摘要：中碳钢相对于亚包晶钢碳含量有所提高，能够有效避开钢的包晶反应敏感区，降低了结晶器内初生坯壳的体积收缩，坯壳与结晶器铜板的气隙减少，提高了结晶器的传热效率，初生坯壳厚度均匀，厚度增加，强度增加，有利于改善铸坯的表面质量；中碳钢也有利于减少轧制过程的横折，提高成材率。但中碳钢的脆性会随碳含量增加而增加，为保证钢材强度性能不发生改变，钢中的锰含量会相对降低，造成钢中锰硫比降低，铸坯内裂倾向增加。
关键词：包晶反应；脆性；锰硫比；内裂
前言：
今年五月以来，公司技术中心为减少热轧普板轧后横折缺陷，提高热轧成材率，在不改变钢材的机械性能前提下，决定在转炉厂二区板坯5#连铸机实验生产中碳钢，板5铸机主要参数：
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实验了3个浇次，结果出现723.939吨轧后横裂结疤缺陷，没有在轧后工序暴露存在质量隐患的钢卷交付到用户手中，造成部分钢材发生了质量异议，给客户使用带来不便，损害公司了品牌形象。
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图1 钢卷平整后呈结疤横裂缺陷
通过对缺陷机体进行检测分析，发现机体存在大量的硫化物夹杂，尤以基体与疤块接触部位最为严重，夹杂物处甚至可观察沿其扩展的裂纹，显微夹杂级别为A3s B0.5 C0 D0.5 DS0。基体与疤块接触部位未观察到高温氧化及脱碳现象，组织为珠光体+铁素体+内含夹杂物的铁素体带，珠光体的量明显偏多，基体内部组织为铁素体+贝氏体。
对同一批次未经轧制的铸坯取纵向低倍样，化验分析，铸坯存在严重的中间裂纹内裂。
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图2 纵向低倍存在中间裂纹2.0级
1、中间裂纹的形成机理
中间裂纹在钢的第Ⅰ脆性区间产生，起源于凝固界面，属于晶界裂纹。中间裂纹形成机理主要是由于二冷区冷区不均匀，当铸坯经过喷水段的强烈冷却进入辐射冷却区时，铸坯中心热量向外传递，使铸坯坯壳表面反复回温（温度回升超过100℃/m），或者由于支撑辊对中不良（如开口度偏大、棍子变形等）时坯壳鼓肚，在凝固前沿引起张力应变，当凝固前沿某一局部位置的张力应变超过该处的极限应变值时，固液交界面出现裂纹，并沿柱状晶薄弱处继续扩展直到坯壳高温强度能抵抗应力为止。
2、形成中间裂纹的影响因素
2.1[C]含量的影响
对于碳钢来说，含碳0.08%～0.2%的碳素钢，从铁碳相图上可见凝固过程会发生包晶反应并伴随着δ→γ组织转变，包晶反应促使在凝固点附近体积收缩率大，极易由于收缩不均产生中间裂纹。所以含碳量在0.08%～0.2%属于铸坯裂纹敏感区，随着钢中碳含量不断提高，钢的脆性也在不断提高，当凝固坯壳受到应力超过极限强度时，即产生裂纹。
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图5 碳含量对强度、韧性的关系
2.2[S]含量的影响
S是钢中又一危害元素，S的增加使钢的热裂倾向增加，因而使中间裂纹增加，S在钢中溶解度极小，与Fe形成FeS，FeS能与FeO形成低熔点（946℃）热脆性共晶体，并在晶界析出，极易在晶界处发生裂纹，所以要尽可能降低钢中的S含量。统计表明，S降低得越多，中间裂纹缺陷发生率越低。如图6所示
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图6 钢中的[S]含量对中间裂纹的影响
2.3钢中Mn/S比的对铸坯中间裂纹的影响
由于锰与硫的亲和力大于铁与硫的亲和力，锰可与硫形成高熔点的MnS（熔点1600℃）取代低熔点的FeS（Fe和FeS的共晶熔化温度为988℃），降低FeS在晶间析出的几率，减少钢材热脆性，同时MnS能够抑制晶粒长大及促进晶内铁素体的析出，并且锰能够提高钢的强度。钢种提碳降锰后，硫含量不变，Mn/S降低造成低熔点的FeS在晶间析出，铸坯出现内裂，热轧轧制过程对裂纹反复拉扯，裂纹扩展到铸坯表面，经轧辊压入钢板表面后形成结疤缺陷。
