（材料加工工程专业论文）中厚板分层形成机制分析研究.pdf

东北太学硕士学位论文摘要 摘要 中厚板分层是中厚板轧制过程中最常见的缺陷，它造成厚度方向力学性能相 比较轧向性能，其塑性、韧性严重恶化，导致钢板的冲击韧性，抗疲劳能力变弱， 易发生层状撕裂，使钢板的切损增加、改判量上升。本文在查阅相关文献的基础 上，对当前有关中厚板分层的研究情况进行了介绍和综述；通过对钢板分层产生 机理的研究，为工业生产实际中防范分层缺陷提供了依据和指导。 本文对轧制后的钢板进行探伤，依照探伤图谱，对分层缺陷严重的部位进行 取样，用光学显微镜分析其金相组织，用扫描电镜对缺陷部位进行形态分析和成 分分析，确定了钢板分层由边缘向钢板本体扩散和渗透的范围和分布状况图谱， 初步得到钢板产生分层的原因。 轧后分层部位的缺陷组织主要为沿轧向分布的铁素体带，在其内部大量分布 着条状或片状硫化物( 主要为m n s ) ，它们沿轧向分布，是中厚板分层产生的主要 原因。控制分层产生的最小硫含量约为0 0 2 ，临界硫化物尺寸约为5 9 i n 。 通过计算机有限元模拟的方法，分析了塑性夹杂物和裂纹、缩孔等缺陷在轧 制中的变形规律，从理论上进一步丰富了实验的结果。在轧铡过程中，采用大压 下量，提高应力应变的渗透率，使铸坯中产生的缺陷尽可能地焊合，可以有效地 减少分层缺陷的产生。 关键词：中厚板；分层；有限元；夹杂物；内部缺陷 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a t el a m i n a t ei st h em o s tp o p u l a rd e f e c t si nm e d i u mp l a t er o l l i n gp r o c e s s i t d e t e r i o r a t e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd u c t i l i t ya n dp l a s t i c i t yi nt h ed i r e c t i o no f t h i c k n e s sg r e a t l y i ta l s oc a l lr e d u c et h ei m p a c te n e r g ya n dw e a k e nt h er e s i s tf a t i g u e a b i l i t y i ti st h em a i nc a u s eo f t h el a m e l l a rt e a r i n g a c c o r d i n gt h es t u d yo f t h el a m i n a t e i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z et h eb a s i cm e c h a n i c so ft h e s ed e f e c t s w eh o p et h es t u d yc a l l g i v et h ed i r e c t i o na n dg u i d eo f t h ei n d u s t r yp r o d u c t sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo f m e d i u m p l a t e i nt h i sp a p e rw ei n t r o d u c e da n do v e r v i e w e dt h es t u d yo f p l a t el a m i n a t e1 r u d e ri o t s o f d o c u m e n t s w ed e t e c t e dt h ep l a t ea f t e rr o l l i n ga n dg o tt h et e s ts a m p l ef r o mt h es e v e r i t yd e f e c t p l a c ea c c o r d i n gt h ed e f e c tg r a m m i c r o s t r u c t u r e sw e r ea n a l y z e db yt h el i g h tm i c r o s c o p e a n da l s ow et a k em o r p h o l o g i c a la n a l y s i sa n dc o m p o s i t i o na n a l y s i sb ys t e r e o s c a n t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，w ec o n f i r m e dt h es c o p eo ft h ep l a t el a m i n a t ed i f f u s i o na n d p e r m e a t i o nf r o mt h es t e e lb a s i ct ot h ee