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硫化锰形态控制改善亚包晶钢高温塑性的试验研究

2014-7-22 9:07:44

 施春月                郑  庆
                                           宝钢股份炼钢厂         宝钢研究院
                    
摘要:在连铸生产过程中,亚包晶钢板坯角部裂纹的发生率较高,是影响连铸物流和质量的难点。本文从连铸板坯窄面取样做不同温度下拉伸试验,并在实验室参照钢种成分来控制高Mn/S比、低Mn/S比和低Mn/S比下的微量镁处理,从铸锭取样制成高温拉伸样,做对比高温拉伸试验,测定试样在各个温度点上的断面颈缩率,观察断口和进行金相分析观察夹杂物形态。通过试验得出,该类钢种在800-860℃温度区间出现低塑性致铸坯在矫直过程中形成角部裂纹,钢种低塑性是由于MnS夹杂物降低了奥氏体晶界初生铁素体相的强度。 通过控制MnS形态,特别是钢水经微量镁处理以后,MnS夹杂物得到细化和球化,可以有效改善该钢种在该温度区间的高温塑性。该试验结果运用于宝钢连铸生产实践,有效控制住了角裂的发生,实现热送。
关键词:连铸,亚包晶钢,MnS形态,高温塑性
Experimental Study on Controlling of the Morphology of MnS to Improve the Hot ductility of Hypo-peritectic Steel
                   Shi Chunyue                 Zheng Qing
           Baosteel Steelmaking Plant    Baosteel Research Insititute
          
Abstracts:During the continuous casting process, the occurring rate of corner crack on hypo-peritectic steel is higher and the corner crack has great influence on the continuous casting logistics and slab quality. In this paper, the samples were taken from the narrow face of continuous casting slab and tensile test were finished under different temperature. Referring to the steel chemical composition, the high ratio of Mn and S, the low ratio of Mn and S, the low ratio of Mn and S added with Mg treatment, these three conditions were finished in laboratory. The high temperature tensile samples were taken from ingot and high temperature tensile experiment were compared. Reduction of area under different temperature of the samples were tested. Fractures were inspected and metallographic analysis were proceeded to observe the inclusion morphology. It was found that the low ductility was occurred from 800 ℃ to 860 ℃ and this caused corner crack of slab during straightening process. It was MnS inclusion which decreased the intensity of the primary ferrite phase on austenitic grain boundaries that caused the low ductility of hypo-peritectic steel. By controlling the MnS morphology, especially through the Mg treatment, MnS inclusions were refined and spheroidized and it is beneficial for improving the high temperature ductility under the temperature range. The experiment results were utilized in continuous casting production of Baosteel and had great effect on controlling the corner cracks defects and improving the hot conveying.
Key Words:continuous casting,hypo-peritectic steel,the morphology of MnS,hot ductility.
 
 
    含碳量在0.09-0.17%的中碳亚包晶钢连铸板坯易产生角裂,铸坯的角裂一般出现在振痕的波谷处,并沿振痕向外横向扩展。出现角裂的铸坯需要下线清理,当清理不彻底时会造成热轧板的边裂和翘皮,故板坯角裂缺陷是影响钢厂质量稳定和生产物流的重要因素。
    通常,板坯的角裂形成于铸坯的矫直过程,这固然和连铸工艺、铸机状况、保护渣等工艺因素密切相关,但钢种自身特性更加重要,所以,一些研究者关注钢种在700-900℃温度区间(即第III类高温脆性区)的高温塑性[1,2]。多数的研究者认为亚包晶钢的在该温度区间的塑性不低于碳含量稍低的低碳铝镇静钢,但也有研究者作出了相反的结论[3,4]。这主要是因为钢种的晶粒大小、偏析程度可以显著影响钢的高温塑性,取样位置的偏差会得出不同的结论。
    对于亚包晶钢的脆性机理,目前的研究一般关注钢的γ→α相变,但事实上,这并非引起钢种高温脆性的唯一因素,甚至很多情况下这并非关键因素。钢中的析出物、夹杂物均可以加剧钢的脆性,但对于夹杂物,以往的研究通常关注硬脆型的夹杂物,如Al2O3、TiN等,在一定的应力条件下,容易变形的基体和不易变形的夹杂物之间形成微裂纹引发脆性。而对于可变形的夹杂物,则倾向于认为是无损于钢的高温塑性的[5]
    本项研究发现,钢中的MnS夹杂物也是影响亚包晶钢种高温塑性的重要因素,控制夹杂物形态可以有效改善钢种高温脆性,从而为此类钢种连铸坯的质量改进提供依据。
 
