改善和提高连铸坯的凝固组织是获得高性能最终产品的重要一环。在一般情况下,连铸坯从边缘到中心的凝固组织是由细小等轴晶带、柱状晶带和中心等轴晶带构成。细小等轴晶带位于连铸坯的表层,当液态钢水进入结晶器时,钢水与铜壁结晶器接触,冷却速度很快,在铸坯的边缘形成了细小等轴晶带;柱状晶带位于细小等轴晶带的内侧,细小等轴晶带的形成过程伴随着铸坯的体积收缩,当铸坯脱离铜壁时就形成了气隙,降低了传热速度,铸坯形成了柱状晶区;等轴晶带位于连铸坯的中心,随着凝固前沿的推移,凝固层和凝固前沿的温度梯度逐渐减小,两相区宽度逐渐增大,铸坯心部液相温度降至液相线后,心部开始结晶,由于心部传热的单相性已不明显,形成等轴晶,传热受到限制,晶粒较激冷层粗大。

在连铸过程中防止铸坯产生裂纹是铸坯质量非常重要的一个问题。随着连铸钢水的冷却和凝固,将发生液态收缩、凝固收缩和固态收缩等现象,其中固态收缩量比较大,在温降过程中会产生热应力,在相变过程中会产生组织应力,这些内应力的产生是引发铸坯裂纹的根源,因此,固态收缩对铸坯质量影响最大。

连铸坯的缺陷主要包括连铸坯的纯净度、表面质量、内部质量和外观形状等几个方面,其中比较主要的有两类:表面缺陷和内部缺陷。表面缺陷是影响连铸产量和连铸坯质量的重要缺陷,包括表面纵裂纹、横裂纹、网状裂纹、皮下夹杂和皮下气孔等;内部缺陷主要包括中心偏析、中心疏松、中间裂纹、皮下裂纹和夹杂等,这些内部缺陷是由于铸坯的鼓肚、带液芯弯曲和矫直、铸坯表面温度回升所产生的热应力和部分过剩富集溶质元素充填枝晶的间隙等因素影响下形成的。这些缺陷对轧材的最终质量影响较大,在后部工序的加工中不可能消除。

连铸坯的表面缺陷中,纵裂纹多发生在板坯宽面的中央部位,方坯多发生在棱角处,主要是由于结晶器内冷却强度不均匀造成坯壳厚度不均匀,在坯壳薄的地方应力集中,当应力超过坯壳的抗拉强度时就产生了纵向裂纹。连铸坯表面的横向裂纹多出现在铸坯的内弧侧振痕波谷处,通常是隐蔽看不见的,经金相检查,处于铁素体网状区,也正好是初生奥氏体晶界,还可观察到有细小析出物质点存在,降低了晶界的结合力,诱发了横向裂纹,与铸坯纵向裂纹相比,它对连铸坯质量的影响更大。在高强度低合金钢(HSLA)钢的连铸过程中,横向开裂是一种常见的失效形式,很多研究者这方面开展了大量的研究工作,尽管研究条件和试验方法不尽相同,但试验结果却呈现出比较一致的变化趋势,连铸钢在凝固收缩和固态收缩时,在700~950℃存在一个塑性低谷区,当铸坯表面施加机械负载(如矫直)时,容易诱发横向裂纹,因此可以说,连铸坯横向裂纹的产生与连铸钢的700~950℃的高温脆性区密切相关。

图1给出了不同钢种连铸坯的断面收缩率与温度的关系,图1a是Mintz和Abushosha的试验结果,预加热温度为1330℃;图1b是凝固试样的试验结果。尽管试验方法不同,但试验结果是基本相同的。由图可以看出,随着温度的降低,C-Mn钢和铌、钒微合金钢的断面收缩率的变化趋势是相同的,随着温度的降低,钢的断面收缩率从950℃开始降低,到810~830℃塑性降至低谷,温度继续降低断面收缩率又开始回升,到750℃附近塑性完全恢复,几种不同的试验钢均存在一个类似的高温塑性低谷区。

