低合金鋼寬厚板強冷直裝工藝研究

康偉

(1．海洋裝備金屬材料及應用國家重點實驗室 遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院煉鋼技術研究所，遼寧 鞍山 114009)

摘要：為明確強冷工藝對Q345B鋼鑄坯質量的影響，進行了Q345B鋼高溫熱塑性、CCT曲線及相轉變點的測試分析，對比分析了強冷下線鑄坯、正常冷卻下線鑄坯的低倍形貌、枝晶分布、金相組織、析出相，結果發現Q345B鋼在700℃-900℃塑性較低，鋼種的Ar3～Ar1兩相轉變區也在此范圍內，由于γ晶界析出的先共析鐵素體（α相）網膜以及兩相區混晶組織的不良影響，此溫度區間直裝容易產生裂紋，強冷工藝可以縮短兩相區的停留時間，能夠有效避免裂紋的產生；強冷、正常冷卻鑄坯低倍形貌、枝晶分布基本相同，強冷鑄坯金相組織主要為外部的馬氏體、馬氏體+下貝氏體，內部由下貝氏體組成，正常冷卻鑄坯金相組織主要為外部的貝氏體、馬氏體+下貝氏體，內部由鐵素體+珠光體組成，析出相基本相同，均為以(Ti、Nb、C、N)為主組成的析出物，視場、位置相同的情況下，強冷鑄坯析出相數量比正常冷卻鑄坯多。

關鍵詞：強冷直裝；強冷工藝；厚板直裝

Research on Direct Charging of Low Alloy Steel Wide-Thick Slab by Intensive cooling

Wei Kang

(1.Key Laboratory of Metal Materials for Marine Equipment and Application, Anshan 114009, Liaoning, China；2.Steelmakig Department of Ansteel Iron & Steel Research Institutes, Anshan 114009, Liaoning)

Abstract：In order to understand the the quality change of Q345B slab by intensive cooling, hot ductility and CCT curve , phase transformation point were measured , after industrial trials, the morphology of macrostructure，the distribution of dendrite microstructures, metallographic microstructure, precipitates were compared between intensive cooling slab and normal cooling slab, It is found that Q345B has lower plasticity at 700℃-900℃, Q345B two-phase Ar3～Ar1 transition region also in this range, due to the thin ferrite layers around austenite grain boundary and mixed grain structure, cracks easily generate if direct charging at this temperature zone , it can be avoided by intensive cooling technique through reducing the residence time in the Q345B two-phase region. it is found that the morphology of macrostructure and the distribution of dendrite microstructures are basically the same, intensive cooling slab has martensitic structure, martensitic and lower bainite structure outside, lower bainite structure inside. normal cooling slab has bainite structure, martensitic and lower bainite structure outside, ferrite and pearlite structure inside. the precipitates are basically the same, the precipitates chemical composition are Ti, NB, C, N,  intensive cooling slab has more precipitates than normal cooling slab under the same location and vision field.

Keywords: direct charging by intensive cooling; intensive cooling technique; direct charging of wide-thick slab

前言

很多學者對直裝軋板的表面裂紋形成機理進行了研究[1-7]，但結論各不相同。比較一致的看法是直裝時鑄坯熱變化過程影響了鑄坯組織、析出相變化，鑄坯內產生的混晶組織、殘余先共析鐵素體等等，最終導致直裝軋板表面裂紋的發生。結合上述理論研究，科研人員進行了低合金鋼寬厚鑄坯直裝工藝研究，以鑄坯表面溫度為參數，劃分直裝工藝為三個溫度區間，分別進行了工業試驗，結果發現低溫區和高溫區直裝時后續軋制或冷彎時板坯未出現裂紋，中溫區直裝軋制后板坯表面出現裂紋，由于高溫區直裝受到生產節奏等因素限制，因此低溫區直裝工藝成為研究重點[8]。

低溫區直裝的指導思想是讓鑄坯快速冷卻到Ar1以下，鑄坯內部組織變化與冷裝鑄坯一致，從而避免直裝軋板表面裂紋的產生，但在實際生產中，很難實現不下線鑄坯從中心到表面全部冷卻到Ar1以下，鑄坯強冷工藝可以實現鑄坯表面溫度控制在Ar1以下，從而避免直裝軋板表面裂紋的產生。目前，某鋼廠已經將鑄坯強冷直裝工藝應用到低合金鋼寬厚板產品的生產中，所生產的直裝軋板表面無裂紋缺陷，各項指標均滿足要求，通過對鋼種的高溫性能、鑄坯的組織轉變、鑄坯的低倍及枝晶、鑄坯內的析出相的檢驗分析，對比研究了強冷工藝與常規冷卻工藝對鑄坯質量的影響。

