劉立彪

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司， 湖南 湘潭 411101）

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司（以下簡稱湘鋼）于2015 年開始研制800 MPa 級水電鋼800CF，研制初期，800CF 鋼鑄坯頻繁出現(xiàn)表面裂紋，經(jīng)過對裂紋的形成機(jī)理分析及采取一系列控制措施后，表面裂紋問題得到解決。并于2018 年—2019 年先后成功供貨應(yīng)用于巴基斯坦SK 水電站及古瓦水電站等項(xiàng)目上萬t。

1 工藝及成分

800CF 化學(xué)成分如下表1，其煉鋼工藝路線為：120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 爐精煉→RH/VD 真空處理→260 mm 板坯連鑄→板坯入庫。

表1 800CF 鋼的化學(xué)成分 %

2 800CF鋼表面裂紋形貌特征及分析

2.1 800CF鋼板表面裂紋形貌特征及分析

260 mm 厚的 800CF 鋼連鑄坯軋制 30～60 mm厚鋼板后，鋼板表面有“舌狀”網(wǎng)狀裂紋缺陷（圖1-1所示），裂紋率在30%以上。對鋼板裂紋試樣進(jìn)行金相分析后發(fā)現(xiàn)，裂紋呈“開口狀”，裂紋尖端無明顯擴(kuò)展現(xiàn)象，裂紋發(fā)生出處曲折深入皮下，顯示裂紋深度＞1 mm，裂紋處未見夾雜物（見圖 1-2，1-3），但明顯存在高溫氧化物，裂紋兩側(cè)存在一定脫碳現(xiàn)象（見圖1-3），可以判斷出鋼板裂紋由連鑄坯裂紋加熱軋制后演變而來。

圖1 800CF 鋼板裂紋形貌及金相照片

2.2 800CF鋼鑄坯表面裂紋形貌特征及分析

對800CF 鋼連鑄表面肉眼檢查未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，對其鑄坯酸洗后發(fā)現(xiàn)表面存在微小的“蚯蚓”狀裂紋，裂紋短小、彎曲不連續(xù)（見下頁圖2-1），對鑄坯進(jìn)行火焰清理2～3 mm 后發(fā)現(xiàn)，鑄坯表面存在明顯網(wǎng)狀裂紋（見下頁圖2-2）。

對鑄坯裂紋取樣進(jìn)行金相及電鏡分析，裂紋尖端向表面呈多方向發(fā)展（如下頁圖3-1），裂紋兩側(cè)有10～20 μm 厚的脫碳層，組織為粗短的鐵素體，裂紋兩側(cè)＞20 μm 區(qū)域?yàn)榧?xì)長的枝狀晶。SEM 觀察顯示裂紋深處未見夾雜物（見圖3-2），只存在Fe 的高溫氧化物，同時(shí)裂紋處也未發(fā)現(xiàn)Cu 的富集現(xiàn)象。通過SEM 對裂紋處奧氏體進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有50～200 nm大小尺寸的析出物（見圖3-3），其析出物主要為AlN 及 Nb，V 等碳氮化物。

圖2 800CF 鋼板鑄坯裂紋形貌照片

圖3 800CF 鋼板鑄坯裂紋金相、SEM 及析出物照片

3 800CF鋼表面裂紋形成影響因素分析

3.1 化學(xué)成分

鋼中w[C]在0.09%～0.11%時(shí)，裂紋指數(shù)最高[1]。當(dāng)w[C]在0.09%～0.11%時(shí)的鋼水在結(jié)晶器冷卻時(shí)，發(fā)生δ→γ 相變轉(zhuǎn)化，體積收縮量最大，容易導(dǎo)致組織粗大，裂紋敏感性強(qiáng)。而800CF 鋼出現(xiàn)裂紋時(shí)的w[C]設(shè)計(jì)正好為0.09%～0.10%。

當(dāng)鋼中的[Al]與[N]含量升高時(shí)，AlN 容易在奧氏體晶界處析出，降低晶界強(qiáng)度，AlN 粒子容易在外力作用下應(yīng)力集中而形成裂紋源[2]。當(dāng)鋼中的w[Al]w[N]積＞30×10-9時(shí)，鋼的裂紋指數(shù)明顯升高[2]，因此在鋼中的w[Al]達(dá)到0.06%時(shí)，鋼中的w[N]應(yīng)控制在50×10-6以下。

