鞍钢含铌钢连铸坯常见缺陷分析与控制(最终稿)

1鞍钢含铌钢连铸坯常见缺陷分析与控制郭晓波（鞍钢股份有限公司技术中心）摘要与普碳钢相比，含铌钢连铸坯缺陷有着自身特点。笔者从高温性能、化学成分、连铸工艺等入手，介绍了鞍钢含铌钢连铸坯常见缺陷的产生原因，并结合生产实际，提出了缺陷控制措施。关键词含铌钢横裂纹中心疏松中心偏析1前言鞍钢铌微合金化技术的研究始于上世纪80年代，截止到目前，铌作为有效的微合金元素已被广泛地应用在鞍钢石油管线用钢、汽车用钢、造船板、工程机械用钢、建筑用钢、桥梁用钢、压力容器用钢等高附加值钢种的生产中。但是，随着含铌钢品种及产量的不断增加，连铸坯质量问题也日益暴露出来。本文从铸坯高温性能、化学成分、连铸工艺等入手，介绍了鞍钢含铌钢连铸坯常见缺陷的产生原因，并结合生产实际，提出了缺陷控制措施。2含铌钢连铸坯缺陷描述与普碳钢相比，含铌钢连铸坯缺陷有着自身特点。生产中发现，与铌元素有关联的连铸坯缺陷有两种，一种是铸坯表面横裂纹，这种缺陷经常出现在铸坯内弧侧振痕波谷处，发生几率明显高于普碳钢；另一种是由于铌在铸坯凝固末端的偏聚而导致连铸坯中心疏松和中心偏析倾向严重。鞍钢的热连轧卷板生产、特别是ASP连铸连轧工艺的采用，由于取消了下线清理工序，一旦连铸坯产生表面横裂纹，会遗传到成品板上，造成质量废品，因此，连铸连轧工艺对含铌钢连铸坯的表面质量要求尤为严格。在中厚钢板的生产中，由于可以进行下线清理，铸坯表面横裂纹的危害问题不是特别突出，一般较轻的裂纹经过加热氧化后，可以随氧化铁皮除掉，但严重的表面裂纹需清理之后继续进行后续轧制。影响中厚钢板质量的主要问题是铸坯中心疏松和中心偏析，由于中厚钢板压缩比小，铸坯内部缺陷一旦不能压合，会降低板材使用性能和探伤合格率；典型缺陷形貌见图1～6。图1X60管线钢铸坯缺陷图2X70管线钢铸坯缺陷2图3X60管线钢成品缺陷图4X70管线钢成品缺陷图5DH36高强船板铸坯缺陷图6DH36高强船板成品缺陷3含铌钢连铸坯检验与分析生产中对缺陷种类的正确判别非常重要，为了搞清含铌钢连铸坯表面横裂纹和内部疏松、偏析等缺陷的微观形貌特征，以含铌管线钢、高强船板为例，进行了相关实验及检验分析。3.1含铌管线钢高温热塑性实验与普碳钢相比，含铌钢连铸坯中Nb、V等合金元素的细微碳、氮化物析出会导致铸坯脆性提高，从而增加表面裂纹发生率。为了掌握含铌钢的高温热塑性变化特点，在GLEEBLE-3800热模拟机上进行了管线钢高温热塑性曲线测量实验，实验钢种为X60、X65、X70，试样化学成分见表1。实验中拉伸速率为10E-3/s。3表1试样化学成分，Wt%钢种CSiMnPSAlsNNbVTiBX600.0800.191.320.0180.0070.0240.00330.0390.0270.0130.0001X650.0750.191.480.0170.0060.0260.00380.0500.0500.0120.0001X700.0570.241.540.0120.0010.0260.00260.0590.0480.0040.0001X60热塑性曲线0.020.040.060.080.0100.0500700900110013001500温度（℃）断面收缩率（%）图7X60管线钢高温热塑性X65热塑性曲线02040608010002004006008001000120014001600温度（℃）面缩率（%）图8X65管线钢高温热塑性4X70热塑性曲线0.020.040.060.080.0100.0500700900110013001500温度（℃）断面收缩率（%）图9X70管线钢高温热塑性图7、8、9为测试的三个钢级管线钢铸坯高温热塑性曲线，从图上看，如果以面缩率小于40%为第Ⅲ脆性区，三个钢级管线钢都存在明显的第Ⅲ脆性区，但脆性区间略有不同；X60的第Ⅲ脆性区间为775℃～850℃，X65的脆性区间最窄，为750℃～800℃，X70的脆性区间最宽，为725℃～900℃；脆性区间与各试样中Nb、Ti、C、N等元素含量有很大关系，一般Ti在高温时以TiN的形式析出，可减少与Nb反应的N含量，从而降低Nb(C、N)等的析出量，对改善含铌钢的热塑性有益；实验中由于X70试样的Ti含量略低，造成其脆性区间范围变宽。