 
1.  铸坯高温塑性的测定及评价
    试样取自板坯窄面表层柱状晶区,将板坯窄面刨去10mm后沿纵向取样,加工成φ10×120mm 双螺纹高温拉伸样,在Gleeble3800热模拟机上作高温拉伸,测定试样在各个温度点上的断面颈缩率。工艺参数如图1,结果见图2。
 
     结果显示,本钢种的在第III类脆性温度区间处于760900℃,其中最低塑性出现在800860℃温度区间,断面颈缩率最低值小于10%,而常见的低碳铝镇静钢相应数值可以达到约20%或者更高。这表明铸态亚包晶钢的高温塑性要明显劣于低碳铝镇静钢。通常,碳钢在1150℃左右会出现第II类脆性,但本钢种在该温度的高温塑性比较好,并未出现明显的塑性低值。由此推断,导致本亚包晶钢种铸坯出现角裂的原因在于600860℃温度区间的低塑性。高温拉伸试样的断面分析表明,在脆性温度区间内,钢样断面均呈明显脆性晶间断裂特征,断面上晶粒粗大。
 
 
2.  实验室研究钢种成分及方法
      为研究硫化物形态对钢种高温塑性的影响,采用感应炉冶炼了不同Mn、S含量的钢并浇注成方锭,钢水目标成分如表1。
               表 1  实验室冶炼钢水目标成分
             Table1  Steel chemical composition from lab steelmaking
元素
C
Si
Mn
P
S
Al
备注
AQ24
0.10
0.027
0.40
0.012
0.010
0.04
完全按照铸坯成分冶炼,锰硫比40
AQ24-1
0.10
0.026
0.48
0.012
<0.005
0.04
提高锰硫比至 ≥80
AQ24-2
0.10
0.027
0.40
0.012
0.010
0.04
保持锰硫比40,但通过控制脱氧和微量镁处理球化和细化MnS。
 
    在每个铸锭侧面表层以下10mm处沿高度方向取样加工成高温拉伸样,按照图1所示参数进行高温拉伸,并在同一位置取金相试样观察高度方向夹杂物形态。
 
3.试验结果
    铸锭试样高温拉伸曲线如图4。
 
      同铸坯表层高温拉伸曲线相比,实验室冶炼铸锭呈现相同的规律性,且数值比较接近。结果显示:(1)进一步证实钢种在第三类脆性区发生裂纹的可能性较大,脆性温度区间处于760-880℃范围。在1100-1200℃温度区间分辩出第二类脆性区,但高温塑性均比较好,故在第二类脆性区的可能性比较小;(2)低锰硫比钢在第三类脆性区的高温塑性最差,最低只有约10%,脆性温度区间处于780-860℃,基本和铸坯样重合。高锰硫比冶炼的AQ24-1钢锭,最低的高温塑性提高到将近20%,而AQ24-2钢锭,虽然其锰硫比仍然保持在40,但由于实施钢水氧位控制和微量镁处理实现了夹杂物的形态控制,其高温塑性得到大幅度改善,不仅表现为最低断面颈缩率提高到20%以上,而且还表现为第三类脆性区温度区间变窄。
      三个铸锭表层试样的夹杂物形貌见图5。经分析,钢中的夹杂物均以MnS为主,其中低锰硫比钢中MnS粗大且成长条型,长度达30微米。高锰硫比钢(24-1试样)MnS数量明显增多,平均粒度减小,且绝大部分成等轴状,但MnS的粒度和形态分布不均匀,这表现在个别夹杂物比较粗大,且成细长状。对于经过夹杂物形态控制的钢24-2试样,虽然锰硫比低,但MnS得到明显细化,表现在粒径的减小和数量显著增多,而且全部夹杂物成球状。
 
