A105连铸坯表面横裂纹形成原因分析.pdf

第36卷第1期北京科技大学学报 Vol.36 No.1 2014年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2014 A105连铸坯表面横裂纹形成原因分析陶素芬12)，王福明2，李梦龙2，金桂香12，曹敏12，柴国强》 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)北京有色金属研究总院，北京100088 ☒通信作者，E-mail:wangfuming@(metall..usth.edu.cm 摘要应用配有能谱仪的场发射扫描电镜分析了A105钢中裂纹处及基体内残余元素Cu、As和S以及P含量.应用 Thermo--Calc热力学计算软件计算了Al05钢的主要析出相以及钢液中P含量随固相质量分数变化关系.应用Gleeble1500热模拟试验机对A1O5钢的高温热塑性进行了研究.发现P偏析是该钢产生横裂的主要原因，残余元素Cu、As和S在晶界的偏聚加剧了裂纹的形成，矫直温度偏低加速了裂纹的扩展，而裂纹的形成可能与AN的析出无关，因为析出的AN很少. 关键词连铸：铸坯：表面裂纹：磷：偏析分类号TF777.2 Surface transverse crack formation study of A105 continuous casting billets TAO Sufen',WANG Fu-ming,LI Meng-Hong,JIN Gui-xiang,CAO Min),CHAI Guo-qiang 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)General Research Institute of Nonferrous Metals in Beijing,Beijing 100088,China Corresponding author,E-mail:wangfuming@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The contents of tramp elements Cu,As and Sn as well as P in A105 continuous casting billets were analyzed by field emission scanning electron microscopy (FESEM)equipped with energy dispersive spectrometry (EDS).Main precipitates in the steel and the variation of P content in molten steel with solid fraction were calculated by Thermo-Calc thermodynamic software.The hot ductility of the steel was measured by using a Gleeble 1500 thermal simulator.It is found that P segregation is the main reason for transverse cracking of the steel.The segregation of tramp elements Cu,As and Sn at grain boundaries promotes the formation of cracks. Straightening in a lower temperature zone accelerates crack propagation.AlN precipitation may have nothing to do with the formation of cracks due to little AlN. KEY WORDS continuous casting:billets:surface cracks:phosphorus:segregation 连铸坯表面缺陷可分为纵裂纹、横裂纹、网状裂铸坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温坯壳纹、皮下针孔和宏观夹杂，但主要缺陷是表面裂纹. 上产生的变形超过了钢的允许强度和应变是产生裂表面裂纹形成的一个主要原因是在结晶器弯月面区纹的外因，钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因，而连域钢水一结晶器壁一保护渣一坯壳之间不均衡凝固，铸机设备和工艺因素是产生裂纹的条件. 