微合金钢铸坯第二相析出行为及表层组织演变研究

【摘要】： 本文以宝钢3#直弧型铸机所生产的微合金钢铸坯为研究对象,通过分析其角部微观组织特征与第二相析出物的形貌与分布,对其角部横裂纹产生的原因进行了剖析。根据宝钢微合金钢铸坯角部横裂纹发生的基本特征,认为产生铸坯角部横裂纹的根本原因是:在传统连铸过程中,受到二维冷却的铸坯角部温度较其它部位低,弯曲时,其角部温度不可避免地处于其700～900℃的低塑性温度区。角部表层微观组织处于奥氏体向铁素体相变状态,两相共存,其中奥氏体晶界有膜状先共析铁素体与链状析出物析出,且组织粗大。在弯曲应力的作用下,应变集中在铁素体膜上,裂纹由此产生并传播。 针对上述铸坯角部横裂纹的形成原因,采用共聚焦激光显微镜、重熔凝固冷却实验设备、扫描电镜、透射电镜等,研究了微合金钢连铸过程中的表层微观组织演变规律,结合宝钢连铸机参数与生产工艺特点,认为要从根本上消除角部横裂纹,必须通过提高铸坯表层组织的抗裂纹能力。根据铸坯表层微观组织控制工艺思路,分析了铁素体析出动力学与微合金元素碳氮化物析出热力学与动力学,研究了冷却速度对铸坯的微观组织与第二相析出物析出行为的影响。得到了微合金钢中微合金元素碳氮化物析出行为与冷却速度的定量关系:碳氮化物析出体积分数与冷却速度呈指数的倒数关系,即V f = A?exp( ?B?υc);析出物尺寸与冷却速度呈幂函倒数数关系,即D p = C?υc?n。认为增大微合金元素析出温度范围的冷却速度,可控制微合金元素碳氮化物的析出行为。随冷却速度增大,析出物体积分数越小,尺寸越细小,先共析铁素体的析出行为得到抑制。钢中的微合金元素碳氮化物对先共析铁素体的形成有较大影响,碳氮化物可以作为形核剂,促进先共析铁素体的形核,并在析出生成碳化物时,消耗了晶界的碳,使局部碳浓度下降,促进了铁素体析出。 综合以上研究成果,提出了铸坯表层微观组织控制(SMC)工艺的各工艺参数:获得原奥氏体晶界无膜状仿晶界铁素体、晶界无链状微合金元素析出物微观组织的最佳冷却速度范围是3℃·s-1～6℃·s-1,最佳冷却温度是最佳冷却速度下微合金钢的γ→α转变开始温度,最佳回温温度为高于微合金钢的Ac3温度。结合宝钢3#铸机参数及工作拉速,实现表层微观组织控制(SMC)工艺的最佳冷却速度为5℃·s-1,最佳冷却温度为660℃,最佳回温速度为3℃·s-1,最佳回温温度为870℃。 通过重熔凝固冷却实验,模拟并优化了实现铸坯表层微观组织控制(SMC)工艺所需的冷却条件。优化后的宝钢3#铸机二冷段实现铸坯表层微观组织控制工艺的方案如下:将原窄面的喷咀只保留垂直段上部的5排,并将喷咀1/4KSH16113H换成3/8KSH37128H,原1/4KSH0889H换成1/4KSH16113H,将垂直段宽面靠角部的6号辊以下的4排喷咀关闭;保持各区的总水量不变,在此基础上对2区总水量正负25%幅度内进行实验,并确定更优的现场水量;300厚断面,更换后的3/8KSH37128H与1/4KSH16113H喷咀安装高度分别为65mm、50mm。200厚断面,安装高度均为50mm。 通过试验铸机对铸坯表层微观组织控制(SMC)工艺的生产实验,传统冷却条件下的铸坯微观组织与微合金元素析出物分布与现场铸坯基本一致,原奥氏体晶界有明显的膜状先共析铁素与链状析出物,室温下组织粗大。而铸坯表层微观组织控制工艺条件生产的铸坯,其原奥氏体晶界没有膜状先共析铁素体,析出物均匀弥散分布于基体中,且室温组织细小。对试验铸机生产的铸坯热拉伸实验结果表明,传统冷却条件下的试验铸机生产的铸坯,在700～900℃间有明显的低塑性区,其断面收缩率小于40%。而在铸坯表层微观组织控制工艺冷却条件下,铸坯在此温度区间的塑性保持较高值,断面收缩率甚至接近传统冷却条件下铸坯在900℃的热塑性。 实验室模拟与试验铸机生产实验表明,应用铸坯表层微观组织控制(SMC)工艺方法,大大提高了铸坯表层组织的热塑性,使传统工艺中的低塑性温度区消失,降低了铸坯的裂纹敏感性,有望从根本上达到消除铸坯表面横裂纹的目标。