1前言
连铸是制造半成品钢的主要方法，所得到的铸坯产品作为轧机的原材料。钢的连铸需要严格控制的操作程序、精确的技术参数以及先进的生产和监控技术。尽管采取预防措施可以减少连铸产品表面和内部缺陷的风险，但不能完全消除这些缺陷。由于在一次和二次冷却区快速降温，铸坯会产生热应力，而在弯曲/矫直区则会受到机械应力的影响。当应力在某一温度下超过临界值时，就会发生材料失效。铸造产品的延展性是随温度变化的合金设计的性能指标。在凝固的初始阶段，温度高达1350℃，由于枝晶间区域存在液相，未完全固化，表现出低强度和低延展性，直到温度降至凝固温度以下。在900-1200℃温度范围内，钢的第二低延展性区域出现。在冷却到低于1200℃时，延展性损失与Mn/S比密切相关。增加Mn/S比可以提高钢的延展性，因为它可以捕捉硫并抑制FeS的形成。第三个低温低延展性区发生在600-900℃之间。这种低延展性是由于合金元素的氮化物和碳氮化物沿晶界析出所致。沿晶界形成的先共析铁素体也会导致延展性损失。研究表明，第三个低延展性区仅影响表面裂纹的形成，而不会影响内部裂纹的形成。缺陷的存在还受到连铸机设备状况、铸件产品形状和尺寸、所生产的钢种、特定铸造条件（如温度和速度）、结晶器的振荡、冷却机制以及铸造原料的质量和特性等因素影响。表面缺陷可以通过目视检查发现，并可以通过表面处理消除，但内部裂纹的情况要难以评估得多。在某些情况下，发现板坯在热轧前的加热炉中进行再加热时失效。为探明这种板坯失效的成因，进行了全面研究。在目前的研究中发现，板坯在进行轧制前，在加热炉的加热期间出现沿宽度方向开裂。进行详细的失效分析，旨在找出失效的根本原因并提出预防措施，以避免未来发生类似事件。在炼钢厂中，每块板坯在浇铸后都经过彻底检查，以发现任何表面缺陷，然后再送往轧钢厂。同样，失效的板坯也进行了表面缺陷检查，但表面没有发现问题。因此，很可能是内部缺陷导致了板坯的失效。需对板坯缺陷的成因进行调查，包括铸造结构和内部完整性、测量总气体含量和钢的化学分析、金相分析、微观偏析和晶粒结构。在GLEEBLE设备上进行的热机械模拟，是研究钢材高温性能的极好工具。同时，还研究了运行数据，以评估可能导致板坯失效的关键参数。早期研究人员报告了板坯内部裂纹形成的原因，如下：1）密集的喷淋冷却，导致连铸板坯表面产生高温梯度，随后表面重新加热。2）在钢的低延展性区域和低强度区域进行的弯曲和矫直操作。4）由于铌、钒等元素的存在，微合金钢更容易产生裂纹。在板坯矫直过程中这些元素会降低钢在临界温度下的延展性，导致裂纹更易形成。一些研究人员发现，仅含钒微合金化的钢相比于V-Nb-Ti或Nb-Ti钢具有显著更低的延展性。从两块破碎的板坯中取样进行冶金学研究。样品的取样位置如图1和图2所示，并标有样品的编号顺序。在第一块板坯中，沿板坯宽度方向切取了九个样品。其中，样品1#和9#来自边缘，样品5#来自板坯的中心。每个样品的尺寸大约为宽250mm、高220mm、厚40mm，沿纵向连铸方向取样。这些样品是在去除断裂表面后进行的取样。图2展示了第二块板坯样品编号的示意图。取了六个样品，编号为10#-15#。样品10#、14#和15#的一面为断裂面，而样品11#、12#、13#则是前一片后面的切片。需要特别注意板坯样品的编号，因为本研究将使用不同的方法对样品进行多种图示表示。使用LECO气体分析仪对采用样品9#制备的针状样品进行了总氧和氮分析。总氧含量约为40-50ppm，氮含量约为40ppm，均在可接受范围内。表1显示了三个针状样品总氧和氮的检测结果平均值。通过化学分析以检查成分并确认其在该钢级铸造中通常遵循的标准范围内。表2显示了板坯的化学成分。破碎板坯的化学分析显示，仅进行了钒微合金化。据文献报道，这种牌号的钢级延展性较差，容易出现裂纹。为了详细揭示宏观结构和裂纹，以及获取连铸过程中裂纹可能的起始位置的信息，对板坯样品进行了酸蚀刻。为此，对板坯样品进行机械加工和抛光，以在宽面和窄面（厚度）上创建光滑的表面。两个宽面都进行了机械加工和抛光，以检查裂纹是否沿连铸方向扩展。制备好样品后，测试表面用36vol.% HCl和水以1:1的体积比进行酸蚀刻。