它取决于钢水在结晶器中的凝固过程.在二冷区，从国内外众多学者的研究成果来看，铸坯表面铸坯表面裂纹会继续扩展.它会导致轧材表面的微横裂纹的形成原因除设备因素外，主要有以下几个细裂纹，影响产品质量山方面. 连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是 (1)表面横裂纹的形成与P、S等元素以及残余传热、传质和应力相互作用的结果.带液芯的高温元素Cu、As和Sb在晶界的偏聚有关.Harada、Ma 收稿日期：20130102 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374018：51174020)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-SD-12010A) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.005:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷第 1 期 2014 年 1 月北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 1 Jan． 2014 A105 连铸坯表面横裂纹形成原因分析陶素芬1，2) ，王福明1，2) ，李梦龙1，2) ，金桂香1，2) ，曹敏1，2) ，柴国强3) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 北京有色金属研究总院，北京 100088  通信作者，E-mail: wangfuming@ metall． ustb． edu． cn 摘要应用配有能谱仪的场发射扫描电镜分析了 A105 钢中裂纹处及基体内残余元素 Cu、As 和 Sn 以及 P 含量．应用 Thermo-Calc 热力学计算软件计算了 A105 钢的主要析出相以及钢液中 P 含量随固相质量分数变化关系．应用 Gleeble 1500 热模拟试验机对 A105 钢的高温热塑性进行了研究．发现 P 偏析是该钢产生横裂的主要原因，残余元素 Cu、As 和 Sn 在晶界的偏聚加剧了裂纹的形成，矫直温度偏低加速了裂纹的扩展，而裂纹的形成可能与 AlN 的析出无关，因为析出的 AlN 很少．关键词连铸; 铸坯; 表面裂纹; 磷; 偏析分类号 TF777. 2 Surface transverse crack formation study of A105 continuous casting billets TAO Su-fen1，2) ，WANG Fu-ming1，2)  ，LI Meng-long1，2) ，JIN Gui-xiang1，2) ，CAO Min1，2) ，CHAI Guo-qiang3) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) General Ｒesearch Institute of Nonferrous Metals in Beijing，Beijing 100088，China  Corresponding author，E-mail: wangfuming@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The contents of tramp elements Cu，As and Sn as well as P in A105 continuous casting billets were analyzed by field emission scanning electron microscopy ( FESEM) equipped with energy dispersive spectrometry ( EDS) ． Main precipitates in the steel and the variation of P content in molten steel with solid fraction were calculated by Thermo-Calc thermodynamic software． The hot ductility of the steel was measured by using a Gleeble 1500 thermal