1.直裝鋼種的高溫物性研究

選取含有微合金元素Q345B鋼種作為研究對象，鋼種成分見表1，分別對其進行了熱強性、熱塑性及CCT曲線的測定。

表1 Q345B鋼化學成分

Table.1 The chemical composition of Q345B steel

1.1 Q345B鋼熱塑性測定

由圖1可以看出，Q345B鋼溫度在700℃-900℃區間塑性明顯較低，主要是由于γ晶界析出的先共析鐵素體（α相）網膜造成的，該溫度區域，α相強度只是γ相的大約1/4，應力作用下，變形將主要集中在沿γ晶界分布的α相中，當應力超過晶界α相所能承受的強度時，在α相中便會生成空洞，空洞聚合長大最后發展成裂紋[9]。

1.2Q345B鋼相轉變點及CCT曲線測定

采用膨脹測量法并結合金相-硬度法測定了Q345B鋼的連續冷卻轉變曲線（CCT曲線）及組織演變，試驗測得Q345B鋼相轉變點為Ac1：715℃；Ac3：848℃；Ar3：762℃；Ar1：609℃；Ms：414℃（計算），圖2為Q345B鋼的CCT曲線：

根據圖2分析，試驗鋼室溫下的金相組織可能為貝氏體+馬氏體、鐵素體+珠光體+貝氏體、鐵素體+珠光體，冷卻曲線（a、b、c）條件下試驗鋼室溫金相組織見圖3。

2. 強冷直裝工藝應用研究

表2鑄機的主要工藝參數

Table.2 the process parameters of caster

鑄機冷卻系統開發了三種強冷工藝模型[8]，分別是彎曲段強冷工藝模型、矯直區強冷工藝模型、鑄機末端強冷工藝模型，經工業試驗驗證，不同模型可以控制的鑄坯中心和表面溫度如下表：

表3 強冷工藝控溫能力（℃）

Table.3 The temperature control ability by intensive cooling （℃）

根據Q345B鋼熱塑性曲線測定結果，若在彎曲段或矯直區實施強冷，鑄坯在矯直區間會落入700℃-900℃間低塑性區，容易發生裂紋，因此試驗選擇鑄機末端強冷工藝，從鑄坯表面溫度控制上看也避開了Ar3～Ar1兩相區間，避免了直裝裂紋產生的內在因素。

試驗選取同一澆次的不同罐次作為研究對象，對其中一罐進行強冷直裝（強冷后鑄坯有一部分下線緩冷后留作檢驗，其余全部直裝），對另一罐進行正常冷卻下線緩冷后裝爐，出鑄機強冷工藝鑄坯內弧表面中心溫度為500℃-600℃，正常冷卻鑄坯內弧表面中心溫度為700℃-800℃；跟蹤上述兩種不同熱過程的鑄坯裝爐后軋制的成品板表面質量，兩種軋板的表面、冷彎后表面均未發現裂紋；取強冷下線鑄坯及正常冷卻下線鑄坯進行了枝晶、金相組織及析出相的檢驗，取兩種工藝軋制后的板坯進行了析出相檢驗。

2.1鑄坯低倍檢驗

兩種鑄坯低倍熱酸腐蝕后柱狀晶的檢驗結果如圖4、圖5所示

通過對比圖4、圖5鑄坯低倍形貌，發現兩種冷卻條件下鑄坯的低倍形貌并沒有較大差異。

2.2鑄坯枝晶檢驗

鑄坯細小等軸晶區的統計結果見表4、表5：

表4  強冷鑄坯表面細小等軸晶厚度（11-21：鑄坯左窄側-鑄坯右窄側）

Table.4 the small equiaxed grains thickness in the intensive cooling slab surface(11→21:L→R)

表5 正常冷卻鑄坯表面細小等軸晶厚度（31-41：鑄坯左窄側-鑄坯右窄側）

Table.5 the small equiaxed grains thickness in the normal cooling slab surface(31→41：L→R)

從檢驗結果看，兩種鑄坯在內弧、外弧側細小等軸晶厚度上差異不大，并且同時存在鑄坯左側細小等軸晶區厚度大于鑄坯右側的現象，區別較大的是鑄坯窄側，強冷鑄坯窄側細小等軸晶厚度遠遠大于正常冷卻鑄坯。

2.3鑄坯金相檢驗

將強冷鑄坯22樣從內弧表面到外弧表面加工出4個試樣，分別為221、222、223、224，繼續加工強冷試樣221、222，將正常冷卻鑄坯42樣從內弧表面到外弧表面加工出4個試樣，分別為421、422、423、424，繼續加工強冷試樣421、422，結果如下圖所示：