d g eo f t h ed e f e c ta n dg o tt h ed i s t r i b u t i o ng r a mo f t h ed e f e c t w ep r e l i m i n a r yg e tt h ec a u s eo f t h ep l a t es t e e la f t e rt h ee x p e r i m e n t t h e r ea r es om a n yf e r r i t eb a n d sa l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o ni nt h el a m i n a t ea r e a i n t h ed e f e c tm i c r o s t r u c 札t r ei td i s t r i b u t e sa l lk i n d so fs u l f i d e sl i k es t r i po rc h i p t h e ya l l s t r e t c h e da l o n gr o l l i n gd i r e c t i o na n dt h e ya r et h em a i nc a u s eo ft h ep l a t el a m i n a t e t h e m i n o rc o n t e n d so fs u l f f t rt oc o n t r o ll a m i n a t ed e f e c ti sa b o u t0 0 2 a n dt h ec r i t i c a i d i m e n s i o no f s u l f i d e si sa b o u t5 9 m u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w es i m u l a t e dt h ed e f o r m a t i o np r o c e s si nt h e c o m p u t e ra n df i n a l l yg o tt h ed e f o r m a t i o nr u l e so ft h ed e f e c t ，s u c ha sp l a s t i ci n c l u s i o n ， c r a c ka n dp o r e ，i nt h ep r o c e s so fh o tr o l l i n g i tf h r t h e ra b o u n d e dt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sf r o mt h e o r y u s i n gh e a v yr o l l i n gp r o c e s s ，f r o ms i m u l a t i o ni tc a r lb ef o u n d m a tt h ed e f e c t so fb i l l e tc a l lb ew e l jw e l d e db e c a u s eo ft h er a t eo fs t r a i ns t r e s s p e r m e a t i o ni n c r e a s i n gg r e a t l yi nt h ep r o c e s so fr o l l i n g t h em e t h o dc a ne f f i c i e n t l y r e d u c et h ed e f e c t so f p l a t el a m i n a t e k e yw o r d s ：m e d i u mp l a t e ；l a m i n a t e ；f i n i t ee l e m e n t ；i n c l u s i o n ；i n t e r i o rd e f e c t 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：文啤乞 日期：伽一i o 讲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导老师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 学位论文作者签名：导师签名： 签名日期：签名日期 东北大学硕士学位论文 第一章综连 1 1 中厚板生产概述 第一章综述 1 1 1 国内外中厚板生产情况 中厚板主要用于船舰、桥梁、锅炉、容器、石油化工、工程机械及困防建设 等方面，在国民经济发展中具有非常重要的地位，对促进国民经济发展发挥着重 要作用。其品种繁多，使用温度区域较广( 2 0 0 。c 6 0 0 ) ，使用环境复杂，使用 要求高。对中厚板最重要的性能要求为：抗拉强度、冲击韧性、焊接性、抗大气 和海水的腐蚀性能等，对于海洋和石油管线用钢要求抗层状撕裂、抗氧脆裂纹和 低温冲击韧性等。