simulator． It is found that P segregation is the main reason for transverse cracking of the steel． The segregation of tramp elements Cu，As and Sn at grain boundaries promotes the formation of cracks． Straightening in a lower temperature zone accelerates crack propagation． AlN precipitation may have nothing to do with the formation of cracks due to little AlN． KEY WOＲDS continuous casting; billets; surface cracks; phosphorus; segregation 收稿日期: 2013--01--02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51374018; 51174020) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--SD--12--010A) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 01． 005; http: / /journals． ustb． edu． cn 连铸坯表面缺陷可分为纵裂纹、横裂纹、网状裂纹、皮下针孔和宏观夹杂，但主要缺陷是表面裂纹．表面裂纹形成的一个主要原因是在结晶器弯月面区域钢水--结晶器壁--保护渣--坯壳之间不均衡凝固，它取决于钢水在结晶器中的凝固过程．在二冷区，铸坯表面裂纹会继续扩展．它会导致轧材表面的微细裂纹，影响产品质量［1］．连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是传热、传质和应力相互作用的结果．带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温坯壳上产生的变形超过了钢的允许强度和应变是产生裂纹的外因，钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因，而连铸机设备和工艺因素是产生裂纹的条件．从国内外众多学者的研究成果来看，铸坯表面横裂纹的形成原因除设备因素外，主要有以下几个方面． ( 1) 表面横裂纹的形成与 P、S 等元素以及残余元素 Cu、As 和 Sb 在晶界的偏聚有关． Harada、Ma

·30 北京科技大学学报第36卷和Hwang等研究横向表面裂纹发现，偏析是横在这一温度区间内，则很可能产生横裂.因此，恶化向表面裂纹的起源.Dobrovska等和Wolf分析钢的高温力学性能的因素也可能是横裂纹形成的原了铸坯的横裂纹形成原因，认为裂纹是由于成分偏因.文献13-16]认为含Al、Nb和V钢铸坯表面易析而产生微孔，微孔在应力作用下收缩产生的.P、S 产生细小的横裂纹，在弯曲或矫直中传播长大成较等元素在晶界偏析会使晶界处熔点降低，使其成为大的横裂纹.S、Al、V、N等元素对低温热塑性区的裂纹的起源地.残余元素Cu、As和Sb等在y晶界脆性影响很大，A、V、N等元素扩大了第Ⅲ类脆性的偏聚增加了晶界脆性；随温度降低，铁素体α沿Y 区的范围，S以硫化物的形式在晶界析出，N能促进晶界析出，拉伸变形时由于铁素体相的强度只是奥薄膜状初生铁素体的形成，也容易产生晶界析出物. 氏体相的14-0，应力下变形主要集中在沿奥氏 N含量高的钢中不仅有强碳氮化物形成元素Nb、V 体分布的铁素体相中，当应力超过晶界铁素体相所和Ti的碳氮化物析出，还会有AN的析出，这些析能承受的强度时，在铁素体中便产生空洞.尤其当出相在晶界析出，破坏了基体的连续性，增加了钢的晶界处存在碳氮化物的析出物时，这些微细析出物脆性，扩大了第Ⅲ类脆性区的范围. 作为应力集中源点，与晶界脱开形成微孔，在晶界滑连铸过程中出现的表面裂纹在后续轧制过程中移作用下，微孔连接形成裂纹四会进一步延伸和扩展，极大地降低了钢材的成材率， (2)表面横裂纹的形成与振痕有关.表面横裂恶化了板材的表面质量和深加工性能，严重影响了纹经常发生在振痕波谷处，振痕深时，波谷处容易产企业的经济效益.为提高铸坯表面质量，提高企业生横裂纹并沿奥氏体晶界扩展，最终形成大量横裂经济效益，必须解决连铸生产过程中铸坯表面横裂纹.