從CCT曲線分析，連鑄坯下線后，依據冷卻條件的不同鑄坯內部可能會呈現出馬氏體、馬氏體+貝氏體、鐵素體+貝氏體+珠光體、鐵素體+珠光體的不同金相組織區域，根據試樣金相形貌初步判斷，21、41樣為貝氏體和一小部分馬氏體形態，21樣中馬氏體含量較高，41樣中貝氏體含量較高；22、23、42、43樣為鐵素體+貝氏體+珠光體，22、23樣中貝氏體呈現下貝氏體形態，試樣中珠光體組織較少，42、43樣中貝氏體呈現上貝氏體形態，試樣中出現較多的珠光體；24、23樣為下貝氏體+馬氏體組成，兩試樣中下貝氏體含量較高。

從金相組織分析結果看，強冷鑄坯金相組織主要為外部的馬氏體、馬氏體+下貝氏體，內部下貝氏體組成；正常冷卻鑄坯金相組織主要為外部的貝氏體、馬氏體+下貝氏體，內部鐵素體+珠光體組成。

2.4鑄坯析出相檢驗

直裝過程中，尤其是含有微合金元素的鋼種直裝時，析出相對軋板裂紋產生有著顯著影響，通過熱力學計算軟件Thermo_Calc完成了Q345B鋼析出相分析，結果見下圖：

由圖8可以看出析出相中主要成分為NB、Ti、C，1400℃-1200℃區間內，Ti元素優先析出，NB元素析出的較晚，當Ti逐漸完成析出時，NB元素析出量逐漸達到峰值，因此圖中顯示出Ti元素的質量分數逐步下降，而NB元素的質量分數逐步上升，兩種元素的質量分數在1000℃附近達到恒定，說明析出轉變在此溫度附近已經完成。

通過二次碳復型的方法萃取21-24樣、41-44樣、直裝軋板及冷狀軋板中的析出相，直裝、冷裝軋板厚度均為10mm，應用Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡進行分析，結果如下：

通過圖9可以看出，直裝軋板析出相主要以(Ti、NB、C、N)為主，尺寸在0.04μm居多，冷裝軋板析出相主要以（Ti、C、N）為主，尺寸跟直裝軋板析出相大致相同，相同視場條件下，直裝軋板析出相要比冷裝軋板析出相多。圖10為強冷、正常冷卻鑄坯中的析出相，經過檢驗，兩種鑄坯內部均為以(Ti、NB、C、N)為主組成的析出物，41→44、21→24金相樣的截取位置為從鑄坯內弧表面到鑄坯中心，從圖中相同倍數的視場下觀察，強冷鑄坯析出相數量要多于正常冷卻鑄坯，兩種鑄坯的內弧表面位置析出相數量最多，而其它位置析出相數量較少。強冷、正常冷卻鑄坯，直裝、冷裝軋板析出相基本相同，均為以(Ti、NB、C、N)為主組成的析出物，但從析出相數量上來看，強冷條件有利于析出相的增加，析出相較集中分布于冷卻條件較好的表層。

3.結論

由于先共析鐵素體網膜的作用，Q345B鋼溫度在700℃-900℃有明顯的低塑性區，Q345B鋼Ar3～Ar1兩相轉變區也在這個低塑性區間，如果這個區間直裝，容易導致裂紋的產生；另外從Q345B鋼的CCT曲線分析，冷卻速度不同，鑄坯所經歷的組織轉變不同，快速冷卻條件下，可以縮小奧氏體向鐵素體的轉變區間，如果冷卻條件足夠大，甚至不發生奧氏體向鐵素體的轉變，這樣就減少了先共析鐵素體網膜的作用，同時鑄坯停留在Ar3～Ar1兩相轉變區的時間也較短，抑制了混晶組織缺陷的產生，因此，強冷工藝能夠避免微合金鋼直裝軋板裂紋缺陷，結合實際的應用效果，可以得出以下結論：

（1）Q345B鋼低溫區強冷直裝能夠避免先共析鐵素體的影響，抑制混晶組織缺陷的產生，有效避免直裝軋板裂紋缺陷的產生；

（2）強冷、正常冷卻工藝對鑄坯的低倍形貌、枝晶分布影響不大，兩種工藝條件下鑄坯的低倍形貌、枝晶分布基本相同；

（3）從金相組織分析結果看，強冷鑄坯金相組織主要為外部的馬氏體、馬氏體+下貝氏體，內部下貝氏體組成；正常冷卻鑄坯金相組織主要為外部的貝氏體、馬氏體+下貝氏體，內部鐵素體+珠光體組成；

（4）從析出相分析結果看，直裝、冷裝鑄坯，直裝、冷裝軋板析出相基本相同，均為以(Ti、NB、C、N)為主組成的析出物，視場、位置相同的情況下，強冷鑄坯析出相數量比正常冷卻鑄坯多，直裝軋板析出相數量比冷裝軋板多，無論哪種冷卻條件下，析出相在鑄坯靠近表面的位置數量較多。

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