再加上由于中厚板的压缩比相对于薄板坯轧制来说较低，疏松、 裂纹等铸坯内部缺陷不容易焊合，这些便要求连铸坯成分偏析小、无内裂纹、无 中心疏松和缩孔，脆性夹杂物和硫化物夹杂含量低等。 近几年来，国内外中厚板生产技术均有了长足的进步。国内中厚板生产技术 的进步主要体现在： ( 1 ) 连铸板坯迅速增加，厚板连铸比已占绝对优势，钢锭与初轧板坯被淘汰， 且钢的纯净度大大提高，钢材表面质量光洁，清理量很少；( 2 ) 加热炉采用了步 进梁式，并使用出钢机，实现了热装热送操作，使热装率 4 0 ；( 3 ) 轧机加大， 刚度增加，主传动容量扩大，适应了控轧弓板形控制的要求，并完善了h a g c 装置和板形控制装置，成材率显著提高；( 4 ) 已普遍采用快冷装置，并与t m c p 相结合，已成为一项必需的设备：( 5 ) 采用附设立辊轧机的生产j 一家越来越多， 该轧机在平面板形控制过程中可减少切边量；( 6 ) 实行控轧控冷，使热矫氲机 能力加强，并采用组合式矫直机，使矫直范围扩大；( 7 ) 冷床采用步进格板式和 辊盘式，使钢板下表面划伤减少；( 8 ) 已开始积极采纳超声波探伤法检查钢板内 部缺陷；( 9 ) 采用剪切线用滚切式双边剪和定尺剪，不但剪切质量好，且生产率 高，满足了轧机能力的要求；( 1 0 ) 成品钢板的喷字、打印、贴标等， j 作已取消 了人工操作；f 1n 取样与废边收集、钢板检验及成品仓库。 从上述分析可见，国内外中厚板生产技术j 下逐年完善，且有很大的进步。但 就中厚板国内生产的质量方面还存在很多问题，这其中包括： 1 ) 外观质量差，主要是尺寸偏差大和板形不良。厚度偏差一般达o 2 5 一一 东北大学硕士学位论文第一章综述 ( ) 5 r a m ，宽度偏差一般达4 0 5 0 m m ，长度偏差最大达5 0 m m ，不平度一般达10 4 0 m m m 。2 ) 内在质量低。与国外同钢号同规格钢板相比，我国中厚板的强度 般低3 0 5 0 m p a ，且波动范围大，性能不稳定。另外，钢质不纯，硫、磷、氢 含量高，波动范围大，夹杂多、结晶不良，经常出现钢板的分层、夹杂、气泡、 自点、内裂、偏析等内部缺陷，造成钢板的废品率高，成材率低1 1 2 j 。 1 1 2 中厚板生产工艺流程 现代钢铁工业中厚板生产一般分三步进行：第一步，在氧气转炉或电弧炉中 进行冶炼；第：二步，在钢包精炼炉中精炼，对钢的温度和成分进行调整；第三步， 庄连铸机上浇注成连铸坯，并在轧机上c l n 连铸坯为成品钢材。 济钢中板厂经过技术改造后，其主要工艺流程如图1 1 所示，形成铁水预处 理一项底复吹转炉一精炼真空处理一大扳坯连铸一中厚板轧制的紧凑式布置优 化工艺，可实现连铸坯直接热装加热炉，达到节能降耗的目的。 一+ 回一圃一 _ + 臣垂亟丑一区困一匝叠囫 + 图1 1 济钢中厚板主要【艺流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to f p r o d u c tp l a t ei nj i g a n g 2 东北大学硕士学位论文 第一章综述 由于中厚板坯料尺寸范围小而轧制成品尺寸范围大，因此典型的中厚板轧制 过程一般包括成形、展宽和精轧三个阶段，如图1 2 所示。 ( 1 ) 成形轧制阶段 成形轧制也称整形轧制，即沿板坯长度方向( 纵向) 轧制1 4 道次。其 的 是消除板坯表面的凹凸不平和由于剪切引起的端部压扁，改善坯料表面条件，使 板坯厚度均匀，提高展宽精度，减少展宽轧制时板坯边部桶形的产牛。 ( 2 ) 展宽轧制 为使板坯宽度达到钢板毛宽，并使板坯在纵、横两个方向性能均匀，扳坏经 成形轧制后，一般都要转钢9 0 。进行展宽轧制。随展宽比不问，一般进行4 8 道次展宽轧制。 ( 3 ) 精轧阶段 精轧是在展宽轧制后，再将板坯转9 0 0 ，沿板坯原长度方向进行延伸轧制， 直至轧制成品。 晨宽耗触 o 精轧 图i 2 中厚板一般轧制生产过程 f i g 1 2t h er o l lp l o e e s so f t h ep l a t e 1 2 中厚板分层及其产生的原因分析 中厚板分层是中厚板轧制过程中最常见的缺陷，它是指在钢板的内部沿轧制 方向产生不同于基体的物质或裂纹，造成z 向力学性能相比较轧向性能其靼性、 肼 喊n v 哦 旷铷 枞书：少卟：+囱闽 末北大学硕士学檀论文第一章综述 由于中厚板坯料尺寸龅围小而轧制成品尺寸范围大，因此典型的中厚板轧制 过程一般包括成彤、展宽和精轧三个阶段，如图1 2 所示， f 1 ) 成形轧制阶段 成形轧制也称整形轧制，即沿板坯长度方向( 纵向) 轧制1 4 道执。其h 的 是消除板坯表面的凹凸不平和由于剪切引起的端部压扁，改善坯料表面条什，使 板坯厚度均匀，提高展宽精度，减少展宽轧制时板坯边部桶形的产牛。 ( 2 ) 展宽轧制 为使板坯宽度达到钢板毛宽，升使板坯在纵、横两个方向性能均匀，板坯经 成形轧制后，一般都要转钢9 0 。进行展宽轧制。随展宽比不间，一般进行4 8 道次展宽轧制。 ( 3 ) 精轧阶段 精轧足在展宽轧制后，再将板坯转9 0 0 ，沿板坯原长度方向进行延伸轧制， 直至轧制成品。 轧机 转。0 。 