图1  不同钢种连铸坯的断面收缩率与温度的关系

a-预加热温度为1330℃;b-凝固试样

C-Mn钢与铌、钒微合金钢的高温塑性是有差异的,主要表现在高温塑性低谷区的宽度和塑性开始降低的温度不同。随着温度的降低,C-Mn钢约从900℃断面收缩率开始降低,当温度降至约820℃时C-Mn钢的断面收缩率最低,出现塑性低谷,温度继续降低时断面收缩率又开始回升,当温度降至750℃左右时C-Mn钢的塑性完全恢复,因此对C-Mn钢来说,从900~750℃就形成一个低谷区。

铌、钒等微合金化元素对连铸坯高温塑性有影响,其中影响最显著的是铌。由图1可以看出,含铌钢的上临界温度比较高,约为1000℃,比C-Mn钢高出约100℃,而塑性完全恢复的下临界温度也相应降低近100℃,因而含铌钢的高温塑性低谷区的范围明显扩大,这表明,含铌钢连铸时在更宽的温度范围内弯曲矫直时易产生横向裂纹。N.Bannenberg对含铌钢的高温热塑性也进行了研究,如图2所示,给出了铌对钢热塑性的影响,从图可以看出,当温度降低到1050℃时含铌钢的断面收缩率开始降低,在830℃时含铌钢的断面收缩率最低,继续降低温度裂纹处的断面收缩率再次上升,到700℃塑性完全恢复。同时作者对断面收缩率提出了一个临界值的概念,规定浇注过程中断面收缩率必须在75%以上方可避免横向裂纹的产生。很显然C-Mn钢的产生裂纹的临界范围很窄,而含铌钢发生裂纹的临界范围要宽得多,在此温度范围内经受弯曲矫直等机械负载时很容易产生横向裂纹,因此,连铸时随着铸坯的连续冷却,其表面、边缘和棱角等各部分的温度在降低到1000~700℃临界范围之前必须完成连铸坯的弯曲矫直。

图2  铌对钢热塑性的影响

含钒钢的高温塑性与C-Mn钢比较接近,介于C-Mn钢和含铌钢之间。从塑性低谷区的宽度上看,钒微合金化钢塑性低谷区宽度比C-Mn钢向高温方向略有增加;从塑性低谷区存在的温度范围上看,钒微合金化钢塑性低谷区存在的温度范围比C-Mn钢向高温方向略有扩展,尽管试验结果不尽相同,其温度范围向高温扩展约为50℃。从上述塑性低谷区宽度及其存在温度范围两方面看,钒微合金化钢对铸坯裂纹并不敏感,与C-Mn钢比较接近,最敏感的是铌微合金化钢。但是,氮对钒微合金化钢的高温塑性低谷有影响,很多研究人员对此进行了大量的研究工作。Mintz等人研究了钒和氮含量对0.1%C-1.4%Mn-0.03%Al钢高温塑性的影响,为便于对比,图中也给出了0.03%Nb钢的断面收缩率,如图3所示。当钒氮含量比较低时,即氮含量小于0.005%、钒含量小于0.1%时,该钢850℃的断面收缩率远远高于0.03%Nb钢。随着钒氮含量的提高,850℃的断面收缩率逐渐降低,当氮、钒都比较高时,即氮含量大于0.01%、钒含量大于0.1%时,钒钢的高温塑性才与0.03%铌钢接近,这种现象的产生是由于在连铸条件下,析出的V(C,N)的粗化速率比Nb(C,N)快得多,因此对高温塑性的损害比铌小得多所致。氮含量的提高将促进V(C,N)粒子在奥氏体中的析出,降低钒钢的高温塑性。对任何钢来说,析出粒子体积分数的增加都将导致高温塑性的降低。

图3  V、N总含量的乘积对850℃断面收缩率的影响

大量研究和试验结果表明,在连铸过程中,根据各类钢高温塑性低谷区的宽度和温度范围,严格控制二冷区的冷却速度,采用平稳的弱冷却,使弯曲矫直时铸坯的表面温度高于碳氮化物的析出温度,或高于γ→α相变温度,或高于产生脆化的上临界温度,避开塑性低谷区,不论钒钢、氮钒含量高的V-N钢、铌钢都可以防止铸坯横向裂纹的产生。此外,从采用合理的结晶器及高频率小振幅、性能良好的保护渣、保持结晶器液面的稳定性、降低钢中的硫磷、抑制碳氮化物的晶界析出、通过二次冷却使铸坯表面层奥氏体晶粒细化、降低裂纹敏感性等措施,对防止铸坯横向裂纹的产生也有一定的帮助。