Mintz 和Abushosha[3]通過試驗(yàn)得出結(jié)果表明，從鋼的塑性低谷區(qū)寬度及低塑性寬度范圍來看，含Nb 鋼的裂紋敏感性最強(qiáng)。同時(shí)認(rèn)為Nb、V、Ti 三種微合金鋼，含Nb 鋼的熱塑性最差,含V 鋼次之，而微量的Ti 含量對鋼的熱塑性影響不大。

3.2 結(jié)晶器傳熱與保護(hù)渣性能

在澆注w[C]在0.09%～0.11%時(shí)，鋼水凝固時(shí)發(fā)生包晶鋼反應(yīng)，其體積變化較大。因此結(jié)晶器內(nèi)彎月面處坯殼收縮也較大，由于鋼水靜壓力和坯殼收縮力的共同作用下，使坯殼與結(jié)晶器壁間產(chǎn)生氣隙，從而降低了坯殼與結(jié)晶器壁的傳熱速度，形成較為粗大的晶粒，使鑄坯裂紋敏感性增強(qiáng)。性能良好的保護(hù)渣，其液渣能有效的填充坯殼與結(jié)晶器壁間的氣隙，從而改善傳熱，降低裂紋產(chǎn)生機(jī)率。

3.3 連鑄二冷強(qiáng)度及矯直溫度

由于微合金鋼中的Nb、V、Al 等元素在鑄坯冷卻過程中析出碳氮化物，而碳氮化物會擴(kuò)大鋼的塑性低谷的溫度寬度[4]。當(dāng)連鑄二次冷卻不均勻時(shí)，會導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，使其受到的熱應(yīng)力增大，當(dāng)其與矯直力超過其所承受的高溫強(qiáng)度時(shí)，將會在坯殼薄弱處產(chǎn)生裂紋或促進(jìn)已產(chǎn)生裂紋的擴(kuò)展。因此需避免二冷過強(qiáng)，使鑄坯矯直溫度高于鋼的第Ⅲ脆性溫度區(qū)間。

3.4 連鑄鑄機(jī)精度

鑄機(jī)輥縫的開口度，及各輥之間的接弧弧度應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍。不僅上下輥之間的開口度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，而且還需要整體開口度是從大到小平滑過渡。矯直段前的個(gè)別開口度突然增大或變小，會導(dǎo)致鑄坯鼓肚而產(chǎn)生鼓肚力。

4 800CF鋼表面裂紋形成機(jī)理分析

鋼水在凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)，體積收縮，初生坯殼與結(jié)晶器間產(chǎn)生氣隙，導(dǎo)致傳熱緩慢且不均勻，從而使坯殼生長不均勻。當(dāng)初生坯殼受到相變力、熱應(yīng)力、鋼水靜壓力及結(jié)晶器的摩擦力等的綜合作用鋼的高溫強(qiáng)度時(shí)，就會在坯殼最薄弱處產(chǎn)生裂紋。另一方面，鋼水在凝固過程中，先后在奧氏體晶界中析出的 TiN、AlN、TiC、VN、Nb（CN）等碳氮化物，產(chǎn)生晶間斷裂[5]；同時(shí)在相變過程中，鑄坯二冷不均勻反復(fù)回?zé)岬那闆r都會加速各種碳氮化物在奧氏體晶界的析出，從而擴(kuò)大塑性低谷區(qū)寬度，增加鋼的脆性，在進(jìn)入矯直區(qū)時(shí)，在受到外力過大的情況下，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋或使已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展。

通過對800CF 鋼鑄坯裂紋試樣的金相、SEM 的觀察分析，認(rèn)為鑄坯裂紋的產(chǎn)生與鑄坯的碳氮化物析出物及鑄坯矯直溫度有關(guān)。由于在奧氏體晶界上析出的AlN 及Nb、V 的碳氮化物產(chǎn)生空洞，同時(shí)碳氮化物的析出強(qiáng)化了晶粒內(nèi)部，析出同時(shí)阻止了晶界處的應(yīng)力釋放，從而產(chǎn)生裂紋[6]。奧氏體晶界形成的鐵素體薄膜（圖3-1），其強(qiáng)度僅約為奧氏體的60%，此時(shí)晶界處應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部斷裂。同時(shí)因?yàn)殍T坯受到熱應(yīng)力、鼓肚力、矯直力等外力的作用而使鑄坯沿奧氏體晶界產(chǎn)生裂紋或擴(kuò)展已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋。

