包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制_顾晔.pdf
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1、宝钢技术2023 年第 3 期包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制顾晔1,郭亮亮2,刘自成1(宝山钢铁股份有限公司 1 厚板事业部,上海200941;2 中央研究院,上海201999)摘要:通过对包晶合金钢厚板边裂缺陷系统研究,发现该缺陷与铸坯横向裂纹关系密切。采用金相显微镜、扫描电镜、热力模拟试验机、激光共聚焦显微镜,分析了包晶合金钢的材料特性、析出相行为、裂纹断裂机制等。研究结果表明:碳质量分数在 0 080%0 150%的包晶反应导致较大的体积收缩,裂纹敏感性强。包晶合金钢中有大量分布于晶界的 TiN 和 Nb(C,N)析出相;随着包晶合金钢连铸冷却进程,析出相脆化了奥氏体晶界,增加了裂纹倾
2、向性。通过控制钢种化学成分、优化二冷工艺等措施,显著改善了包晶合金钢厚板边裂缺陷。关键词:边裂;横向裂纹;析出相;包晶合金钢;连铸中图分类号:TG142 33文献标志码:B文章编号:10080716(2023)03003406doi:10 3969/j issn 10080716 2023 03 006Analysis and control of edge crack on thick plate in peritectic alloyed steelGU Ye1,GUO Liangliang2and LIU Zicheng1(1 Heavy Plate Business Unit,Baos
3、han Iron Steel Co,Ltd,Shanghai 200941,China;2 esearch Institute,Baoshan Iron Steel Co,Ltd,Shanghai 201999,China)Abstract:In this study,the edge crack on the thick plate in peritectic alloyed steel,which ismainly caused by transverse cracks of continuous casting slab,has been discussed The materialpr
4、operties,precipitation behaviors,and thermal simulation fracture mechanism of peritectic alloyedsteel were analyzed systematically by metallographic microscope,scanning electron microscope,thermo-mechanical simulator,and laser scanning confocal microscopy The results show that theperitectic reaction
5、 with a carbon mass fraction of 0 080%0 150%leads to significant volumetriccontraction and strong surface cracking Meanwhile,there are a large number of precipitates,such asTiN and Nb(C,N),in the as-cast grain boundary of peritectic alloyed steel With the continuouscasting cooling process of peritec
6、tic alloy steel,the precipitated phase embrittles the as-cast grainboundary and increases the crack tendency By controlling the chemical elements and optimizing thesecondary cooling process,the edge cracking defect of the thick plate of peritectic alloy steel wasimproved significantlyKey words:edge