转9 0 9 畦 阁1 2 中厚板一般轧制生产过样 f i g i2t h er o l lp r o c e s so f t h ep l a t e 12 中厚板分层及其产生的原因分析 成形轧制 u 艘盥轧1 射 n u 精轧 中厚板分层是中厚板* l n 过程中最常见的缺陷，它是指在钢板的内部沿轧制 方向产生不同于基体的物质或裂纹，造成z 向力学性能相比较轧向性能其塑性、 方向产生不同于基体的物质或裂纹，造成z 向力学性能相比较轧向性能其塑性、 汹冒凰 卜寸r：上：r：i+圆囱圃 东北大学硕士学位论文 第一章综述 韧性严重恶化，产生各向异性。表1 1 是参考文献【1 2 忡的实验结果，可以看出， 分层严重的0 9 n i c r p c u 、1 6 m n 钢的纵、横向塑性、韧性表现出较严熏的备向异 性，而基本无分层的1 6 m n r e 钢的各向异性很弱。中厚板分层造成了钢板的切损 增加、改判量上升，危害较大。分层使得钢材力学性能各向异性，特别是沿钢板 厚度方向的力学性能变坏，导致钢板的冲击韧性、抗疲劳能力变弱，易发生氢脆 和层状撕裂，造成钢板不合，影响了钢板质量以及生产率的进一步提高。 表1 1 文献【1 2 e e 分层钢板的力学性能表 t a b l e l 1t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f l a m i n a t ep l a t ei nd o c u m e n t1 2 钢号 屈服强度 抗拉强度 ，m p am r a 0 9 n i c r p c u 器 一一百瓜函万j i i 一 1 6 m n 一丽哥石广百 1 6 m n r 。 翥手丽一菇6 一 冷弯试验 d = ad = 0 不裂不裂 不裂不裂 不裂不裂 不裂不裂 不裂 不裂 不裂不裂 中厚板轧制时发生分层导致轧件不合，主要和连铸坯料的初始状态f j 关，其 琶要的影响因素有口4 j ： 1 夹杂物在钢中的的形态、大小，数量、分布及其物理性质 2 连铸坯的初始缺陷，主要与中心偏析、疏松缩孔、内部裂纹如中心裂纹、 三角区裂纹等铸坯内部缺陷的存在有关。 1 2 1 铸坯中夹杂物引起的分层 研究夹杂物对钢的质量的危害时，至少应该从两个方面进行综合评价，即钢 的清洁度( 包括钢中夹杂物含量、颗粒大小和分布) 和夹杂物性质、类型及其在 加工过程中的形变能力。 1 2 1 1 铸坯中夹杂物的主要来源 钢中的非金属夹杂物的来源如下：( 1 ) 脱氧、脱硫的产物，特别是一些比重 大产物没有及时排除。( 2 ) 随着钢液的温度降低，硫、氧、氮等杂质元素的溶解 度相应下降，于是这些不溶解的杂质元素呈非金属化合物在钢中沉淀。( 3 ) 带入 钢液中炉渣，熔渣或耐火材料。( 4 ) 钢液被大气氧化而形成的氧化物。结合钢的 鬻詈薹詈一m一弛一拍一弘一”一”一弘 东北大学硕士学位论文 第一章综述 转炉冶炼和连铸板坯生产】：艺流程为例进行详细介绍如下： 一般，冶炼好的高炉铁水先要经过预处理后才在转炉中吹炼。铁水的预处理 实际l 是脱碳、脱硫、脱氧、脱磷、脱氮的过程，而在转炉炼钢过程中则包含j 脱碳和脱氧以及合金化等过程。在这些过程中，脱氧剂、脱硫剂等的) j h a ，- 山 面会有残留的相关元素；另方面，一些比重较大的脱氧、脱硫产物可能没有及 时排除。这些都是钢中非金属夹杂物存在的原因。其次，与钢液接触的炉渣、熔 渣或耐火材料等被卷入钢液中也会成为钢中的非金属夹杂物。再次，钢渣界面的 反应会生成氧化物、硫化物和氮化物等。它们在钢液内有定的溶解度，这些都 是钢液中的原生夹杂物。 在连铸过程中，除了与炼钢过程中一样会有卷入外来夹杂物的可能外，还有 两种情况会产生非金属夹杂物。保护渣效果差或水口处没有保护的情况，钢液会 被二次氧化而产生非金属夹杂物。这类夹杂物在钢液中的生成有几个阶段；由于 原生夹杂物在钢液中有一定的溶解度，所以在出钢后钢水的静置过程中，钢液的 温度下降，平衡移动，部分夹杂物析出，钢液中产生了二次夹杂。钢液在凝固时， 央杂物的溶解度进一步下降，因而夹杂物聚集、再生，钢中第三次有夹杂物析h ， 钢中温度进一步下降时，夹杂物会进一步析出，产生四次夹杂。 1 2 12 夹杂物的分类 按不同的分类方法，可将分为以下几种： 1 按来源分类，可将钢中的夹杂物分为内生央杂物和外来夹杂物。内生央 杂物是在钢液或固态钢中，由于脱氧或是各种物理化学反应而形成的夹杂物。它 们在钢中分布比较均匀，颗粒也较细小，是铡中主要的非金属夹杂物。外来兴杂 物是由于耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇注过程中进入钢中并滞留在钢中而 造成的。它们的出现有很大的偶然性，通常颗粒较大，呈多角形，为成分复杂的 氧化物，分布也没有规律。 2 按化学成分的不同分成五类：第一类是氧化物系夹杂物：包括简单氧化 物，复杂氧化物、硅酸盐等。其中的简单氧化物是由于钢液前期的氧化及后期的 脱氧反应所产生：如越2 0 3 、m n o 、s i 0 2 、f e 2 0 3 等。复杂氧化物是钢液内的简 单氧化物在高温、高碱度的炼钢作用下继续反应生成的复杂氧化物、尖晶石类的 化合物，如f e o f e 2 0 3 、f e o a 1 2 0 3 、m n o a 1 2 0 3 ，以及钙的铝酸盐等。