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图7 Mn/S对表面纵裂的影响 图8 C含量和Mn/S比对裂纹的影响
2.4二冷强度对铸坯中间裂纹的影响
铸坯在扇形段内二冷区的冷却对铸坯内部的中间裂纹有显著影响，二冷总水量的大小和分布对铸坯的凝固坯壳厚度、凝固组织的构成及铸坯高温力学强度都有影响。二冷水的均匀分配，可避免铸坯在凝固过程的大幅回温，有利于减少中间裂纹的产生。有关文献指出在一定范围内，适当提高冷却强度能减低铸坯出现裂纹的几率，减少铸坯中间裂纹长度和数量。
2.5拉速对铸坯内裂的影响
文献显示，在钢种w（Mn）/w（S）均为20的情况下，快速冷却条件下钢中S以FeS形式存在的比例高达29%，而慢冷条件下钢中S以FeS形式存在的比例仅为7%，因此在采用自动配水条件下，降低拉坯速度也就是降低了冷却速度，可减少FeS的比例，从而减少了中间裂纹的发生。
2.6 铸机的设备状况（主要是扇形段的弧度、辊缝开口度）
中间裂纹出现在扇形段内，当扇形段対弧不良或开口度偏差大时，凝固前沿受到折叠应力，当凝固前沿某一局部位置的张力应变超过该处的极限应变值时，固液交界面出现裂纹。生产时间表明当铸机対弧精度在0.5mm，铸机辊缝偏差在0.5mm以内时，能够有效减少铸坯内裂的产生。
3、改进措施
1、冶炼采用炉后脱硫工艺，使用小颗粒活度大的石灰，将钢水中的硫含量尽量降低到0.015%以下。
2、连铸工序将二冷比水量由原来的0.77 L/kg提高到1.09L/kg，增加二冷强度，铸机采用双周定修模式，保证铸机设备精度满足生产质量要求。
3、（1）S≥0.025%时，铸坯产出后连铸车间通知精整车间封锁，每炉任选1块铸坯取一组酸洗样和低倍样；（2）S≥0.020%时，每炉任选1块铸坯取一组酸洗样和低倍样。
4、当冶炼出站的最后一个样S含量≥0.017%时，连铸主控要通知浇钢工按以下要求控制速，0.17%≤S≤0.020%时，一区拉速：≤1.18m/min、二区拉速：≤1.15m/min；0.21%≤S≤0.025%时，一区拉速：≤1.15m/min、二区拉速：≤1.10m/min；S≥0.026%时，一区拉速：≤1.10m/min、二区拉速≤1.05m/min。关注中包温度变化，温度低时提前关死大包。
5、当S≥0.015%炉次，连铸必须将起机、收尾炉、拉速＜0.80m/min开始/结束时刻对应的拉坯长度和铸坯号记录清楚，并传递铸坯好给精整。
6、精整工序负责后续铸坯封锁处置，如果钢坯内裂严重，即将钢坯改中板轧制。
4、效果：
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通过进行工艺改进，中碳钢轧后横裂协议率由工艺调整前的5.44%，下降到工艺调整后的0.13%，中碳钢铸坯中间裂纹问题得到解决。
5、结语：
热轧普碳钢提碳降锰后，将钢中S含量降低到15个以下，Mn/S控制在20-30，能够有效抑制铸坯内裂产生，当连铸机二冷采用强冷后，能够抑制FeS在晶间析出，起到减轻铸坯内裂的作用。
参考文献：
[1]陈家祥 《炼钢常用数据图表手册》 冶金工业出版社 2010 877
[2]郑沛然 《炼钢学》 冶金工业出版社 1994 06
[3]崔忠圻 《金属学与热处理》 机械工业出版社 2000 179
[4]蔡开科 《连续铸钢原理与工艺》 冶金工业出版社 1994 12
论文作者:靳猛,李永武,王伦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/16
标签：裂纹论文; 中碳钢论文; 含量论文; 脆性论文; 强度论文; 熔点论文; 应变论文; 《基层建设》2019年第29期论文;