这是由于振痕处常伴有元素偏析，元素的偏析问题使得振痕处熔点降低、凝固坯壳较薄弱，铸坯矫直 1 时，铸坯内弧侧受到拉伸应力，振痕波谷处存在应力实验材料集中，因此振痕的谷底槽口在弯曲或矫直点易产生实验采用某钢厂生产的A105钢，其化学成分裂纹. 见表1.实验用试样取自断面尺寸为235mm× (3)表面横裂纹的形成与钢的高温力学性能有 235mm的A105钢连铸方坯内弧侧边缘处，样品尺关.Suzuki等网的研究表明，钢的断面收缩率寸为25mm×25mm×120mm,取样位置如图1 <60%时，裂纹的敏感系数显著增加，若矫直温度落所示表1A105钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Al05 steel % C Mn P Cu Sn Al Cr 0 Fe 0.197 0.25 0.91 0.015 0.006 0.04 0.012 0.0030.0148 0.12 0.00930.0013Bal 2.1裂纹分布及裂纹附近的组织亚阿恤1 内解 6蓝二对图1中的1面与2面进行观察拍照，找出相对较明显的裂纹，并采用线切割取样.1面与2面的面2 照片以及实验用试样的位置如图2所示.由图2可以发现，裂纹主要沿振痕分布，且振痕深的地方裂纹也越多.这说明裂纹的形成与振痕有关图1取样位置示意图 Fig.I Schematic diagram of the sampling position 采用线切割按图2所示位置取样，并将试样按所对应的位置编号.将试样1与处试样3研磨抛 2实验方法与结果光，在体式镜下拍摄裂纹的形貌，再采用3%硝酸乙醇溶液侵蚀，观察裂纹附近的组织.随后在场发射关于上述铸坯表面横裂纹产生的原因，本文主扫描电镜下对试样进行分析. 要从裂纹分布、裂纹附近的组织、P偏析、裂纹附近试样1及试样3的裂纹及裂纹附近的组织如图残余元素分布，AN析出热力学计算以及A1O5钢的 3~图5所示.图3(a)为体式显微镜拍摄的试样1 热塑性等方面进行了研究.分析该钢产生横裂的原的整体形貌，图3(b)为光学显微镜下裂纹附近的显因，并提出相应的措施微组织形貌；图4(a)和(b)分别为试样3横截面、纵

北京科技大学学报第 36 卷和 Hwang 等［2--5］研究横向表面裂纹发现，偏析是横向表面裂纹的起源． Dobrovska 等［6］和 Wolf ［7］分析了铸坯的横裂纹形成原因，认为裂纹是由于成分偏析而产生微孔，微孔在应力作用下收缩产生的． P、S 等元素在晶界偏析会使晶界处熔点降低，使其成为裂纹的起源地．残余元素 Cu、As 和 Sb 等在 γ 晶界的偏聚增加了晶界脆性; 随温度降低，铁素体 α 沿 γ 晶界析出，拉伸变形时由于铁素体相的强度只是奥氏体相的 1 /4 ［8--10］，应力下变形主要集中在沿奥氏体分布的铁素体相中，当应力超过晶界铁素体相所能承受的强度时，在铁素体中便产生空洞．尤其当晶界处存在碳氮化物的析出物时，这些微细析出物作为应力集中源点，与晶界脱开形成微孔，在晶界滑移作用下，微孔连接形成裂纹［11］． ( 2) 表面横裂纹的形成与振痕有关．表面横裂纹经常发生在振痕波谷处，振痕深时，波谷处容易产生横裂纹并沿奥氏体晶界扩展，最终形成大量横裂纹．这是由于振痕处常伴有元素偏析，元素的偏析使得振痕处熔点降低、凝固坯壳较薄弱，铸坯矫直时，铸坯内弧侧受到拉伸应力，振痕波谷处存在应力集中，因此振痕的谷底槽口在弯曲或矫直点易产生裂纹． ( 3) 表面横裂纹的形成与钢的高温力学性能有关． Suzuki 等［12］的研究表明，钢的断面收缩率＜ 60% 时，裂纹的敏感系数显著增加，若矫直温度落在这一温度区间内，则很可能产生横裂．因此，恶化钢的高温力学性能的因素也可能是横裂纹形成的原因．文献［13--16］认为含 Al、Nb 和 V 钢铸坯表面易产生细小的横裂纹，在弯曲或矫直中传播长大成较大的横裂纹． S、Al、V、N 等元素对低温热塑性区的脆性影响很大，Al、V、N 等元素扩大了第Ⅲ类脆性区的范围，S 以硫化物的形式在晶界析出，N 能促进薄膜状初生铁素体的形成，也容易产生晶界析出物． N 含量高的钢中不仅有强碳氮化物形成元素 Nb、V 和 Ti 的碳氮化物析出，还会有 AlN 的析出，这些析出相在晶界析出，破坏了基体的连续性，增加了钢的脆性，扩大了第Ⅲ类脆性区的范围．连铸过程中出现的表面裂纹在后续轧制过程中会进一步延伸和扩展，极大地降低了钢材的成材率，恶化了板材的表面质量和深加工性能，严重影响了企业的经济效益．为提高铸坯表面质量，提高企业经济效益，必须解决连铸生产过程中铸坯表面横裂问题． 1 实验材料实验采用某钢厂生产的 A105 钢，其化学成分见表 1．