板生产线的牛产工艺： 第三炼钢厂丰要设备有1 2 0 t 3 氧气顶底复吹转炉，1 2 0 t 3 l f 精炼 炉，一座1 2 0 t v d 真空炉，一台立弯式2 0 02 7 0 1 6 0 0 2 1 0 0 板坯连铸机； 主要生产2 7 0 1 6 0 0 m m 和2 7 0 2 1 0 0 m m 两个断面连铸坯。中厚板厂拥有 3 7 4 8 8 m 6 3 8 0 m 多段扼流连续推钢式加热炉两座，3 9 7 m 7 5 m 步进梁式 加热炉一座，3 2 0 0 m m 四辊可逆式粗轧机一座，最大轧制力7 0 0 0 吨国内单 位轧制力最大、精度最高的巾1 0 3 0 巾2 1 0 0 3 5 0 0 m m 四辊可逆精轧机一架， 两座1 6 0 0 0 m m 8 5 0 0 m m 长为7 4 0 0 0 m m 和6 6 0 0 0 m m 的常化炉。主要生产工艺 流程如图2 2 所示： 图2 2 济钢中厚板生产工艺流程图 f i g 2 2m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ef l o wc h a r to fm e d i u ma n dh e a v yp l a t ei nj i o a n g 为了对现场的实际生产工艺情况有更进一步的了解，2 0 0 6 年1 1 月份 对济钢三炼钢厚板厂进行了现场跟钢测试，跟钢过程中对冶炼、c a s 、l f 、 连铸、加热、轧制各工艺参数做了详细的记录，对各工艺环节的现象进行 了观察，对连铸出坯温度，装、出炉，开、终轧用红外测温仪进行了测试， 现对跟钢过程中的一些情况归纳如下： ( 1 ) 转炉顶底复吹，冶炼周期较短。从加废钢开始到出钢完毕，时间一 般在2 6 3 3 m i n 。钢的成分、温度控制较好。挡渣出钢效果较好，渣层薄。 ( 2 ) c a s 未起到多大的作用。罐底吹a r 流量较大( 1 0 2 1 0 4 l m i n ，3 1 ， 2 7 b a r ) 据说是为了加速合金化，但易造成卷渣和吸气，底吹a r 太强并不 适宜。此外，l f 泡沫渣选的不好，埋弧不好，降电极初期爆炸声比较明显， 容易使钢中n 、h 含量增加。 ( 3 ) 连铸换长水口、中间包比较迅速，开浇较好。但中间包盖有几个大 眼，密封不好，中包覆盖剂加的不够均匀，有的地方有，有的地方没有， 此外，如果加的不及时都容易造成钢水的二次氧化 ( 4 ) 拉速控制在1 0 5 1 1 m m i n 之间，钢温在1 5 6 5 c 1 5 3 5 c 之间( 开 铸一铸毕) ，换中包后开浇逐步升速比较平稳，埋入水口插入深度5 5 0 m m 左右，液面波动 2 0 ，裂纹大幅减少。 ( 5 ) 裂纹缺陷处和试样断口处的扫描能谱检测均发现局部s i 、c a 、a i 等元素含量异常，这是由于中间包、水口和包衬材料的溶损及脱氧带来的 夹杂物，其中最主要的是l f 精炼、换中包或埋入水口时液面波动较大造 成的卷渣所带来的此类夹杂物。 ( 6 ) 2 0 9 钢种的裂纹处还发现了c u 元素异常，c u 元素主要来源结晶器 壁，是产生星状裂纹的主要因素，所以应加强结晶器维护检查，防止结晶 器壁磨损，同时用镀c r 、n i 的方法来加强结晶器壁的耐磨性。 ( 7 ) 试样断口分析中工艺5 对应的材料塑性很好，断口处存在大量均 匀的韧窝。此外工艺l 对应的能谱分析发现了n b 、t i 元素的存在，说明 断口处存在n b 、t i 的碳氮化物，说明粗大的n b 、t i 碳氮化物也是促使裂 纹形成的一个原因。 辽宁科技大学硕士论支4 c n 化物分析及低温脆性研究 4c 、n 化物析出分析及第三脆性区研究 4 1c 、n 化物析出实验 上一章的断口分析中，图3 1 2 工艺】对应的夹杂物能谱分析中发现了 n b 、t i 元素存在，证明有( n b 、t i ) ( c 、n ) 存在，而后用扫描电镜和透射电 镜对裂纹处金相组织进行微观观察，发现钢的断口处为脆性断裂，断口上 有大量c 、n 化物存在，如图4 1 1 所示，证明控制连铸、加热、轧制过程 中c 、n 化物析出应是主攻方向。 图4 1 1 裂纹缺陷处透射电镜分析照片 f i g 4 1 1t e ma n a l y s i si nc r a c kd e f e c t 4 1 1c 、n 化物析出实验方法 试样取自q 3 7 0 q e 钢板，然后加工成l o 1 2 5 r a m 的圆柱型试样，试样 两端各有1 5 m m 长的螺纹。试验在g l e e b l e 系列热力模拟试验机上，采用 高温拉伸的试验方法模拟连铸一热装轧制过程，之后用透射电镜观察析出 物的形态及分布，并根据钢种的成分来判别析出物的类型。首先制备复型 样品：试样抛光；利用4 的硝酸酒精溶液腐蚀4 0 s ( 在制备萃取复型的过 程中，样品电解腐蚀的深浅对萃取析出物及以后对析出物的分析结果有很 大的影响，因此必须严格控制时间) ，并用酒精及蒸馏水清洗；在喷碳仪 中喷一层厚2 0 0 n m 的碳膜；将碳膜划成2 m m x 2 m m 的网格，用l o 的硝酸 甲醇剥离；将剥离下来的含析出物的碳膜放在蒸馏水中漂洗，用铜网捞取， 辽宁科技大学硕士论文4 c n 化物分析及低温睫性研究 晾干后放在透射电镜中观察。 热模拟实验方案设计及实验曲线： 实验方案设计为两种，分别如下： ( 1 ) 首先以3 0 s 的加热速度把试样加热到1 3 9 0 致试样中部约有 l5 m m 的熔化区，保温1 0 s ，再以5 s 的冷却速度冷却到9 0 0 ，然 后以3 0 s 的速度升温致1 1 0 0 保温5 m i n ，随后以1 s 冷却至装炉 温度t 1 ，再以3 0 s 加热至设定的加热温度1 2 5 0 保温mr a i n ，然 后以l