硅酸 盐是钢液前期氧化作用生成的金属碱性氧化物与后期脱氧反应的酸性氧化物 s i 0 2 及两性氧化物a 1 2 0 3 等在高温下进一步反应生成的；第二类是硫化物系央杂 东北大擘硕士擘位论文 第一章综述 物：主要是f e s 、m n s 、( m n ，f e ) s 和c a s 等，这类夹杂物主要是由于钢液内 的脱硫反应而产生的。由于m n 和s 的结合自由能要比f e 和s 的结合自由能商， 在含锰钢中主要以m n s 的形式存在：第三类为氮化物系央杂物：a 1 n 、t i n 、v n 、 f e 4 n 等；第四类夹杂为磷酸盐，主要是钢渣界面的脱磷反应而产生的。般的 表达式为( 4 c a o p 2 0 5 ) ；第五类为其它夹杂物：硒化物、碲化物、碳氮化物、 硫碳化物等。 3 按夹杂物尺寸大小分类，可将央杂分为亚显微夹杂( 1 0 0 “m ) 。在纯净钢中，亚显微夹杂包括氮化物、硫 化物和氧化物。显微夹杂主要为脱氧产物，它们对钢的疲劳性能和断裂性能的影 响极大。大型夹杂在钢中的数量较少，但对钢的表面和内在质量的影响却很大， 钢的二次氧化是钢中大型夹杂的主要来源之。 1 2 1 3 轧制过程中夹杂物变化规律分析 轧制过程中夹杂物的变形规律与夹杂物和钢的流变应力有关。基体和夹杂的 流变应力通过b e r n a r d 的实验得到。夹杂物的流变应力可以表示成变形速率的线 性函数关系： 盯= 3 d r ( 1 1 ) 其中，粘度参数t l 可表示为公式1 _ 2 ： ：旦，e x p 盟 1 0 1 t ( 1 2 ) 参数a 、b 相对于以下两种硅酸盐，数值如表1 2 所示： 表1 2 夹杂物粘度参数a 、b 值 t a b l e l 2t h ev i s c o s i t yp a r a m e t e raa n dbo f i n c l u s i o n 在低碳钢中，钢基体的流变应力如公式1 3 所示： 咿。3 7 x 1 0 6e 坤半扩2 3 ( 0 2 7 6 9 尸盯删“ ，) 图1 3 显示了这两种夹杂和钢基体在表1 3 的热轧条件下的流变应力的关系。 6 东北失学硕士学位论文 第一章综述 可以明显看出，在夹杂的曲线和钢的曲线闻有一交点。在交点前，夹杂比基体的 硬度大，此时夹杂物不易变形：在交点后，基体比夹杂的硬度大，此时夹杂物很 易和基体在应力作用下一起发生变形。 表1 3 图1 3 对应参数表 t a b l e i 3 t h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r o f f i g 1 3 图1 3 夹杂物和钢基体流变应力曲线 f i g 1 3t h ef l o ws t r e s sc u r v eo fi n c l u s i o na n ds t e e lb a s a lb o d y 夹杂物的塑性变形能力决定着在外力作用下夹杂物的形状变化，也决定着最 终在产品中夹杂物的有害程度。按变形能力分类，可将非会祸夹杂物分为三类： 不具有塑性变形能力的脆性夹杂物：在钢经受加工变形时，具有良好的塑性，沿 着钢塑性流动的方向延伸成条带状的塑性夹杂物；半塑性夹杂物的基体在钢经受 热加工过程中发生塑性变形，但是在夹杂物基体上分布的夹杂物不变形。央杂物 的变形能力和温度及受力情况有很大的关系，具体表述如下： 东北大学硕士学位论丈第一章综迷 ( 1 ) a l z 0 3 和铝酸钙在钢的热加工整个温度范围内以及在搴温下都不变形： ( 2 ) 尖晶石类夹杂物在通常钢的热加工温度范围内不变形，当钢被加热剑 更高温度( 1 2 8 0 ) 时稍微变形； ( 3 ) f e o 、m n o 及( f e ，m n ) o 在室温f 具有塑性，当温度高于4 0 0 后，塑 性消失； ( 4 ) 硅酸盐在室温下不能变形，但在8 0 01 3 0 0 温度范围内，依其化学成 分的不同，塑性变化很快。钢板热加工温度正在上述温度范围内，可见硅酸盐对 钢材性能有重要影响； ( 5 ) m n s 在温度低于1 0 0 0 时，具有良好的塑性，温度高于1 0 0 0 时，塑 性逐渐减小，但仍具有较强的变形能力。 1 2 1 4 塑性夹杂物引起的分层 m n s 和高温的硅酸盐夹杂物为塑性夹杂物，它们一般随着钢板一起变形。 对于氧化铝类的夹杂，一般为脆性夹杂物，它们不随着轧制的进行而形状发生变 化。 钢中m n s 类塑性夹杂物的存在是产生分层的主要原因，但这也与它们的分 布有密切的关系。m n s 在钢中的形态主要取决于炼钢工艺，按西姆斯等人提出 的分类法，此硫化物相可以分成i 、i i 、i | i 类。 i 类硫化物是一种颗粒相当大( 可达1 0 0 9 m ) 的球状夹杂物，常常与氧化物 复化成氧硫化物，他可以是单相也可以是双相的，而且往往呈现无规则分布，但 有时分布在树枝晶间。因为硫的溶解度低，导致硫化物在较高的温度下就开始沉 淀。硫化物的析出和钢的脱氧产物如液态锰硅酸盐或锰铝酸盐的析出同时进行。 硫和氧化物从钢锭中同时析出，因此，从液态钢中初始的硫化物是和氧化物以复 合形式出现，或者是由于偏晶反应的结果形成一种硫化物中含有氧化物的溶液， 所以在很低的温度下仍能保持液态，因而成为球状。