实验用试样取自断面尺寸为 235 mm × 235 mm的 A105 钢连铸方坯内弧侧边缘处，样品尺寸为 25 mm × 25 mm × 120 mm，取样位置如图 1 所示．表 1 A105 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of A105 steel % C Si Mn P S Cu As Sn Al Cr N O Fe 0. 197 0. 25 0. 91 0. 015 0. 006 0. 04 0. 012 0. 003 0. 0148 0. 12 0. 0093 0. 0013 Bal．图 1 取样位置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the sampling position 2 实验方法与结果关于上述铸坯表面横裂纹产生的原因，本文主要从裂纹分布、裂纹附近的组织、P 偏析、裂纹附近残余元素分布，AlN 析出热力学计算以及 A105 钢的热塑性等方面进行了研究．分析该钢产生横裂的原因，并提出相应的措施． 2. 1 裂纹分布及裂纹附近的组织对图 1 中的 1 面与 2 面进行观察拍照，找出相对较明显的裂纹，并采用线切割取样． 1 面与 2 面的照片以及实验用试样的位置如图 2 所示．由图 2 可以发现，裂纹主要沿振痕分布，且振痕深的地方裂纹也越多．这说明裂纹的形成与振痕有关．采用线切割按图 2 所示位置取样，并将试样按所对应的位置编号．将试样 1 与处试样 3 研磨抛光，在体式镜下拍摄裂纹的形貌，再采用 3% 硝酸乙醇溶液侵蚀，观察裂纹附近的组织．随后在场发射扫描电镜下对试样进行分析．试样 1 及试样 3 的裂纹及裂纹附近的组织如图 3 ～图 5 所示．图 3( a) 为体式显微镜拍摄的试样 1 的整体形貌，图 3( b) 为光学显微镜下裂纹附近的显微组织形貌; 图 4( a) 和( b) 分别为试样 3 横截面、纵 ·30·

·32· 北京科技大学学报第36卷 4150 am 图5试样3的裂纹附近组织.(a)横截面：(b)纵截面 Fig.5 Microstructure near cracks of Sample 3:(a)transverse section:(b)longitudinal section 振痕深处的裂纹也较多：而Harada等回对连铸表面以及边缘裂纹处的侵蚀结果，图7(d)为(c)中裂纹横裂纹的研究发现，振痕附近存在着明显的P偏的放大图.在图7(b)振痕较深处，也发现有裂纹的析，且裂纹周围的P含量达到了钢包中钢液P含量存在，说明裂纹的形成与振痕有关.图7和图8中的17倍.因此，采用场发射扫描电镜对试样1进行出现的白色线条均为P偏析区域，可以发现裂纹均了分析，结果如图6所示沿着P偏析区域出现.没有裂纹的区域（图7(a)) 也没有发现P偏析线.因此，可以确定A105钢裂纹的形成与P偏析有关 2.3残余元素Cu、As及Sn的实验研究为了研究裂纹的形成是否与残余元素的偏聚有关，采用场发射电镜对试样1裂纹内及裂纹周边残余元素的含量进行了能谱分析，结果如图9示由图9可以发现，裂纹内部的点1与点2的残余元素Cu、As及Sn的含量均高于基体上的点3. 所以，残余元素在裂纹内部存在着一定程度的富集 1m经 2.4AIN实验研究位置 0 Si P Mn Fe 为了研究裂纹的形成是否与纳米颗粒AN的 1 4.74 0.95 1.42 92.89 析出有关，本研究采用Thermo-Cale热力学计算软件 2 3.89 0.70 95.41 对表1成分的A105钢在400~1600℃的主要析出 3 11.69 0.92 2.60 3.49 81.30 相进行了计算，计算结果如图10所示.由图10可 4 10.82 2.07 1.33 2.29 83.49 以看出，平衡条件下，表1成分的A105钢是有AlN 0.75 99.25 析出的，析出温度为1050℃，最大析出摩尔分数为注：“”表示该元素含量较低，未达到设备检出值，下同 0.00052 图6场发射能谱分析试样1的裂纹内及裂纹附近化学成分（质量为了确定裂纹的形成是否与纳米颗粒AN有分数) 关，将试样3标记处（即试样5）的裂纹掰开之后，观 Fig.6 Chemical composition in and near cracks of Sample I analyzed by 察裂纹内部的形貌，发现裂纹面呈现解理形貌，裂纹 field emission scanning electron microscopy (FESEM)equipped with en- 两侧形貌分别见图11(a)和(b).