3.2含铌管线钢表面横裂纹缺陷检验取带有横裂纹的X60管线钢铸坯试样，经打磨、抛光、腐蚀之后，在光学显微镜下观察，结果显示，横裂纹从铸坯表面向基体深入，并伴随着裂纹扩展，裂纹两侧微观形貌与正常位置铸态组织相近（见图10、11），说明这种裂纹属于低温裂纹，即裂纹产生于相变之后。用扫描电镜、透射电镜等检测手段对横裂纹作了进一步检验，SEM显示裂纹中Nb含量偏高，TEM显示裂纹附近析出大量10~20nm尺寸的铌钛复合碳氮化物，并且析出相呈明显偏聚特征，见图12、13、表2。图10正常位置图11横裂纹处5表2铸坯横裂纹处成分Wt%At%NbTiMnFeNbTiMnFe46.576.251.1245.8834.18.841.3955.67图12横裂纹SEM照片图13横裂纹TEM照片国内外学者对含铌钢连铸坯横裂纹的产生原因进行过大量研究，一致认为，横裂纹产生经历三个过程，既：在初生坯壳的形成过程中，伴随着包晶反应的发生，初生坯壳受到结晶器的摩擦力、相变力、热应力、钢水静压力等，由于坯壳生长的不均匀性，上述应力超过凝固前沿钢的临界强度时，在坯壳薄弱处(一般为振痕的波谷)产生微细裂纹，同时，沿奥氏体晶界析出AlN、Nb(C、N))等沉淀物，产生晶间断裂；二冷区冷却不均匀或局部冷却强度过大造成裂纹扩展；在矫直区，铸坯矫直温度进入脆性区间，弧形铸坯内弧受到张力，外弧受到压力，由于振痕的缺口效应产生应力集中，加速了横裂纹的形成和扩展，最终在受到张力的铸坯内弧产生表面横裂纹[1]。由于连轧的变形特点，管线钢成品表面缺陷通常是沿轧向不规则地分布在钢板表面上，钢板边部出现为多，有少部分位于皮下；形状呈带状、线状、舌状或鱼鳞片状，有张开的，有闭合的，有一部分与带钢本体相连，在对钢板进行表面检查时用肉眼即可辨认。图14、15是带有缺陷的管线钢成品微观检验照片，从抛光态试样发现，缺陷内部裹夹着氧化铁皮，并伴随氧化物雾点存在；试样经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，发现缺陷两侧均有不同程度的脱碳和组织流变现象。图14X60管线钢成品缺陷（抛光态）6图15X60管线钢成品缺陷（腐蚀态）通常把成品缺陷部位是否存在氧化雾点、脱碳和组织流变作为判别缺陷是在炼钢还是轧钢工序形成的依据，因为氧化雾点是高温下缺陷中氧化铁前沿氧扩散、析出的产物，而脱碳是由于铸坯在高温加热条件下，导致碳因氧化而损失。氧化雾点、脱碳均属于高温产物，是在加热工序产生的，检验结果进一步证明了含铌钢连铸坯横裂纹经加热、轧制后会遗传到钢板表面。3.3含铌高强船板内部缺陷检验要求探伤钢属于高附加值用钢，提高探伤合格率对中厚板材生产的经济效益影响巨大。近年来，随着鞍钢精炼技术装备水平的不断提升，钢质纯净度越来越高，大颗粒外来夹杂物缺陷已经很少见，困扰鞍钢中厚板材生产的主要缺陷是钢板断口分离和探伤不合。根据生产中大量取样分析发现，断口分离和探伤不合都与成品板材试样中心存在缺陷有关，见图16、17、18、19、20、21。以AH36高强船板为例，对生产中发现的探伤不合铸坯和钢板进行复探和缺陷定位后，取金相试样，经打磨、抛光在光学显微镜下观察，发现铸坯和钢板中心均存在疏松孔洞和偏析裂纹。进一步对成品缺陷板进行SEM检验发现，在钢板心部凝固末端处存在片状MnS和“富铌相”，“富铌相”的数量甚至多于MnS，见表3、4。另外，SEM检验中还发现了Ti元素，一般加入的铌铁中并不存在Ti元素，说明大量“富铌相”的产生是选分结晶的结果，既属于铌在凝固末端的偏聚析出现象。