电弧炉冶炼Q355D连铸坯的高温热塑性研究

张振申 蔺学浩 贺瑞飞

（安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

2020年我国提出CO2排放力争于2030年之前达到峰值，努力争取2060年之前实现碳中和。钢铁行业作为我国重要的基础工业，是能源和CO2排放大户，CO2排放量占全国CO2排放总量的15%～18%[1-2]。中国钢铁工业主要以高炉-转炉的长流程为主，长流程生产粗钢产量占90%以上，而长流程CO2排放量在2 000～2 400 kg/t，而电弧炉短流程的CO2排放量仅有500 kg/t左右，随着我国废钢资源的总量增加，废钢循环及利用产业链的完善，发展电弧炉短流程生产模式是钢铁行业发展的主要方向[3]。现有电弧炼钢生产过程中钢水中P、S、N、残余元素等有害元素的含量增加，随着钢中有害元素含量的增加，钢的高温热塑性发生较大的变化[4]。 连铸坯角横裂和表面横裂纹主要发生在连铸生产过程的弯曲和矫直阶段，为了了解连铸坯角部裂纹的原因，高温热塑性试验是一种研究连铸坯高温性能和裂纹敏感性的有效方法之一。

在连铸生产过程中，铸坯角部裂纹发生的频率增加，电弧炉铸坯生产的成品材中出现边部裂纹的比例为3.2%～5.8%，同比转炉钢边部裂纹发生的概率增加72.3%～95.0%。电弧炉钢铸坯角横裂如图1所示，铸坯角部裂纹主要分布在铸坯振痕波谷处，沿铸坯窄面和宽面延伸5～15 mm，铸坯内弧侧的裂纹程度和数量要高于外弧侧，在连铸坯矫直过程中，振痕处成为应力最为集中的位置，随着矫直温度的降低，铸坯高温塑性降低诱发裂纹沿振痕波谷不断延伸，经2800机组轧制后在钢板表面开裂形成边部裂纹，裂纹距边部30～80 mm，存在边部裂纹的钢板需在线下进行人工切割，造成切除废品量增加，原有合同的宽度尺寸改变需重新生产，使交货时间延长，降低电弧炉钢的综合效益。笔者采用GLEEBLE-3800热模拟试验机对电弧炉冶炼生产的Q355D低合金钢连铸板坯在600～1 350 ℃温度区间的高温热塑性进行了研究，为该钢种二冷工艺调整和矫直温度的控制提供依据。

图1 电弧炉钢角横裂

1 高温热塑性试验方案

1.1 试验钢种工艺及成分

利用GLEEBLE-3800热模拟试验机进行电弧炉生产低合金钢Q355D的铸坯热塑性试验，了解铸坯高温的塑性变形能力和裂纹敏感位温度区间，防止在连铸坯矫直过程出现角部裂纹和横裂纹。Q355D的生产工艺流程如图2所示。安钢100 t电弧炉采用38.2%铁比的生产模式，试样的化学成分见表1，电弧炉冶炼钢种的Cu、Cr、Ni等残余元素含量随铁比的降低而不断增加。

表1 Q355D试样的化学成分

图2 Q355D的生产工艺流程

1.2 试样加工方案

试验样品的取样位置和精度直接关系到试验数据的准确性和稳定性，试样选取时需避开铸坯两侧三角区及中心偏析区域，在1 500 mm×200 mm铸坯的宽度1/4区域、厚度距铸坯表面10～60 mm的范围内取样，试样的轴向方向与铸坯拉坯方向相同，铸坯取样位置如图3所示。首先取20 mm×20 mm×200 mm的矩形试样，然后将矩形试样加工成为10 mm×121.5 mm，并将两端加工15.25 mm的螺纹，如图4所示。

图3 铸坯取样位置

图4 试样加工

1.3 热塑性试验方案

采用GLEEBLE-3800热模拟机进行高温拉伸试验，测试的温度范围为600～1 350 ℃，每隔50 ℃测量一组数据。热塑性试验工艺方案如图5所示，将试样夹持在真空度为1.33×105MPa的真空槽内，通过大电流将其以10 ℃/s的速度从室温加热至1 300 ℃并保温3 min，当测试温度≥1 300 ℃时以1 ℃/s的加热速度升温至测试温度并保温2 min，然后以固定的形变速率进行高温拉伸试验，当测试温度＜1 300 ℃时以2 ℃/s的冷却速度降低至测试温度并保温2 min，然后以固定的形变速率进行高温拉伸试验。为模拟高温下连铸矫直区域的变形行为，热塑性试验的应变率选取1×10-3s-1。每组试样每个温度制度重复进行两次试验，两次试验断面收缩率值之差小于3%，取两次试验结果的平均值作为该温度制度的断面收缩率和抗拉强度，若两次试验结果差距较大，则进行再次试验，取其中断面收缩率值之差小于3%的试验结果平均值。

图5 热塑性试验工艺方案

2 高温拉伸性能

根据试样断口截面积与初始试样截面积之比作为断面收缩率，R.A%。以测量5次断口直径的平均值作为断口截面的直径，计算断口面积，如：

式中，R.A——断面收缩率，%；Do——试样初始直径，mm；Di——试样断口第次测量值，mm。

当面缩率R.A%值大于60%时，钢不易出现裂纹；R.A%值处于40%～60%之间时，裂纹发生概率较低[5]；R.A%值小于40%时，裂纹敏感性大大增强。测量并计算不同温度下断口的收缩率，做出R.A-T曲线，分析铸坯脆性区间，从而确定铸坯合理的矫直温度区间（第Ⅲ脆性区间）以及铸坯的内裂纹敏感区（第Ⅰ脆性区间）。

