22SiMn2钢铸坯断裂原因分析

22SiMn2钢铸坯断裂原因分析

付勇涛^1，3， 刘 静³， 杨志婷¹， 杜 明²， 王玉涛¹， 陈 玮¹

(1．武钢研究院，湖北武汉430080；2．武钢炼钢总厂，湖北武汉43 0080；3．武汉科技大学，湖北武汉430081)

摘 要：对22SiMn2钢铸坯断裂原因进行了分析，发现断坯部位柱状晶较发达，沿晶分布着较多气孔、裂纹和硫化物、钛化物夹杂，使得铸坯晶界处成为薄弱环节。由于铸坯堆放环境恶劣，反复的升降温使得铸坯内应力得不到充分释放而集中在铸坯晶界处，裂纹沿塑性较差夹杂物扩展，最终导致了铸坯的断裂。研究表明，降低钢水浇铸时过热度，可解决22SiMn2钢铸坯断裂的问题。

关键词：铸坯；断裂；夹杂；裂纹

在中高碳及合金钢(w(C)≥0．2 0％，w(M)≥3．00％)生产过程中，防止铸坯在转移、加热及轧制等生产过程中出现断坯现象是生产中的关键技术之一^[1-3]。研究发现，断坯原因可分为两类：一类因连铸坯浇铸后缓冷工艺不当，冷速过快导致铸坯易形成部分脆性组织且内应力较大，而发生铸坯断裂；另一类由于轧制时加热工艺存在一定问题，或铸坯加热时间过短，奥氏体化时间不足，铸坯内难熔碳化物没有充分熔解，或铸坯上下表面温差过大，最终使得钢塑性不足，在轧制时出现断坯现象^[3-4]。在22SiMn2钢的生产实践中，铸坯经较合适的缓冷后，仍存在断坯现象，对生产造成一定的影响。这种断坯壶然与上述两种断坯原因不同，为此，文章通过大量试验，结合铸坯生产过程对断坯原因进行了研究，以改善和消除这类现象的发生。

1 试验材料及试验方法

试验用22SiMn2钢取自连铸坯断裂样，冶炼断面为250mm×2050 mm的铸坯，该铸坯经缓冷后送热连轧厂，在进加热炉的辊道上出现断裂。断裂发生在距铸坯头部位置约1m处，铸坯沿横截面完全断开，断面呈月牙形，断口部位极不光滑，宏观形貌见图1。取断口处1／2宽度铸坯进行低倍、组织及夹杂观察，将断口部位经酒精超声清洗后，用Quanta 400扫描电镜配合能谱仪对断口形貌和夹杂物进行分析；将断口部位制成金相样，观察试样磨，面上夹杂物形态分布，在Quanta 400扫描电镜用能谱仪测定夹杂物类型。

2 试验结果

2．1 低倍检验

铸坯低倍检验见图2。断坯经酸洗后，可以观察到铸坯柱状晶较发达，心部等轴晶较少，铸坯中心偏析较严重，为B1．5级，柱状晶部位存在较严重的裂纹，中间裂纹1．5级。

2．2 断口形貌及夹杂分析

对断口形貌进行观察，未发现明显裂纹源。切取部分断口经酒精超声清洗后，对断口形貌在扫描电镜下进行观察，发现断口上存在较多气孔，气孔附近存在较多条状氮化钛夹杂(图3)。

在断口处切取截面制得金相试样，试样磨面上可观察到较多孔隙和网络状沿晶分布夹杂，夹杂级别为Ⅱ型3缓；扫描电镜能谱分析后发现夹杂物类型为硫化物和钛化物(图4)。

3 分析与讨论

3．1 断坯过程分析

从以上分析结果来看，断坯断口处柱状晶较发达，且存在较严重的中心裂纹；裂纹处沿晶分布着较多气孔和裂纹，晶界处存在较多硫化物和钛化物夹杂。对钢铁材料而言，在常温时晶界处一般为强化部位，而发生断坯的22SIMN2铸坯晶界处存在较多裂纹、气孔和夹杂，其晶界处已变为铸坯薄弱环节。该铸坯长时间堆放在二热轧铸坯库，其环境温度随周边铸坯而变化较大，在反反复复温度升降过程中，22SIMN2铸坯内应力得不到有效释放而集中在晶界裂纹、气孔处，铸坯晶界处较多的硫化物和钛化物夹杂塑性较差，使得铸坯裂纹不断扩大，最后在吊运过程中导致铸坯断裂的发生。其断坯过程可用图(5)来表示。

3．零工艺措施改进

从以上分析结果来看，钢水浇铸时过热度高是导致铸坯内存在较严重裂纹、气孔和夹杂，是铸坯断裂的主要原因。

过热度高的钢液凝固时，温度梯度大，两相区窄，有利于柱状晶发展，凝固前沿钢液实际温度高于平衡结晶温度，不能产生弧立晶核，等轴晶继续生长而成为“穿晶”，使铸坯内粗大柱状晶粒一直生长到铸坯心部；同时在较高温度下形核率低，晶粒长大相互制约小，晶粒粗大。粗大柱状晶的发展，使夹杂物在结晶前沿及枝晶间富集，并被封闭在枝晶间，枝晶间钢液温度较低，流动性较差，冷凝体积收缩时因枝晶封闭而得不到外面钢液的补充，凝固后较疏松；当粗大柱状晶发展形成搭桥时，液穴深处被封闭，这里的钢液夹杂物浓度高温度低较粘稠，冷凝体积收缩得不到液穴桥上面的钢液补充而出现疏松，封闭区域较大时冷缩甚至出现孔洞而形成缩孔。对铸坯而言，垂直于柱状晶的接触交界面上集聚着浓度较高的夹杂物，形成脆弱面，这里又是疏松和气泡集中的区域，铸坯强度低，脆性高，夹杂物应力集中引起的微裂纹在自重的作用下很容易扩展而导致铸坯断裂^[6-8]。

生产数据表明，该炉钢浇铸时测得4个中间包温度为：1540℃、1538℃、1539℃、1538℃，经计算，22SiMn2钢液相线温度为1507℃，中间包过热度为3 1～33℃。因此，在后续22SiMn2钢生产时，中间包过热度应控制在5～25℃范围内。

4 结论

1)钢水浇铸时过热度过高，导致铸坯柱状晶较发达，沿晶分布着较多气孔、裂纹和硫化物、钛化物夹杂，使得晶界处成为铸坯薄弱环节。

2)铸坯堆放环境恶劣，反复的升降温使得铸坯内应力得不到充分释放而集中在铸坯晶界处，裂纹沿塑性较差的夹杂物扩展，最终导致了铸坯的断裂。

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