5 800CF鋼表面裂紋防止措施

5.1 調(diào)整鋼中成分

將800CF 鋼中的w[C]從 0.09%～0.10%調(diào)整至0.07%～0.08%，降低包晶反應(yīng)的強(qiáng)度，提高初生坯殼的均勻性，降低裂紋敏感性。原成分中添加少量Nb調(diào)整為不特意加入Nb，避免因?yàn)镹b 的加入，因?yàn)槠涮嫉锏奈龀龆档弯摰臒崴苄缘?。由于TiN 在鋼水凝固過程中最先析出，而TiN 的析出相對于VN，AlN 的析出對鋼熱塑性的影響更小，因此原鋼中不添加Ti 調(diào)整為添加0.010%～0.020%的Ti，以Ti來固N(yùn)，降低VN，AlN 的析出量。

5.2 控制鋼中的[N]含量

LF 爐全程埋弧操作，避免電弧電離空氣而導(dǎo)致鋼水增氮；延長真空處理時(shí)間，降低鋼水中的[N]含量；連鑄采取保護(hù)澆注，避免燒氧及中包鋼水裸露。整體控制鋼水的w[N]含量在30×10-6以下。

5.3 降低二冷強(qiáng)度提高矯直溫度

修改連鑄二冷制度，降低二次冷卻強(qiáng)度，并防止鑄坯反復(fù)回?zé)?。鑄坯矯直溫度從900 ℃提高至930 ℃左右，避開鑄坯的第Ⅲ脆性區(qū)。同時(shí)調(diào)整鑄坯上下表面及橫向的水量比例，避免冷卻不均勻，導(dǎo)致熱應(yīng)力增大。

5.4 控制好鑄機(jī)精度

定期使用輥縫儀檢查開口度及接弧，并及時(shí)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，控制好鑄機(jī)輥縫的開口度及接弧精度在VAI 的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；尤其保證0 段與第1 段的接弧必須單側(cè)滿足標(biāo)準(zhǔn)且兩側(cè)的數(shù)據(jù)趨勢一致，減少鑄坯鼓肚及拉坯阻力。

5.5 采取結(jié)晶器弱冷及合適的保護(hù)渣

降低結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度，將結(jié)晶器寬、窄面水量由4 600 L/min、500 L/min 降低至 4 000 L/min、460 L/min，提高結(jié)晶器中坯殼的均勻性。同時(shí)更換融化速度比較慢的保護(hù)渣，改善坯殼與結(jié)晶器間的傳熱及潤滑作用。

采取以上控制措施以后，湘鋼800 MPa 級的水電鋼表面裂紋問題得以解決，裂紋發(fā)生率由初期的30%降低至目前的0.40%左右。

6 結(jié)論

1）湘鋼800CF 鋼板表面“舌狀“裂紋主要為鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋軋制演變而來。鑄坯表面裂紋延伸深度達(dá)3 mm 以上，鑄坯裂紋兩側(cè)存在10～20 um 的鐵素體薄膜，裂紋中間處無夾雜物，僅為Fe 的高溫氧化物，裂紋處奧氏體晶界有50～200 nm 大小尺寸的AlN 及Nb、V 的碳氮化析出物。

2）導(dǎo)致800CF 鋼鑄坯表面裂紋的主要原因是由于鑄坯冷卻不均勻，反復(fù)相變過程中在奧氏體晶界析出的AlN 及Nb、V 的碳氮化物導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋；同時(shí)析出物降低了鋼的熱塑性，在矯直力等外力的作用下產(chǎn)生裂紋或使已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展。

3）通過采用調(diào)整鋼中成分，控制鋼水[N]含量，降低二次冷卻強(qiáng)度，提高矯直溫度，控制好鑄機(jī)精度，降低結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度及更換性能更匹配的保護(hù)渣等措施后，800CF 鋼的表面裂紋問題得到有效解決，裂紋發(fā)生率由30%以上降低至0.40%左右。