图16断口分离宏观形貌图17断口分离微观形貌7图18铸坯疏松孔洞图19钢板疏松孔洞图20铸坯偏析裂纹图21钢板偏析裂纹图22片状MnS表3片状MnS能谱成分ElementWt%At%SK16.2225.12MnK27.4524.80FeK56.3350.088图23“富铌相”表4“富铌相”能谱成分ElementWt%At%NbL75.4462.93TiK12.9520.95FeK11.6216.12为了定量分析偏析程度，在国家钢铁材料测试中心，利用金属原位分布仪进行了AH36铸坯偏析度测量，被测样品钢种AH36，化学成分为：C0.10%，Si0.36%，Mn1.50%，P0.011%，S0.004%，Nb0.04%，V0.05%，Ti0.013。图24、25显示的是AH36铸坯Nb元素分布二维等高图和二维剖图，从图上看，铸坯中Nb元素二维等高图存在明显的红色区域，二维剖图峰值明显，Nb元素最大偏析度达到2.508。图26、27、28、29显示的是铸坯中C、P、S、Ti四种易偏析元素的二维等高分布图，图上四种元素二维等高图也都存在明显的红色区域，说明AH36受检铸坯的中心偏析是多种元素选分结晶综合作用的结果。图24铸坯Nb元素分布二维等高图图25铸坯Nb元素二维剖图9图26铸坯C元素分布二维等高图图27铸坯P元素分布二维等高图图28铸坯S元素分布二维等高图图29铸坯Ti元素分布二维等高图AH36含铌高强船板铸坯中心C、S、P、Ti、Nb元素的偏析直接导致铸坯中心疏松和中心偏析。铸坯中心疏松，尤其是较严重的局部疏松孔洞，很难在后续轧制过程中压合；偏析元素在铸坯中心的富集，导致中心部位过冷奥氏体转变曲线左移，这样，即便是在冷速很低的条件下也会产生贝氏体和马氏体等过冷组织，这样，轧件在组织应力、变形不均的宏观应力以及冷却不均产生的热应力的相互作用下会产生偏析裂纹；由于未轧合的疏松孔洞和偏析裂纹破坏了基体的连续性，最终导致钢板探伤不合；同时，Nb元素的偏聚还会影响铌铁的收益率，使Nb的有益作用变成了有害作用。资料上有把这种“富铌相”称作富铌共晶体的报道，它的形成机理是：含铌亚包晶钢在凝固过程中，先生成的δ相碳含量低，溶体中的碳排向液固前沿，当溶体温度降至1495℃时，发生包晶反应，这时δ相与碳含量0.53%的溶体生成碳含量0.15%的γ相。由于γ相的铌含量低，δ相中固溶的铌将扩散至液固前沿的溶体中。当液固前沿过冷液体温度降至1358℃、而溶体中的铌含量达到一定时，生成Fe-Fe2Nb共晶体，既“富铌相”。另外，含铌亚包晶钢中含有的硅、锰元素可能促进Fe-Fe2Nb同时抑制NbC的生成[2]。如果铸坯较厚，或者是拉速慢，引起铸坯冷却速度降低，就很有可能生成Fe-Fe2Nb。综合以上分析，鞍钢AH36高强船板连铸坯的化学成分和冷速具备生成“富铌相”的条件。4控制缺陷措施为了最大限度地降低含铌钢连铸坯缺陷发生率，保证生产顺行，提高产品实物质量，鞍钢在含铌钢连铸坯以及后续生产中采取了一系列控制措施。4.1热连轧卷板生产4.1.1化学成分控制对钢的化学成分而言，提高钢的高温强度和塑性的化学元素对减轻含铌连铸坯表面裂纹10的发生有利。如：随着Mn含量的提高，钢的高温强度和塑性不断提高，裂纹敏感性逐渐下降，断面收缩率提高，高温塑性改善。加Ti后，由于碳氮化物形态的改变，促进了晶内铁素体的析出，使组织得到了改善，抑制了应力向γ晶界附近集中，从而使含Nb钢高温韧性得到改善。含铌钢实际生产中主要控制以下成分，既Mn/S＞100、Ti/S＞2～4、N含量＜0.004%等。另外，ASP生产线含铌钢种C成分设计范围大都避开包晶区，以便最大限度地减小由于体积收缩而带来的裂纹敏感性增加倾向。4.1.2连铸工艺控制动态二冷水控制结合含铌钢连铸坯不同钢种的高温热塑性特点，采用动态二冷水控制，既在不同铸造条件下动态控制二冷水，获得理想的铸流表面温度分布；应用在线数据（钢种、钢水温度、拉速等），利用数学模型实时计算铸流内部与表面温度分布场、铸坯坯壳厚度，然后控制每段二冷水流量，使目标温度分布和计算所得温度分布之间差别最小。另外，针对中国东北地区季节性温差较大的情况，二冷配水模型中还考虑了水温变化对含铌钢种表面缺陷的影响。由于冬季N