7、crack;transverse cracks;precipitated phase;peritectic alloyed steel;continuous casting顾晔高级工程师1985 年生2013 年毕业于东北大学现从事厚板工艺研究电话26648164E-mailguye355212 baosteel com在我国“十三五”和“十四五”规划中,国家从科技创新、结构升级、基础设施、生态环保、民生改善等方面提出了一批重大工程、重大项目,其中高端装备制造业、新能源等产业都涉及大量高档次特厚板需求。厚板已成为基础建设所依赖的重要钢铁材料,主要集中在高级别管线钢、高档压力容器钢、高强度船板钢
8、、耐候桥梁板、高强度工程机械用钢、高层建筑用钢及海工风电用钢等1 4。43顾晔等包晶合金钢厚板边裂机理分析与控制关于包晶合金钢钢质缺陷,汇总国内外研究报道5 9,主要与钢种特性、非金属夹杂物、结晶器振动、二次冷却、辊缝开口度等密切相关,但包晶合金钢的厚板边裂鲜有报道。本文以包晶合金钢厚板边裂缺陷为研究对象,采用金相显微镜、扫描电镜、热力模拟试验机、激光共聚焦显微镜、Thermo-Calc 热力学软件等研究了材料特性、缺陷原因与析出相表征,明确包晶合金钢厚板边裂形成机理和改善机制。1试验过程表1 为包晶合金钢的主要化学成分,C 质量分数为0080%0 150%,Nb、Ti 和 N 质量分数分别可
9、达0050%、0 020%和 0 005%。连铸坯热送厚板轧制,边裂缺陷如图 1 所示,在钢板表面呈现不闭合的多边形或簇状裂口,裂纹深度深浅不等,其分布类似于多边形星状。缺陷分布位置较复杂,多发于距离边部80 140 mm 范围,对于合金含量较高的裂纹敏感钢种,也可能全板面分布。统计发现,边裂缺陷在厚板上表面总体数量比下表面高30%左右。采用金相显微镜、扫描电镜及电子探针对缺陷分析。进一步,采用热力模拟试验机、激光共聚焦显微镜、Thermo-Calc 软件研究材料特性和析出相行为,旨在得出缺陷机理与控制方法。表 1包晶合金钢的典型化学成分Table 1Main chemical composi
10、tion of peritectic alloyed steel单位:%w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Nb)w(Ti)w(Al)w(N)0080 0 1500 5002 0000 0200010005000200030 00600 005图 1厚板边裂缺陷Fig 1Edge crack defect of thick plate2试验结果2 1缺陷分析结果采用金相显微镜和扫描电镜对包晶合金钢厚板边裂截面观察,如图 2 所示,缺陷处晶粒度较正常部位粗大,缺陷处已脱碳氧化。初步怀疑是高温下缺陷氧扩散、析出的结果,由此推测炼钢工序产生的可能性较大。同时,对包晶合金钢连铸坯低倍检查,
11、发现对应的连铸坯存在横向裂纹缺陷,如图 3 所示。2 2高温塑性研究高温力学拉伸试验常用于研究铸坯塑性与铸坯横裂缺陷 10 13。本文采用 Gleeble-3800 热力模拟试验机,试验温度区间为 550 1 350,应变速率为1 103s1,试验均在真空条件下进行。图 2厚板边裂分析Fig 2Edge crack analysis of thick plate53宝钢技术2023 年第 3 期图 3连铸坯横裂Fig 3Transverse cracks of continuous casting slab试样拉断后,测量并计算断面收缩率。图 4 所示为包晶合金钢铸坯试样的断面收缩率随温度变化
12、曲线。在 1 300 900,试样具有良好的塑性,断面收缩率在 40%以上;在 1 050 有塑性突变点,怀疑是对应析出相的峰值温度,后续会进一步分析。从 850 开始,断面收缩率随温度的降低迅速减小,并在725 左右达到最低,其后随温度降低断面收缩率又有所回升,塑性好转。图 4断面收缩率Fig 4eduction of area通过分析热模拟曲线中具有代表意义的试验温度下的断口表面微观形貌,可以对热模拟曲线的区间段作出充分的解释。图 5 为断口扫描电镜结果。700 850 对应的拉伸断口晶粒粗大,断口呈冰糖状,断裂类型为典型脆性沿晶断裂;在此温度条件下铁素体在晶界呈膜状析出,晶界强度很低,塑
13、性最差。900 以上和 700 以下,断口分布着一定数量的韧窝。韧窝的大小和深浅决定于材料断裂时微孔生核数量和材料本身的相对塑性,如果微孔生核数量很多或材料的相对塑性较低,则韧窝的尺寸就较小或较浅。为了探究包晶合金钢 700 850 的沿晶断裂机理,采用 Thermo-Calc 软件计算了包晶合金钢的平衡相图,如图 6 所示。发现 1 050 是 TiN析出峰值温度,可以解释图 4 中断面收缩率陡降的原因。同时,700 850 低塑性温度区间也对应于 Nb(C,N)和 TiN 的析出温度,两类析出相对塑性影响非常大,裂纹敏感性很强。连铸过程析出的 Nb(C,N)和 TiN 多发生在奥氏体晶界,
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