当温度下降时在夹杂物中先 是硫化物从硅酸盐中析出，而后是氧化物沉淀，因而固态下是一种双相夹杂。 i i 类硫化物( m n s ) 多呈薄膜形或扇形，以共晶形式分布在晶粒边界，呈均 质硫化物。它是在用铝完全脱氧但又无过多的其它合金元素的镇静钢中出现的。 这种钢的含氧量是低的，或者说这时钢液对硫有高的固溶度和高的硫氧比，闽而 硫化物相是在钢锭最后凝固的部分最晚析出的。由于偏晶反应此时的硫化物的熔 点不是1 6 1 0 ，而是1 5 3 0 ，因而它是属于液析。在深腐蚀的钢板电镜扫描图 象中显示出i i 类硫化物是由单个晶粒直径为1 0 0 2 0 0 1 a m 组成的“平行篱栅”， 东北大学硕士学位论丈 第一章综述 呈小圆柱分布在初次铁晶体的边界，就说明了它是他是最后凝固时形成的，被迫 在两个平行的树枝晶间长大的缘故。 i i i 类硫化物是一种边角和平面都很清晰的硫化物，粗看是均质的，实际卜这 种硫化锰上存在有某些氧化物斑点。它是在过量铝脱氧的钢中出现的。或者在含 高碳、硅、锰和铝的钢中出现。钢液的含氧量更低。这类硫化物呈多这形，有棱 角，尺寸为5 l o g m ，它也经常析出在树枝晶间。它的形状本身就说明，它足以 固体状态析出的，它比i i 类硫化物析出的更早。其原因可能是由于碳、硅、铝 的存在，降低了铁的熔点和提高了硫的活度的结果。 当钢中氧含量大于o 0 2 时只析出第1 类硫化物，这类硫化锰经常与硅酸盐 或其它氧化物形成复相。当钢中含氧量低于o 0 l 时易形成i i 类硫化物，通常 存在于铝脱氧的钢中。块状i i i 类硫化物只能是在低氧( 小于o 0 0 8 ) 、并有过 壤的铝和其它合金元素如碳、硅、锰等存在的条件下形成的。 在轧制的过程中，塑性夹杂物随着板的变形由球状变为椭圆状，最后变为片 状，由于硫化物和铁素体界面的结合力较弱，所以微小的应变就使硫化物和基体 脱离，在界面上形成空洞。空洞的长大一般发生在主应变的方向。随着变形的进 行，空洞长大、汇合，直至深入基体形成裂纹。夹杂性裂纹产生是由于片状夹杂 物加之剪切带存在引起应力、应变集中所至，也与钢与基体的热膨胀系数的差异 有关。有分析发现，在单个夹杂物颗粒的基础上，复相的硅酸盐对厚度方向的性 能影响比i i 类硫化物更有害些。但是，由于硫化物的长宽比大于硅酸盐，存整 个基体上成密集分布，因此硫化物的聚合作用对分层来说比单个的硅酸盐更为订 害2 i 。 图1 4 是不同压下率下( 墩糨成形) 钢中两个夹杂物的变化情况，从陶可以 看出，随着压下率的增加，夹杂物沿金属流动方向变成条片状。当变形增大到一 定的程度，两个相邻夹杂的中部出现裂纹，将两个夹杂连在一起( 如图1 4 e ) ， 而此时夹杂体为分叉的两片。经能谱仪探测发现裂纹中存在夹杂物。若变形继续 增大，两个塑性夹杂汇合在一起，直至成为一个更大的片状夹杂。当达到某一上j i 下率时，夹杂又被压成几段，而无夹杂的部位基体又重新焊合。对于串状分布的 夹杂上述分析也是适应的。从以上分析我们可以看出，避免产生夹杂性裂纹，防 止夹杂相连、聚合，控制夹杂物的分布对提高产品的合格率有重要的意义。 1 2 1 5 脆性夹杂物引起的分层 对于脆性夹杂物，轧制过程中主要有两种可能，一为被轧裂，变成碎片，也 q 东北大学硕士学位论文第一章综述 沿轧制方向成条状分布，对厚度方向的力学性能有一定的影响。一二为保持原状1 i 变或有稍微变形，由于不能和钢一样均匀的伸长，在夹杂物和钢的界商上就会产 生应力集中而导致裂纹的发生。它们和钢之间产生的裂纹一般垂直于钢的流动方 向，随着钢的流动，这种裂纹便在夹杂物与钢的界面上形成一个锥形间隙。其大 小取决于夹杂物的塑性、轧制温度、变形速率等。由于钢相中的压缩应力焉赢于 钢的流动方向，锥形间隙可能被填满，只斟下裂纹。当夹杂物有一定的塑性变形 能力时，由于钢与夹杂物界面上已经开裂的裂纹被粘合之前，夹杂物的外层沿钢 的流动方向伸长，结果出现鱼尾状夹杂物，并在钢和夹杂物之间形成洲隙。 “ h h 声f j j it 单十是疑) h n 1 ，h 一! j 0 【坼十史祭 图1 4 不同压f 率f 夹杂物形貌的变化过程 f i g 1 4c h a n g i n gp r o c e s so f t h ei n c l u s i o np a u e mi nd i f f e 删r e d u c t i o nr a t e s 1 。2 2 中心偏析对形成分层的影响 连铸坯中心偏析是指位于铸坯中心部位的碳、磷、硫、锰等元素集聚变化而 使含其突然升高( 成分出格) 的偏析出现。它基本上是一种宏观偏析或称半宏观偏 析，与钢锭中存在的只由冶金上原因造成的中心偏析不同，连铸坯中心偏析在很 大程度上是由连铸机本身机械上的原因弓l 起的。 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章综述 1 2 2 1 连铸坯产生中心偏析的原因分析 形成连铸坯中心偏析的原因可主要从冶金因素和机械工艺因素两方面进行 分析： 1 冶金学因素 钢液是由碳、硅、锰、磷和硫等元素在铁中溶解的熔体，在结晶结束后得到 的仍是化学成分不很均匀的固相。