图3显示了样品1#-5#的宏观蚀刻面，这些样品是板坯横截面的一半。从图中可以清楚地看到裂纹在中心线两侧的分布、大小和位置。裂纹在底部区域的分布比在上部区域更多。图中显示，裂纹在板坯的下部沿宽度方向延伸。裂纹的位置在中心线和表面之间的中间，位于铸造结构的柱状区内。裂纹主要垂直于铸造方向，呈现枝晶间裂纹。宏观结构中显示了冷却区、柱状区和等轴区。在某些区域，较大的柱状生长一直延伸到中心。图4是样品2#的放大图，图中显示了两个宽面以及窄面。裂纹呈波浪状图案，水平和垂直延伸到中心线。当从窄面侧观看时，它们显示为细长的竖线。此外，在某些样品中，裂纹在相对面上也可见，表明这些裂纹有时会穿透样品的厚度（即至少40mm深）。为了进一步了解裂纹的性质，从样品9#和样品12#中切取了用于光学显微镜和扫描电子显微镜分析的试样。图5和图6显示了300倍放大下的裂纹视图。图7（a）显示了铸态结构的凝固组织，由典型枝晶铁素体包围的珠光体组成。铁素体晶体在晶界和晶粒中到处成核。图7（b）显示了裂纹在枝晶间区域的扩展。在高倍率（1000倍）光学显微照片中（如图8所示）可以看到，枝晶臂中的铁素体被珠光体团簇包围。从铸造板坯中取样，并加工成直径10mm、长度120mm的圆柱形状，纵轴与铸造方向平行。在GLEEBLE1500模拟器中进行了热力学模拟测试。为了在测试期间监控表面温度，将热电偶点焊到每个样品的中间位置。采用电阻加热对试样进行均匀加热。将测试样品以10℃/s的加热速率加热至1300℃，保温300s，再进行浸泡和固溶处理，然后以1℃/s的冷却速率冷却至测试温度（如700℃、800℃、900℃和1000℃），工艺流程示于图9。在试验温度下，保温60s使样品的温度稳定，然后以5×10-3/s的应变速率进行拉伸试验，直到样品失效。试验结果表明，当试验温度降至1000℃以下时，样品的延展性急剧下降。宏观蚀刻样品显示，板坯中存在内部横向裂纹和中间裂纹。这些裂纹在连铸过程中由于强烈冷却和再加热，在二次冷却过程中发生。在一些样品上测量了裂纹的起始和扩展情况，如图10所示。在上部区域，裂纹位于距顶面50-70mm的带状区域。相比之下，在下部区域，裂纹形成开始得更早，大多数裂纹位于距底面30-50mm的带状区域，少数裂纹有时会延伸到70mm。考虑到连铸速度为1m/min，厚度为220mm，K因子为22.4，计算凝固坯壳厚度，裂纹接近于在结晶器的铸造段1和2之间形成。上下部区域中存在的扭曲状、波浪状类型的内部裂纹，可能是由于多前沿裂纹扩展。这表明在连铸过程中板坯可能产生了应力，并在板坯加工过程中进一步加剧了裂纹的扩展。在所有板坯样品中，表面均未见裂纹。光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）下的金相检查，显示出典型的凝固铸造组织。显微组织中未发现不均匀性。裂纹并非连续存在，而是广泛分布的。裂纹主要沿柱状枝晶间区域扩展。这些裂纹的存在表明它们在连铸过程中较高温度下生成，通常在连铸机的上段普遍存在。图11显示了一条裂纹的俯视图，可以明显看到初生和次生枝晶。热力学模拟显示，当温度降至1000℃以下时，样品的延展性急剧下降。在1000℃时，样品断面收缩率约为60%，而在700℃时下降到40%以下。研究人员报告称，断面收缩率低于40%是一个临界阈值，裂纹的敏感性会迅速增加。在900-700℃的温度水平下的任何应力，都可能加剧板坯中已存在的内部裂纹。1）板坯底部区域的横向内部裂纹可能是由于拉坯弯曲开始时产生的拉应力引起的。这可能发生在连铸机的上段。连铸设备上段的运行状况可能是其中一个影响因素。2）板坯上部（中心线以上）出现裂纹，表明二次冷却存在问题。枝晶间裂纹是由于过度再加热引起的。这表明在上段存在强烈冷却，随后在较低段进行温和冷却，可能是由于二次冷却不当或漏水引起的。3）通过调整碳含量，可以重新调整钢种的化学成分以减少裂纹倾向。碳含量范围在0.09%-0.14%之间被发现更易产生裂纹。将碳含量提高到0.15%以上有助于减少裂纹产生的倾向。4）通过V、Nb和Ti的组合进行微合金化，也可以改善板坯的内部质量。5）对板坯进行缓慢堆叠冷却和炉内缓慢加热，以控制裂纹的加剧。
