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改善和提高連鑄坯的凝固組織是獲得高性能最終產(chǎn)品的重要一環(huán)。在一般情況下,連鑄坯從邊緣到中心的凝固組織是由細(xì)小等軸晶帶、柱狀晶帶和中心等軸晶帶構(gòu)成。細(xì)小等軸晶帶位于連鑄坯的表層,當(dāng)液態(tài)鋼水進(jìn)入結(jié)晶器時(shí),鋼水與銅壁結(jié)晶器接觸,冷卻速度很快,在鑄坯的邊緣形成了細(xì)小等軸晶帶;柱狀晶帶位于細(xì)小等軸晶帶的內(nèi)側(cè),細(xì)小等軸晶帶的形成過程伴隨著鑄坯的體積收縮,當(dāng)鑄坯脫離銅壁時(shí)就形成了氣隙,降低了傳熱速度,鑄坯形成了柱狀晶區(qū);等軸晶帶位于連鑄坯的中心,隨著凝固前沿的推移,凝固層和凝固前沿的溫度梯度逐漸減小,兩相區(qū)寬度逐漸增大,鑄坯心部液相溫度降至液相線后,心部開始結(jié)晶,由于心部傳熱的單相性已不明顯,形成等軸晶,傳熱受到限制,晶粒較激冷層粗大。

在連鑄過程中防止鑄坯產(chǎn)生裂紋是鑄坯質(zhì)量非常重要的一個(gè)問題。隨著連鑄鋼水的冷卻和凝固,將發(fā)生液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮等現(xiàn)象,其中固態(tài)收縮量比較大,在溫降過程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,在相變過程中會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力,這些內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生是引發(fā)鑄坯裂紋的根源,因此,固態(tài)收縮對(duì)鑄坯質(zhì)量影響最大。

連鑄坯的缺陷主要包括連鑄坯的純凈度、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和外觀形狀等幾個(gè)方面,其中比較主要的有兩類:表面缺陷和內(nèi)部缺陷。表面缺陷是影響連鑄產(chǎn)量和連鑄坯質(zhì)量的重要缺陷,包括表面縱裂紋、橫裂紋、網(wǎng)狀裂紋、皮下夾雜和皮下氣孔等;內(nèi)部缺陷主要包括中心偏析、中心疏松、中間裂紋、皮下裂紋和夾雜等,這些內(nèi)部缺陷是由于鑄坯的鼓肚、帶液芯彎曲和矯直、鑄坯表面溫度回升所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和部分過剩富集溶質(zhì)元素充填枝晶的間隙等因素影響下形成的。這些缺陷對(duì)軋材的最終質(zhì)量影響較大,在后部工序的加工中不可能消除。

連鑄坯的表面缺陷中,縱裂紋多發(fā)生在板坯寬面的中央部位,方坯多發(fā)生在棱角處,主要是由于結(jié)晶器內(nèi)冷卻強(qiáng)度不均勻造成坯殼厚度不均勻,在坯殼薄的地方應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力超過坯殼的抗拉強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生了縱向裂紋。連鑄坯表面的橫向裂紋多出現(xiàn)在鑄坯的內(nèi)弧側(cè)振痕波谷處,通常是隱蔽看不見的,經(jīng)金相檢查,處于鐵素體網(wǎng)狀區(qū),也正好是初生奧氏體晶界,還可觀察到有細(xì)小析出物質(zhì)點(diǎn)存在,降低了晶界的結(jié)合力,誘發(fā)了橫向裂紋,與鑄坯縱向裂紋相比,它對(duì)連鑄坯質(zhì)量的影響更大。在高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)鋼的連鑄過程中,橫向開裂是一種常見的失效形式,很多研究者這方面開展了大量的研究工作,盡管研究條件和試驗(yàn)方法不盡相同,但試驗(yàn)結(jié)果卻呈現(xiàn)出比較一致的變化趨勢(shì),連鑄鋼在凝固收縮和固態(tài)收縮時(shí),在700~950℃存在一個(gè)塑性低谷區(qū),當(dāng)鑄坯表面施加機(jī)械負(fù)載(如矯直)時(shí),容易誘發(fā)橫向裂紋,因此可以說,連鑄坯橫向裂紋的產(chǎn)生與連鑄鋼的700~950℃的高溫脆性區(qū)密切相關(guān)。

圖1給出了不同鋼種連鑄坯的斷面收縮率與溫度的關(guān)系,圖1a是Mintz和Abushosha的試驗(yàn)結(jié)果,預(yù)加熱溫度為1330℃;圖1b是凝固試樣的試驗(yàn)結(jié)果。盡管試驗(yàn)方法不同,但試驗(yàn)結(jié)果是基本相同的。由圖可以看出,隨著溫度的降低,C-Mn鋼和鈮、釩微合金鋼的斷面收縮率的變化趨勢(shì)是相同的,隨著溫度的降低,鋼的斷面收縮率從950℃開始降低,到810~830℃塑性降至低谷,溫度繼續(xù)降低斷面收縮率又開始回升,到750℃附近塑性完全恢復(fù),幾種不同的試驗(yàn)鋼均存在一個(gè)類似的高溫塑性低谷區(qū)。