为了直观地观察 ergy dispersive spectrometry (EDS) 裂纹上是否有AN颗粒存在，采用场发射扫描电镜由图6可以看出裂纹处（图中的点3）P含量偏对掰开的试样3的两侧进行研究，结果两侧均未发高，远离裂纹的点1、2和5处P含量较低，说明裂纹现AlN质点的存在.因此，即使Thermo-Calc的计算处P偏析较严重.为了观察试样的P偏析情况，采结果表明表1成分的A105钢，在平衡条件下可以用Oberhoffer试剂对该试样进行侵蚀，如图7所示. 析出AN,但实际过程中AIN并没有析出或析出量此外还对试样2与试样4进行了侵蚀，结果如图8 很少，因此AN的析出造成该钢横裂的可能性所示.图7(a)~(c)分别为无裂纹处、振痕较深处较小

北京科技大学学报第 36 卷图 5 试样 3 的裂纹附近组织． ( a) 横截面; ( b) 纵截面 Fig． 5 Microstructure near cracks of Sample 3: ( a) transverse section; ( b) longitudinal section 振痕深处的裂纹也较多; 而 Harada 等［2］对连铸表面横裂纹的研究发现，振痕附近存在着明显的 P 偏析，且裂纹周围的 P 含量达到了钢包中钢液 P 含量的 17 倍．因此，采用场发射扫描电镜对试样 1 进行了分析，结果如图 6 所示．位置 O Si P Mn Fe 1 4. 74 0. 95 — 1. 42 92. 89 2 3. 89 0. 70 — — 95. 41 3 11. 69 0. 92 2. 60 3. 49 81. 30 4 10. 82 2. 07 1. 33 2. 29 83. 49 5 — 0. 75 — — 99. 25 注: “—”表示该元素含量较低，未达到设备检出值，下同．图 6 场发射能谱分析试样 1 的裂纹内及裂纹附近化学成分( 质量分数) Fig． 6 Chemical composition in and near cracks of Sample 1 analyzed by field emission scanning electron microscopy ( FESEM) equipped with energy dispersive spectrometry ( EDS) 由图 6 可以看出裂纹处( 图中的点 3) P 含量偏高，远离裂纹的点 1、2 和 5 处 P 含量较低，说明裂纹处 P 偏析较严重．为了观察试样的 P 偏析情况，采用 Oberhoffer 试剂对该试样进行侵蚀，如图 7 所示．此外还对试样 2 与试样 4 进行了侵蚀，结果如图 8 所示．图 7( a) ～ ( c) 分别为无裂纹处、振痕较深处以及边缘裂纹处的侵蚀结果，图 7( d) 为( c) 中裂纹的放大图．在图 7( b) 振痕较深处，也发现有裂纹的存在，说明裂纹的形成与振痕有关．图 7 和图 8 中出现的白色线条均为 P 偏析区域，可以发现裂纹均沿着 P 偏析区域出现．没有裂纹的区域( 图 7( a) ) 也没有发现 P 偏析线．因此，可以确定 A105 钢裂纹的形成与 P 偏析有关． 2. 3 残余元素 Cu、As 及 Sn 的实验研究为了研究裂纹的形成是否与残余元素的偏聚有关，采用场发射电镜对试样 1 裂纹内及裂纹周边残余元素的含量进行了能谱分析，结果如图 9 示．由图 9 可以发现，裂纹内部的点 1 与点 2 的残余元素 Cu、As 及 Sn 的含量均高于基体上的点 3．所以，残余元素在裂纹内部存在着一定程度的富集． 2. 4 AlN 实验研究为了研究裂纹的形成是否与纳米颗粒 AlN 的析出有关，本研究采用 Thermo-Calc 热力学计算软件对表 1 成分的 A105 钢在 400 ～ 1600 ℃ 的主要析出相进行了计算，计算结果如图 10 所示．由图 10 可以看出，平衡条件下，表 1 成分的 A105 钢是有 AlN 析出的，析出温度为 1050 ℃，最大析出摩尔分数为 0. 00052．为了确定裂纹的形成是否与纳米颗粒 AlN 有关，将试样 3 标记处( 即试样 5) 的裂纹掰开之后，观察裂纹内部的形貌，发现裂纹面呈现解理形貌，裂纹两侧形貌分别见图 11( a) 和( b) ．为了直观地观察裂纹上是否有 AlN 颗粒存在，采用场发射扫描电镜对掰开的试样 3 的两侧进行研究，结果两侧均未发现 AlN 质点的存在．因此，即使 Thermo-Calc 的计算结果表明表 1 成分的 A105 钢，在平衡条件下可以析出 AlN，但实际过程中 AlN 并没有析出或析出量很少，因此 AlN 的析出造成该钢横裂的可能性较小． ·32·