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低碳非调质钢坯角部表面凹陷激冷层消失成因分析
赵 晗， 扬志才， 孟 羽
(江阴兴澄特种钢铁有限公司技术中心，江苏江阴214400)
摘 要：某低碳非调质钢的连铸方坯表面纵裂伴有凹陷，凹陷表面是柱状晶，未发现激冷层。认为是由于结晶器冷却制度不当，钢坯在结晶器内产生表面凹陷，造成气隙过大，致使激冷层产生了温度回升，导致激冷层发生再结晶而形成柱状晶。
关键词：裂纹；激冷层；连铸坯
表面纵裂纹是连铸生产的低碳非调质钢坯的主要缺陷。其缺陷产生的原因是极其复杂的，文献报道：表面纵裂纹最易在连铸方坯的角部区域出现，产生纵裂纹的表面常伴有凹陷。尤其是包晶反应的钢种，其纵裂纹的严重性多与表面凹陷相对应。
通过对一批含碳量(0.
1～0.
2 %)
较低的的连铸方坯及其轧材进行的现场调查，并对其试样进行了低倍、高倍及扫描电镜分析，发现钢材表面的纵裂成束，且互成90°，这与钢坯的角部区域凹陷恰好对应，但凹陷表层竟未发现激冷层，激冷层被发达的柱状晶区所替代，且柱状晶边界为铁素体片所包裹。激冷层消失的原因为：钢坯在结晶器内由于冷却不当产生的表面凹陷造成的气隙可致使激冷层温度回升，凹陷区域的激冷层在高温区发生了再结晶而被柱状晶所替代。
1
试 验
现场300
mm ×300
mm
方坯出现的角部凹陷及裂纹见图1
。
低倍显示：表层的中间区域与角部区域(缺陷)的晶体形态明显不同，中部表面激冷层有细小的等轴晶组成，而角部凹陷区域无激冷层，柱状晶从内部延伸到表层(图2)
。
图1
方坯角部缺陷
(a) 中部
(b) 角的凹陷
图2
方坯低倍形貌
(a) 扒皮前
(b) 扒皮后
(c) 低倍形貌
图3
轧材扒皮前后形貌
经轧制后，该钢轧材表面裂纹严重，裂纹沿纵向成树枝状束状扩展；裂纹氧化严重，为高温氧化裂纹；连续性强，几乎每根材上都能发现，裂纹较深，扒皮不易去除。其低倍组织正常，但组织不对称(见图3)
。
其轧材的纵向断口为朽木状，为硫化物析出导致的结果。硫化物成分几乎为MnS
，其形状为条带状，并拌有显微氢脆(见图4)
。
(a)
条状；
(b) 球状； (c) (d) 白点
图4
断口硫化物和白点形貌
图5
裂纹氧化
图6
柱状晶相界
金相表明轧材的表面裂纹已经氧化，这也说明裂纹是在高温区形成的(图5)
。其方坯的金相组织可以发现柱状晶的相界由一层铁素体片包裹(图6)
。将方坯外弧边缘制成金相试样，用盐酸+
酒精溶液腐蚀试样，可显示柱状晶的边界。在方坯的凹陷区域没有激冷层。柱状晶之间由铁素体片隔离，金相组织为贝氏体(图7)
。扫描电镜的结果则更能显示凹陷区域柱状晶的形态与裂纹的关系。对于亚共析(包晶反应)
，特别是含硫量较高的钢种，其硫化物诱发的先共析相铁素体显然是沿着柱状晶的相界成长的。感兴趣的是， 对于SAE1045M
钢(
含碳0145
%)
等钢种也发现这一情况，其金相组织见(图8)
。
图7
凹陷区域表面的扫描电镜形貌
图8
SAE1045M钢柱状晶裂纹
2
讨 论
该钢产生的裂纹较为典型，具有文献报道的某些特征： (1)
产生纵裂纹的表面拌有凹陷，纵裂的严重性与铸坯表面凹陷相对应； (2)
裂纹沿树枝晶杆方向扩展； (3)
裂纹边缘出现一定的脱碳层，说明裂纹是在高温区形成的； (4)
连续性强，一旦发现便是几个浇次。纵裂纹起源于结晶器弯月面区(几十mm
到150
mm)
周边坯壳厚度薄弱处，说明纵裂纹起源于结晶器的弯月面区初生厚度不均匀的凝固壳处。文献认为：正常情况下，
初生坯壳的角部是二维冷却，其厚度略厚于四边的坯壳厚度，但角部冷却强度过大，就会出现角部冷却过冷，角部收缩大且坯壳厚度远大于面部，形成相对的骨架，强度较高，随着铸坯的向下继续进行，由于面部坯壳的相对较薄，强度较低，钢水静压力的作用将面部推向结晶器壁再次受到冷却，而角部由于强度大，其位移量较小，过早的离开结晶器内壁形成气隙而冷却较弱，随着面部坯壳的反复冷却和膨胀，在角部的凝固前沿就存在裂纹形成的危险性。即角部裂纹是由内向外扩展的，再由于角部过早形成气隙，当钢坯离开结晶器时，角部坯壳厚度实际上反而小于面部的坯壳厚度，一旦面部的收缩应力超过角部坯壳所能承受的强度，坯壳撕裂形成角部裂纹。而图8
所显示的其裂纹形态表征着裂纹是沿着表面裸露的柱状晶向内扩展的。
试验结果也表明：纵裂纹多起源于方坯的角部区域的激冷层薄弱处(约2～3
mm)
。①不过方坯凹陷处激冷层的组织，却由于与结晶器壁形成气隙，致使急冷层又在高温区转变为柱状晶而已。角部裂纹是②由内向外扩展的。由于方坯角部出现凹陷(这是结晶器冷却不均的一种特征)
。所以导致在轧制过程中，钢坯表面沿轧制方向形成纵向裂纹束，且各束之间互成90°，强冷将会引起坯壳角部撕裂，或加剧已产生的裂纹程度。文献认为：二冷水覆盖面小于坯面且强冷，将会引起坯壳角部撕裂，或加剧已产生的裂纹程度。原因是由于面部强冷导致收缩应力增大，对于角部来说形成了向两边拽的牵引力，故而引起角部坯壳撕裂或加剧裂纹程度。对于这种情况采取弱冷方式，并使二冷水覆盖面大于坯面，使角部仍形成二维冷却局势，对于角部坯壳薄，强度低，而未形成裂纹的情况，将会起到较好的保护作用。而裂纹已经存在的铸坯不至于再度扩展。
3
结 语
角部产生纵裂的倾向性实际上在结晶器内已经形成，而二冷方式的正确与否，对角部纵裂有较大的影响。而根本原因是在于结晶器的冷却。通过改变结晶器的冷却工艺，已大大减少了这类方坯缺陷的产生。
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