般来说，最初生成的树枝晶问钢液比较纯， 熔点较高，其中含碳和其他杂质要少一些，最后生成的晶体含碳和其他杂质较高， 熔点也低些。( 选分结晶) 在结晶过程中，先凝固的由于是较纯的树枝晶体密度较大而下沉，后凝吲的 因含杂质较多，在未凝固母液中因密度较d , f f i j - 上浮。( 密度差异) 选分结晶和密度差异是造成钢坯化学成分不均匀的重要原因之一。在结晶的 后期，对冶金学来讲，由于铸坯中的温度梯度，使枝晶间的钢液向内流动；由 。 溶质的成分梯度，使钢液向枝晶流动。但温度梯度起主要作用，从而使富岔溶质 的钢液向中心发生流动，最后在铸坯中心形成偏析带。 有人根据铸坯在凝固过程中因树枝晶“搭桥”，直接影响未凝固钢液的继续 结晶，即“凝固桥”阻止液态钢的补缩而形成的成分不均匀和疏松以及中心缩孔 的机理，提出了“凝固桥理论”，解释了铸坯中心偏析形成的一个原琏；| 。 2 连铸坯机械变形 鼓肚常发生在板坯上，板坯鼓肚程度是中央与边缘的厚度差别来衡量的。鼓 肚是钢液铸出结晶器后得不到有效的支撑出现的一种机械变形，而在液态钢的静 压力作用下坯面形成的凸面。易产生鼓肚的环节是，当结晶器倒锥度过小或结晶 器下口过分磨损，使铸坯过早脱离结器壁，或因粉渣流动性太强，使结晶器壁与 坯壳的间隙中的渣层过厚，冷却强度过低造成鼓肚；二夹辊( 特别是弧面夹辊) 问 距过大或刚度不够或辊子定心调整不良，铸坯产生鼓肚，在工艺面托速过快，液 态钢在结晶器内停留时间减少会导致钢液中的热量不容易散出，这有利于轴向偏 析，同时拉速增加，液相穴深度加长，更易形成凝固桥又会造成铸坯鼓肚：二泠 制度温度不当等均会导致铸坯鼓肚。 因此，在铸坯的凝固过程中，凝固末期由于铸坯收缩使凝固末端富集溶质液 体流动，或者鼓肚造成树枝晶间富集溶质液体的流动导致中心偏析 1 3 - i 。1 。 1 2 2 2 中心偏析引起分屡的原因分析 连铸坯中心偏析，使得溶质元素在中心偏析带内浓化，如铸坯中心碳为原始 东北大学硕士学位论文 第一章综述 含其2 2 倍，硫、磷大约为其5 倍，造成碳、硫、磷严重偏析。对含硫偏商的钢， 中心偏析带内往往有大量硫化物聚集，大量的非金属夹杂物带使钢形成分层。对 含磷偏高的钢，由于p 是铁素体化元素，使得a t 3 温度升高，车l * i j 冷却过程中， 易形成单一铁素体区，也使得周围c 浓度升高，最后形成珠光体含量升高，从 而导致力学性能不均。对含锰偏高的结构钢，容易呈现锰偏析，在铸态时出现树 枝间锰的富集，在s l 胄l j 时出现富锰的带状组织，它经常使断口检查不合格。中心 偏析使得铸坯乾后冷却时改变了组织形态，出现马氏体或贝氏体组织，产? 生对氨 脆裂纹的敏感性，通常使钢中的氢向中心偏析带附近的中心疏松聚积。而中心偏 析区 h 大的沉锭物，如m n s 、n b ( c n ) 3 也加速了中心裂纹的扩展。对大方坯来说， 在轧制以前进行加热时，疏松部位会氧化，不管以后多大的压下量都不能使它轧 合，而只能使它轧裂。这也是产生分层的主要原因之一。 1 2 3 内部裂纹对形成分层的影响 连铸坯产生内部裂纹，如三角形裂纹、中心裂纹的主要原因是凝固过程中坯 壳所承受的结合应力，应变超过固相线温度附近固体的临界强度和临界应变值， 就会产生裂纹。即内裂纹的产生与作用在坯壳上的应力( 鼓肚力、挤压力、热应 力、组织力等) 和影响铸坯高温强度( 钢的凝固组织，液帽线温度，圆相线温度， 坯壳厚度等) 的因素有关。 有分析发现三角区裂纹中分布着大量的条状、颗粒状夹杂物，还有异常的铁 素体组织层，同时存在严重的杂质元素的偏柝。在中心部位有偏析中心带及其夹 杂物的存在。它们的存在降低了该处的屈服强度和抗拉强度，再由于设备对中不 良，造成附加应力，冷却不良产生的热应力，夹杂物处由于位错塞积产生的应力 集中都会导致三角区裂纹和中心裂纹的产生。 如果钢中存在内部裂纹，在中厚板轧制过程中，由于压缩比不够，使得内部 裂纹不能够完全焊台。从而容易产生分层缺陷，使得产品不合。 1 2 3 1 疏松，缩孔对形成分屡的影响 连铸坯中产生疏松、缩孔是由于在凝固末期，发达柱状晶生长相互搭桥，使 得钢液再凝固时由于得不到及时补缩而产生疏松和缩孔。 疏松和缩孔导致钢板产生分层的原因主要有： ( 1 ) 在中厚板轧制过程中，由于压下量相对不大，内部疏松和缩孔没有完全 焊合，或者是由于其内部被氧化而不能够被焊合而形成分层。中心疏松在轧制过 1 2 东北大学硕士学位论文 第一章综述 程中可能发生的焊合因轧制变形量的不同而存在很大的差别。对- j ：有较轻s 偏析 的中心疏松在大变形量的轧制过程中容易焊合，而小变形量的轧制过程不容易使 中心疏松焊合而形成不连贯的分层。同样，对于有严重s 偏析的中心疏松在大变 形量的轧制过程中虽不能完全焊合，但仪形成不连贯的分层，程度相对较轻，而 此类中心疏松在小变形量的s l a j j 过程中完全不能焊合，且形成的分层横贯巾心， 分层程度严重。 ( 2 ) 中心偏析和中心疏松明显的铸坯，氢气可被偏析和疏松捕集，火杂物 中也能存储一定的氢。当轧制时，缺陷部位被压缩，使缺陷部位饱和的氢对基体 施加压力而产生局部应力，在冷却的过程中，相变的同时，氢的溶解度r 降，使 得钢中其过饱和度不断增加，当压力大于基体强度时，变会产生氢裂纹。从而导 致轧制不合。 