电弧炉钢Q355D铸坯在不同温度下试样断面收缩率（R.A%）随温度的变化曲线如图6所示。电弧炉钢Q355D存在明显的高温塑性区和低温脆性区，高温塑性区为1 150～1 300 ℃之间，该区间最低断面收缩率为60.9%；低温脆性区在650～950 ℃之间，温度小于950 ℃之后铸坯收缩率迅速由88.1%降低至900 ℃的33.1%，断面收缩率在800 ℃时达到最低（为23.9%），断面收缩率低于60%的温度范围为661～922 ℃，断面收缩率低于40%的温度范围为700～900 ℃。在结晶器中铸坯振痕波谷处与结晶器形成空隙，使得其传热速率降低，形成粗大的奥氏体晶粒，造成铸坯的高温力学性能降低。在出结晶器时坯壳温度一般在1 250 ℃左右，边角部温度更低，而在1 250 ℃时电弧炉钢Q355D铸坯的收缩率只有60.9%，抗拉强度11.6 MPa，当铸坯的变形速率大于该温度下的塑性，可能在铸坯角部和表面出现裂纹源。在弯曲和矫直的过程中，振痕波谷处不断受较集中的张力和压力，当铸坯振痕波谷的形变速率大于其高温塑性时，在振痕波谷处就会产生角部裂纹。因此，为了保证电弧炉钢Q355D铸坯应在高温奥氏体区进行弯曲矫直时避免或减少角部裂纹的产生，要求电弧炉生产低合金钢Q355D时铸坯进入拉矫机前的表面温度应≥950 ℃，且二冷区纵向和横向喷水冷却要均匀，降低角部冷却速率防止铸坯角部过冷。

图6 Q355D断面收缩率随温度变化曲线

电弧炉钢Q355D铸坯在不同温度下试样的抗拉强度随温度的变化曲线如图7所示。在600～1 300 ℃之间，Q355D铸坯的抗拉强度随温度的降低而逐渐升高。在1 000 ℃以上，温度每降低100 ℃，抗拉强度平均升高7.2 MPa；在700～1 000 ℃之间，温度每降低100 ℃，抗拉强度平均升高23.5 MPa；当温度降低到700 ℃之后，温度每降低100 ℃，抗拉强度平均升高78.7 MPa。

图7 电弧炉钢Q355D抗拉强度随温度变化曲线

电弧炉钢与转炉钢Q355D的高温塑性曲线如图8所示。在950～1 150 ℃之间，电弧炉钢的热塑性要优于转炉钢，虽然试验时先将温度加热至1 350 ℃并保温，但铸坯冷却过程中已经形成的AlN在奥氏体晶界聚集，阻碍再次加热过程中奥氏体长大，电弧炉钢的氮含量高于转炉钢。因此，同等条件下电弧炉钢的晶粒比转炉钢的更细，塑性更好。当温度低于950 ℃时，电弧炉钢的塑性下降幅度更大，断面收缩率达到60%时电弧炉钢和转炉钢的温度分别为921.9 ℃、897.4 ℃，同等条件下，电弧炉钢比转炉钢高出24.5 ℃。因此，在连铸矫直过程中，电弧炉钢的裂纹敏感性更高。

3 高温断口形貌分析

对铸坯进行高温拉伸试验后，对拉断试样的断口形貌进行扫描电镜观察分析，1 000～1 300 ℃条件下，试样断口因高温发生过熔，失去原有形貌特征。因此选取因过熔失真较小的试样进行分析。

图8 电弧炉钢与转炉钢Q355D的高温塑性曲线

对650 ℃、800 ℃、950 ℃、1 250 ℃的试样断口形貌进行观察分析，如图9所示。从形貌上看，650 ℃、950 ℃时的断口处韧窝粗糙，对应的面缩率也更大；1 000～1 300 ℃条件下，铸坯在此温度区间具有较好的塑性，断面收缩率（高温塑性区除外）基本在80%以上，1 250 ℃时，断口处的韧窝光滑，对应的塑性相对差一些。由950 ℃的断口形貌可知，该温度下断口呈典型的韧窝状，试样在收到拉力逐渐变形，当应变超过临界应变并继续变形的过程中，晶粒内部形成孔洞，随着变形量的增大，孔洞长大并连接成缩颈直至断裂，此断裂方式为穿晶塑性断裂。800 ℃时，此温度处于第Ⅲ脆性区内，试样的断面收缩率为30.1%，断口呈典型的“冰糖”状断口，表现出明显的沿晶脆性断裂的特征，塑性较差。650 ℃时，断口分布有众多良好塑性的韧窝，韧窝逐渐变多，铁素体中的夹杂物成为孔洞中心，空洞长大，断口形貌表现为铁素体拉伸形成的韧窝，塑性回升。

图9 电弧炉钢Q355D不同温度下的断口形貌

4 结论

电弧炉冶炼的低合金钢Q355D存在明显的高温塑性区和低温脆性区，高温塑性区为1 150～1 300 ℃，该区间最低断面收缩率为60.9%；第Ⅲ脆性区为650～950 ℃，断面收缩率在800 ℃时达到最低，为23.9%，断口呈沿晶脆性断裂的特征，为避免铸坯角部裂纹的产生，铸坯在矫直区的表面温度要≥950 ℃，避开第Ⅲ脆性区间。

不同铁耗情况下电弧炉钢比转炉钢的氮含量要高0.002 0%～0.004 0%，铸坯冷却过程中更早形成AlN在奥氏体晶界聚集，根据高温热塑性试验，电弧炉钢Q355D的第Ⅲ脆性区间比转炉钢高出24.5 ℃，电弧炉钢的裂纹敏感性更高。