连铸坯偏析对钢板机械性能的影响分析

陈玉辉， 宋延成

(江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 江阴 214400)

引 言

为了实现优质板材的生产，江阴兴澄特种钢铁有限公司采用铁水预处理、大断面连铸坯、电磁搅拌和连铸轻压下偏析控制、大压缩比轧制等先进技术，以保证钢板的机械性能。钢板具有纯净度高、致密度高等特点，结合国内先进的连续调质产线，生产的调质钢板组织、性能稳定，广泛应用于高层建筑、油气管线、耐磨装备等的制造领域。但在连铸板坯的生产过程中，由于坯料断面尺寸大，连铸坯上难免存在宏观偏析[1-2]，尤其是电磁搅拌技术的使用会在某些钢种坯料上形成框型偏析[3]，这些偏析对于钢板的直接影响是导致各部位的性能均匀性变差，影响钢板的使用。本文就连铸板坯的低倍宏观偏析对钢板的组织和机械性能影响进行研究，对连铸坯低倍偏析的危害性进行分析。

1 试验过程

1.1 试验原料

试验采用断面为370 mm×2600 mm的16Mn钢连铸(直弧型连铸机)板坯，其化学成分如表1所示；以及由此坯料轧制而成的75 mm×3020 mm的钢板，钢板具体生产工艺路线为：KR→BOF→LF→连铸板坯→控轧、控冷→连续调质处理。

表1 试验钢种主要成分/%

1.2 试验方法

在连铸板坯和调质后的钢板上取横截面试样，分别采用酸浸低倍评级(YB/T 4003-2016标准)、LECO CS400型红外碳硫分析仪和OPA-100金属原位分析仪，检测连铸坯的宏观偏析情况，并在钢板的对应位置取样检验硬度分布、抗拉强度和低温冲击性能。

2 试验结果

2.1 连铸坯偏析

如图1所示为16Mn连铸坯包含三角区的四分之一宽度的横截面低倍试片，图中用虚线标明了连铸坯上微弱的框型偏析(白亮带)轮廓，该位置是连铸坯凝固时出二冷区时枝晶前沿。由于连铸坯窄面及角部的坯壳厚度明显大于宽面，窄面和角部白亮线呈弧形。

图1 连铸板坯低倍形貌

在连铸坯横截面低倍试片上，从内弧面沿厚度方向向外弧面每间隔25 mm进行钻点取样，并应用红外碳硫分析仪进行碳含量分析[4]，钻点包含心部点和白亮带上的点(如图1所示)，合计取点15个，分别标记1～15，检验结果如图2所示。偏析指数计算公式如下

偏析指数=Ci/C0

式中Ci为测试点碳含量(%)，C0为熔炼碳含量(%)。

图2 连铸坯厚度方向碳偏析

在连铸坯上如图1中A点所示的位置取包含横截面中心和外弧白亮带的80 mm×40 mm试样，应用OPA-100金属原位分析仪进行偏析分析[5-6]，A区域碳、锰偏析特征如图3所示。在连铸坯上正常凝固点B处和白亮带特征区上点C处取样，进行铸态组织观察，结果如图4所示。

2.2 钢板性能

钢板的横截面局部形貌如图5所示，应用直读光谱(OES)在靠近内弧1/4条带(D，F，H对应的条带)和外弧靠近厚度中心白亮带特征区域对应的条带(E、G、I对应的条带)上分别测试6点，计算碳的平均偏析指数，如表2所示。

图3 连铸坯A区域碳、锰偏析分布

图4 连铸坯内部显微组织

表2 钢板试样的力学性能

图5 钢板低倍形貌

在钢板厚度方向靠近内弧1/4位置如D位置和外弧靠近厚度中心白亮带特征区域对应的位置如E位置所示沿轧制方向各取3块冲击试样，按照GB/T 229-2007标准制样进行-20 ℃冲击功检测；在F位置和G位置按照GB/T 24186-2009标准制样进行常温拉伸强度检测；在H位置和I位置按照GB/T 231.1-2009标准制样进行HB硬度检测和金相分析。力学分析结果如表2所示，钢板组织形貌如图6所示。

图6 钢板组织形貌

3 结果分析

由图1，2，3偏析分析结果可知，连铸板坯中心呈正偏析状态，中心到两侧白亮带区域呈负偏析状态，靠近白亮带向两侧表面各有一个正偏析区，总体来说，外弧的w(C)低于内弧对应的区域。横截面厚度方向最大的正偏析区域在靠近内弧白亮带向内弧一侧，偏析指数达到1.08，最大的负偏析区域在靠近中心点向外弧一侧，偏析指数达到0.90。原位分析结果也证实了连铸坯上的这种偏析趋势，连铸坯的中心区域最后凝固，由于前期凝固的选分结晶导致碳、锰在中心区域富集并最终碳、锰偏析度分别达到0.1329和0.0320，可以预测，在相同的轧制、热处理工艺下，钢板上不同区域力学性能有明显差异。

连铸坯上的组织形貌可见，在外弧白亮带上C处试样的珠光体比例明显低于正常凝固区域B处试样的珠光体数量，同样C处柱状晶晶间铁素体更为粗大，不利于该区域的强度提升和整个钢板的性能均匀性。

连铸坯的偏析最终会带入到钢板上，偏析趋势与连铸坯相同(H,I处试样偏析指数及F, G处的组织形貌)，经过加热、轧制和调质处理后，钢板上的偏析程度较连铸坯有所改善。钢板负偏析区域材料(试样E、I处)在耐低温冲击和塑性方面优于内弧厚度1/4区域材料(试样D、H处)性能，但在硬度、强度方面不及1/4区域。

4 结束语

(1)连铸坯由于冷却和选分结晶的特征，总体而言外弧的碳含量低于内弧对应的区域。最大的偏析区域存在于白亮带区域附近，虽然加热、轧制和热处理可以改善钢板上的偏析，但其仍然会带入到钢板上。

(2)偏析对钢板力学性能的均匀性会产生一定影响，钢板外弧负偏析区域材料在耐低温冲击和塑性方面优于内弧厚度1/4区域材料，但在硬度、强度方面不及1/4区域材料。

(3)改善连铸坯偏析程度，有利于提高钢板机械性能的均匀性。