1 3 钢中m n s 夹杂物析出行为分析 通过以上引起钢板分层的主要原因的综述，我们可以看到钢中的硫化物特别 是m n s 是引起分层的重要原因，因此有必要对轧制过程中钢中的硫化物的析出 行为进行分析，以便更好地研究钢板内的分层缺陷。 1 3 1 钢中夹杂物析出的动力学分析 当夹杂物在固态铁基体如奥氏体中沉淀析出时，其平均尺寸均非常小，因而 通常希望它们在固态析出，以便得到细小的夹杂物颗粒。其是否能在固态析出及 析出量的大小可用夹杂物在铁基体中的固溶度或固溶度积公式进行理论计算= 钢 中主要夹杂物在奥氏体中的固溶度积公式可由热力学推导或由相关试验测定，其 中最典型的m n s 和a 1 2 0 3 在奥氏体中的固溶度积公式为f 1 5 - 1 8 1 l o g ( m n 】 s 】) = 2 0 5 - l1 6 2 5 t( 1 4 ) l o g ( a 1 。【o 】) = 3 3 9 9 6 8 2 5 8 0 t( 1 5 ) 式中【m 】表示处于固溶态的m 元素的质薰百分数，t 为绝对温度。 由公式1 4 和公式1 5 可得到钢中固溶的元素量随温度的变化曲线，如图1 5 和图1 6 所示。由图1 5 可以看出，当钢中的硫含量越低，其固溶平衡温度越低， 在目前钢铁材料中夹杂物形成元素的通常含量情况下，硫化物夹杂将柯可能存铡 材凝固温度下完全固溶而在较低的温度下在奥氏体中沉淀析出；而由图1 6 可肴 出，在目前钢铁材料中央杂物形成元素的通常含量情况下，氧化物夹杂则不可能 东北大学硕士学位论文第一章综述 在钢材凝固温度以下完全固溶而只能在液态铁中或在凝固过程中析出。 s 图1 5 温度对钢中与m n s 平衡时固溶 m n i s 的影响 f i g 1 5e f f e c t so f t e m p e r a t u r eo nt h eb a l a n c es o l u t i o n 【m n l s 】i nt h es t e e l o 0 0 0 0o 0 0 0 20 0 0 0 400 0 0 600 0 0 800 0 1 000 0 1 20 0 0 1 400 0 1 s 图1 6 温度对钢中固溶 a l l o 的影响 f i g 1 6e f f e c t so f t e m p e r a t u r eo nt h eb a l a n c es o l u t i o n 【a 1 【o 】i nt h es t e e 1 4 东北大学硕士学位论文 第一章综述 夹杂物在奥氏体中全固溶的温度t a r 是一个相当重要的工艺参量，在该温度 之上适当保温一定时间可使夹杂物形成元素全部进入固溶态。因此，如果山于某 种原因使得夹杂物已经液析出来或凝固过程中在枝晶间以不希望有的形态和分 布析出出来，则可通过1 k 以上温度的保温均匀化使之回溶于奥氏体中，此后再 在较低的温度以希望的方式沉淀析出，可以使其尺寸明显细化。m n s 和a 1 2 0 3 在钢中奥氏体的全固溶的温度可由公式1 4 和公式1 5 推得，如下： ( m ) = 丽五1 1 厕6 2 5 ( 1 6 ) ( 爿t 2 0 3 ) = 蟊丽面8 2 5 8 丽0 l 1 7 ) 传统冶炼过程中夹杂物形成元素的量较高，使得夹杂物全固溶温度很高( 甚 至高于凝固温度) ，因而不可能进行上述回溶均匀化处理。目前冶炼技术的提高 特别是超洁净钢的发展，使该工艺用于细化m n s 已成为可能，但目前情况下用 于细化a 1 2 0 3 尚不可能。 出于热力学计算是建立在均匀系统的基础上，而在实际钢中，伴随着钢液的 结晶过程钢中的各溶质元素将发生再分配。分配系数小于1 的元素如锰、硅、硫、 铝等在结晶过程中不断地由62 铁素体排出向液相富集，导致枝晶间隙区的锰、 硅、硫、铝等元素浓度明显高于钢中的平均值，因而在这些局部区域硫化物的实 际析出温度将高于上述计算值，特别是钢板的中心偏析区域，其析出温度将更高， 溶质元素在结晶过程中产生偏聚的程度取决 二钢的凝固速度及冷速以及相关元 素扩散速度，钢的冷速越快，元素在钢中的偏聚程度越小。中厚扳板坯在实际， i 产过程中，由于铸坯较厚，相对于薄板坯来说，钢的夹杂物元素的偏聚程度更加 严重，所以夹杂物的析出温度更高。 1 3 2 钢中夹杂物析出的动力学分析 第二相粒子在钢中的实际析出过程取决于有关析出的动力学而不是热力学。 固态中的第二相析出一般包括形核、生长和粗化三个阶段，当硫化物或氧化物粒 予以均匀形核或非均匀形核机制形成临界尺寸的核后，便开始生长，d j 于析出粒 子和基体之间的界面能将导致析出相粒子粗化目p o s t w a l d 熟化 1 3 2 1 夹杂物的形核 根据经典形核理论，系统在t 时刻第二相的形核率可表达为： 东北大学硕士学位论文 第一章综述 j ( t ) 2js e x p ( 一1 t )( 1 8 ) js 1 0 3 ”e x p ( 一a g + k b t ) ( 1 9 ) 式中，t 是孕育时间，g + 是临界核的形核功；t 是发生析出的绝对温度：k b 是波尔茨曼常数。 临界核尺寸p 和临界形核功a g + 与过冷度t 存在下面的关系： r + o c1 a t f 1 1 0 ) a g + 。c1 a t