圖1  不同鋼種連鑄坯的斷面收縮率與溫度的關(guān)系

a-預(yù)加熱溫度為1330℃;b-凝固試樣

C-Mn鋼與鈮、釩微合金鋼的高溫塑性是有差異的,主要表現(xiàn)在高溫塑性低谷區(qū)的寬度和塑性開始降低的溫度不同。隨著溫度的降低,C-Mn鋼約從900℃斷面收縮率開始降低,當(dāng)溫度降至約820℃時(shí)C-Mn鋼的斷面收縮率最低,出現(xiàn)塑性低谷,溫度繼續(xù)降低時(shí)斷面收縮率又開始回升,當(dāng)溫度降至750℃左右時(shí)C-Mn鋼的塑性完全恢復(fù),因此對(duì)C-Mn鋼來說,從900~750℃就形成一個(gè)低谷區(qū)。

鈮、釩等微合金化元素對(duì)連鑄坯高溫塑性有影響,其中影響最顯著的是鈮。由圖1可以看出,含鈮鋼的上臨界溫度比較高,約為1000℃,比C-Mn鋼高出約100℃,而塑性完全恢復(fù)的下臨界溫度也相應(yīng)降低近100℃,因而含鈮鋼的高溫塑性低谷區(qū)的范圍明顯擴(kuò)大,這表明,含鈮鋼連鑄時(shí)在更寬的溫度范圍內(nèi)彎曲矯直時(shí)易產(chǎn)生橫向裂紋。N.Bannenberg對(duì)含鈮鋼的高溫?zé)崴苄砸策M(jìn)行了研究,如圖2所示,給出了鈮對(duì)鋼熱塑性的影響,從圖可以看出,當(dāng)溫度降低到1050℃時(shí)含鈮鋼的斷面收縮率開始降低,在830℃時(shí)含鈮鋼的斷面收縮率最低,繼續(xù)降低溫度裂紋處的斷面收縮率再次上升,到700℃塑性完全恢復(fù)。同時(shí)作者對(duì)斷面收縮率提出了一個(gè)臨界值的概念,規(guī)定澆注過程中斷面收縮率必須在75%以上方可避免橫向裂紋的產(chǎn)生。很顯然C-Mn鋼的產(chǎn)生裂紋的臨界范圍很窄,而含鈮鋼發(fā)生裂紋的臨界范圍要寬得多,在此溫度范圍內(nèi)經(jīng)受彎曲矯直等機(jī)械負(fù)載時(shí)很容易產(chǎn)生橫向裂紋,因此,連鑄時(shí)隨著鑄坯的連續(xù)冷卻,其表面、邊緣和棱角等各部分的溫度在降低到1000~700℃臨界范圍之前必須完成連鑄坯的彎曲矯直。

圖2  鈮對(duì)鋼熱塑性的影響

含釩鋼的高溫塑性與C-Mn鋼比較接近,介于C-Mn鋼和含鈮鋼之間。從塑性低谷區(qū)的寬度上看,釩微合金化鋼塑性低谷區(qū)寬度比C-Mn鋼向高溫方向略有增加;從塑性低谷區(qū)存在的溫度范圍上看,釩微合金化鋼塑性低谷區(qū)存在的溫度范圍比C-Mn鋼向高溫方向略有擴(kuò)展,盡管試驗(yàn)結(jié)果不盡相同,其溫度范圍向高溫?cái)U(kuò)展約為50℃。從上述塑性低谷區(qū)寬度及其存在溫度范圍兩方面看,釩微合金化鋼對(duì)鑄坯裂紋并不敏感,與C-Mn鋼比較接近,最敏感的是鈮微合金化鋼。但是,氮對(duì)釩微合金化鋼的高溫塑性低谷有影響,很多研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作。Mintz等人研究了釩和氮含量對(duì)0.1%C-1.4%Mn-0.03%Al鋼高溫塑性的影響,為便于對(duì)比,圖中也給出了0.03%Nb鋼的斷面收縮率,如圖3所示。當(dāng)釩氮含量比較低時(shí),即氮含量小于0.005%、釩含量小于0.1%時(shí),該鋼850℃的斷面收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.03%Nb鋼。隨著釩氮含量的提高,850℃的斷面收縮率逐漸降低,當(dāng)?shù)⑩C都比較高時(shí),即氮含量大于0.01%、釩含量大于0.1%時(shí),釩鋼的高溫塑性才與0.03%鈮鋼接近,這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于在連鑄條件下,析出的V(C,N)的粗化速率比Nb(C,N)快得多,因此對(duì)高溫塑性的損害比鈮小得多所致。氮含量的提高將促進(jìn)V(C,N)粒子在奧氏體中的析出,降低釩鋼的高溫塑性。對(duì)任何鋼來說,析出粒子體積分?jǐn)?shù)的增加都將導(dǎo)致高溫塑性的降低。

圖3  V、N總含量的乘積對(duì)850℃斷面收縮率的影響

大量研究和試驗(yàn)結(jié)果表明,在連鑄過程中,根據(jù)各類鋼高溫塑性低谷區(qū)的寬度和溫度范圍,嚴(yán)格控制二冷區(qū)的冷卻速度,采用平穩(wěn)的弱冷卻,使彎曲矯直時(shí)鑄坯的表面溫度高于碳氮化物的析出溫度,或高于γ→α相變溫度,或高于產(chǎn)生脆化的上臨界溫度,避開塑性低谷區(qū),不論釩鋼、氮釩含量高的V-N鋼、鈮鋼都可以防止鑄坯橫向裂紋的產(chǎn)生。此外,從采用合理的結(jié)晶器及高頻率小振幅、性能良好的保護(hù)渣、保持結(jié)晶器液面的穩(wěn)定性、降低鋼中的硫磷、抑制碳氮化物的晶界析出、通過二次冷卻使鑄坯表面層奧氏體晶粒細(xì)化、降低裂紋敏感性等措施,對(duì)防止鑄坯橫向裂紋的產(chǎn)生也有一定的幫助。