4.分析与讨论
 4.1 关于亚包晶钢的脆性机制
   文献[1]认为,碳钢的凝固过程存在三类脆性温度区间,其中第III类脆性温度区间处于700-900℃,对应于钢的γ→α相变。相转变时优先在奥氏体晶界形成铁素体晶核,然后铁素体相长大,将奥氏体晶粒包裹,由于在相变温度下奥氏体的强度要高于铁素体,当承受外界应力时,在铁素体薄膜区域优先产生应变。当铁素体薄膜中存在夹杂物,例如MnS,会降低铁素体薄膜的强度,且MnS越粗大、越细长、降低铁素体薄膜强度越明显。
    对于本文所研究的亚包晶钢,钢水凝固是先析出δ相,包晶相变后形成δ+γ两相组织,由于碳在δ铁素体中的最大溶解度为0.09%,因此,本钢种的碳含量非常接近0.09%,由相律可计算可知,在δ+γ两相区中δ相的比例在包晶相变后可高达85%之多,随着温度的降低,钢的组织逐渐演变成单相奥氏体γ。由相图可知,钢中由包晶相变后出现奥氏体到完全转变成奥氏体,所经历的温度区间最大不超过60℃。因为δ铁素体为面心立方结构,理论密度为7.68克/立方厘米,而奥氏体γ为体心立方结果,理论密度为7.89克/立方厘米,即由δ转变成γ,将发生3.76%的体积收缩,这不仅使钢在连铸过程中初生坯壳收缩大、冷却不均,也造成连铸坯深振痕,钢冷却至第III类脆性温度区间时,在振痕波谷处更容易发生裂纹。
 4.2 关于锰硫比和镁处理对MnS形态的影响
     钢中的MnS具有多种不同的形态,但总的来说,其数量和硫的含量密切相关,形状和大小和钢中的氧、是否存在强硫化物形成元素、MnS析出时钢种是否存在能作为形核质点的第二相粒子、冷却速度等多个因素有关。锰和硫溶度积越高,MnS的析出温度也越高,常温下MnS越粗大,故图5中高锰硫比的AQ24-1钢样中的MnS夹杂物比低锰硫比的AQ24钢样要细化。但对于经过控制脱氧和镁处理的AQ24-2钢样,尽管钢中的锰硫比仍然比较低,依然可以得到弥散的MnS。这和钢水采用微量镁脱氧有关。脱氧形成的MgO非常弥散[6,7],而MnS为固相析出,当钢中存在MgO粒子时,MnS将以MgO为核心非均匀形形核析出,因此MgO粒子能够同时降低MnS的形核功和提高MnS的形核率。
 
5. 结论
    亚包晶钢的在第III类脆性温度区间出现低塑性,钢中的MnS的形态能够显著影响钢在第III类脆性温度区间的高温塑性。提高锰硫比或者采用镁处理使钢中的MnS弥散化,可以有效改善钢的高温塑性,这不仅表现在钢在第III类脆性温度区间的最低塑性大幅度提高,也同时表现在脆性温度区间变窄。上述结果为通过控制夹杂物形态改善连铸坯角裂缺陷提供了依据。
 
参考文献
1、鈴木洋夫,西村哲,山口重裕:凝固組織を持つ種々の鋼の高温域における脆化特性。鐵と鋼,65(1979),P2038-2046。
2、B.Mintz,S.Yue and J.J Jonas:Hot ductility of steels and its relationship to the problem of transverse cracking during continuous casting.International Materials Review, 36 (1991), P187-217。
3、J.K.Brimacombe and K.Sorimachi:Crack formation in the continuous casting of steel.。Metallurgical Transactions B ,1977,No.8,P489-505。
4、赵和明,王新华,张炯明:影响高速浇铸亚包晶钢表面质量的因素研究。钢铁,2006,N0.6,P22-26。
5、D.P.Fairchild and D.G.Howden:The mechanism of brittle fracture in a microalloyed steel:Pate 1 inclusion-incluced cleavage.Metallurgical and Material Transactions Vol.31A(2000),P641-671。
6、Hiroki Ohta and Hideaki Suito :Dispersion Behavior of MgO, ZrO2, Al2O3, CaO–Al2O3 and MnO–SiO2 Deoxidation Particles during Solidification of  Fe–10mass%Ni Alloy. ISIJ 2006,N0.1:P22-28。
7、Hiroki Ohta and Hideaki Suito:Characteristics of Particle Size Distribution of Deoxidation  Products with Mg, Zr, Al, Ca, Si/Mn and Mg/Al in  Fe–10mass%Ni Alloy。ISIJ 2006,N0.1:P14-21.




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