铌微合金化HRB400E钢连铸坯中心裂纹的形成和控制

2020-09-26卢维枫杨伟勇王东兴陶群南汪春梅

上海金属 2020年5期

卢维枫杨伟勇王东兴陶群南汪春梅黄雁

(芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽芜湖 241002)

由于螺纹钢GB/T 1499.2—2018的实施，钒氮合金、钒铁合金的需求量大增，但价格昂贵。因此需以其他元素代替部分钒元素以降低生产成本。铌和钒的物理特性相近，且铌铁供应量充足，价格稳定，铌还能产生沉淀硬化[1]，并在一定程度上细化奥氏体晶粒，改善钢的韧性和抗疲劳性能，因此是替代钒的首选元素。

某厂尝试采用铌微合金化的HRB400E钢生产螺纹钢，但连铸坯产生了贯穿性中心裂纹，甚至轧制过程中也偶有轧材开裂和成品螺纹钢开裂等现象，严重影响了产品质量。为提高铸坯质量、降低成本，对铸坯产生中心裂纹的原因进行了深入的分析，并采取了相应的措施，结果避免了铸坯中心裂纹的产生。HRB400E螺纹钢的主要连铸工艺参数如表1所示。

表1 HRB400E螺纹钢的主要连铸工艺参数

1 铸坯裂纹的特征及成因

1.1 缺陷特征

1.1.1 宏观特征

生产中对随机锯切的300 mm长铌微合金化HRB400E钢铸坯横截面进行酸洗和检验，发现铸坯有严重的中心裂纹，甚至贯穿整个铸坯，见图1。在大压下量粗轧过程中，铸坯端部偶有开裂现象，如图2(a)所示，若开裂轧材的头、尾部未彻底切除，易导致螺纹钢筋端部开裂，如图2(b)所示。

图1 铸坯的中心裂纹(a)和贯穿中心的裂纹(b)的宏观形貌

图2 轧制时开裂的坯料(a)和开裂螺纹钢(b)的宏观形貌

1.1.2 微观特征

铸坯中心裂纹的微观形貌如图3所示。结合其低倍照片(见图1)可知，该裂纹深7.86 mm，曲折，沿柱状枝晶间分布和扩展，两侧无脱碳氧化现象。

图3 连铸坯中心裂纹的微观形貌

1.2 裂纹形成的原因

连铸坯凝固过程中，一方面柱状枝晶的间隙因S、P元素的偏析而形成低熔点液相薄膜，使枝晶间隙更为薄弱；另一方面，在矫直过程中，铸坯受到各种拉应力的作用，当拉应力超过枝晶间的抗拉强度或应变超过应变速率极限时，就会产生凝固裂纹。此外，沿奥氏体晶界析出的Nb(C、N)等沉淀相会导致钢的塑性降低[2]。二冷区因冷却不均匀产生的热应力也会促进裂纹扩展[3]。如钢水过热度大，则柱状晶更为发达甚至形成穿晶组织，加剧了贯穿性中心裂纹的产生。

2 防止连铸坯开裂的措施和效果

基于上述铸坯裂纹形成的原因，提出了预防铸坯中心裂纹的具体措施。

2.1 优化成分

钢中的C、N易与Nb结合形成Nb(C、N)化合物，并在晶界析出，易导致晶界塑性降低并引发裂纹。HRB400E钢的C、N、P、S含量较高，为避免形成Nb(C、N)化合物而使铸坯开裂，可适当降低Nb含量。有文献[4- 5]报道，提高钢的锰与硫的质量比有利于减少铸坯中心裂纹。故在确保力学性能满足螺纹钢要求的前提下，通过减少铌铁合金用量和提高硅锰合金的加入量，能使产品铌的质量分数控制在0.010%～0.016%，Mn的质量分数控制在1.37%～1.47%，如表2所示。

表2 钢的成分优化前、后原材料的用量

铸坯低倍检验表明：成分优化后，铸坯的中心裂纹有一定程度的减少，如表3所示。

表3 成分优化前、后铸坯的质量

2.2 二次冷却工艺优化

有文献[6- 8]报道，铸坯经过喷水段时，其中心向表面传递热量，如冷却不均匀，将导致表面回温，坯壳受热膨胀，凝固前沿引起张力应变。当张力超过临界值时，便产生中心裂纹。如果二冷配水不合理，铸坯表面将明显回温，裂纹发生率也明显升高。

本文采用中冶连铸数值模拟系统模拟了铸机的二次冷却温度场，该计算模型经过了大量的实践验证[9- 10]，根据钢种给出了热焓与温度、转换温度与温度的参数表，采用转换温度和转换热焓计算温度场，考虑了物性随温度的变化，且方便快捷。初始条件为：假设结晶器弯月面钢水温度与浇铸温度相同，取中包温度。采用第二类边界条件描述铸坯在结晶器内的传热条件，即-λ▽T·n=q，式中：n为铸坯表面的外法线方向；q是热流密度，W/m2。二冷段的传热采用第三类边界条件来描述：-λ▽T·n=h(T-T∞)，式中：n为铸坯表面的外法线方向；T∞为环境温度；h为铸坯表面与周围环境的传热系数，kW/(m2·℃)。传热系数为hs=a+bwn，式中：a和b为常数，w为水流密度，L/(m2·s)，指数n取0.4～0.8。

计算结果表明：现有工艺的二冷水分配比引起的二次冷却区铸坯表面回温较明显(最大回温差198 ℃)，主要体现在二冷1区冷却较强烈，铸坯表面温度较低，后期回温较大。故对二冷水量分配比进行模拟优化，如表4所示。并对优化后的配水比进行二次冷却温度场模拟，结果发现，优化后铸坯表面回温明显降低(最大回温差105 ℃)。二冷配水优化前的二冷水量分配比为26∶48∶17∶9，优化后为36∶34∶19∶11。二冷配水优化前、后铸坯的温度场如图4所示。

图4 铸坯表面温度的数值模拟结果

2.3 拉速控制

过热度和拉速的提高会延长铸坯液芯，推迟等轴晶的形核和长大，导致等轴晶区缩小，易形成中心裂纹[11]。故采用优化后的二冷比水量及配水比参数，对不同拉速的铸坯表面温度和坯壳厚度进行模拟，结果如图5所示。

图5表明：连铸的拉速不同，进拉矫机位置12.3 m的坯壳厚度分别为65.1、53.9和48.5 mm，说明以3种拉速连铸的铸坯均存在带液心矫直，矫直点的铸坯表面温度均高于1 000 ℃，避开了低脆性区。但2.2 m/min拉速较2.5 m/min拉速进第一组拉矫位置的单面坯壳增厚了5.4 mm，说明低拉速连铸的坯壳厚度增加，能进一步减小心部受力，减少中心裂纹的产生。

图5 拉速对模拟的连铸坯表面温度(a)和坯壳厚度(b)的影响

根据上述模拟结果，在同炉次不同流上，改变单一拉速试生产了含铌HRB400E钢，连铸工艺参数及裂纹级别如表4所示。低倍检验结果表明：通过二次冷却的优化，不同拉速连铸的铸坯中心裂纹均明显减少，且随着拉速的降低，铸坯中心裂纹进一步减少，如图6所示。根据生产结果，可认为宜将拉速控制在1.8～2.2 m/min。