在生產過程中,釩鋼和其他高強度低合金鋼一樣,主要采用連鑄工藝生產,模鑄工藝相對較少,因而對連鑄工藝普遍比較關注。連鑄坯的質量,如組織結構、表面缺陷、中心偏析、成分和組織的均勻性等都對最終產品的性能和質量有一定的影響。
改善和提高連鑄坯的凝固組織是獲得高性能最終產品的重要一環。在一般情況下,連鑄坯從邊緣到中心的凝固組織是由細小等軸晶帶、柱狀晶帶和中心等軸晶帶構成。細小等軸晶帶位于連鑄坯的表層,當液態鋼水進入結晶器時,鋼水與銅壁結晶器接觸,冷卻速度很快,在鑄坯的邊緣形成了細小等軸晶帶;柱狀晶帶位于細小等軸晶帶的內側,細小等軸晶帶的形成過程伴隨著鑄坯的體積收縮,當鑄坯脫離銅壁時就形成了氣隙,降低了傳熱速度,鑄坯形成了柱狀晶區;等軸晶帶位于連鑄坯的中心,隨著凝固前沿的推移,凝固層和凝固前沿的溫度梯度逐漸減小,兩相區寬度逐漸增大,鑄坯心部液相溫度降至液相線后,心部開始結晶,由于心部傳熱的單相性已不明顯,形成等軸晶,傳熱受到限制,晶粒較激冷層粗大。 在連鑄過程中防止鑄坯產生裂紋是鑄坯質量非常重要的一個問題。隨著連鑄鋼水的冷卻和凝固,將發生液態收縮、凝固收縮和固態收縮等現象,其中固態收縮量比較大,在溫降過程中會產生熱應力,在相變過程中會產生組織應力,這些內應力的產生是引發鑄坯裂紋的根源,因此,固態收縮對鑄坯質量影響最大。 連鑄坯的缺陷主要包括連鑄坯的純凈度、表面質量、內部質量和外觀形狀等幾個方面,其中比較主要的有兩類:表面缺陷和內部缺陷。表面缺陷是影響連鑄產量和連鑄坯質量的重要缺陷,包括表面縱裂紋、橫裂紋、網狀裂紋、皮下夾雜和皮下氣孔等;內部缺陷主要包括中心偏析、中心疏松、中間裂紋、皮下裂紋和夾雜等,這些內部缺陷是由于鑄坯的鼓肚、帶液芯彎曲和矯直、鑄坯表面溫度回升所產生的熱應力和部分過剩富集溶質元素充填枝晶的間隙等因素影響下形成的。這些缺陷對軋材的最終質量影響較大,在后部工序的加工中不可能消除。 連鑄坯的表面缺陷中,縱裂紋多發生在板坯寬面的中央部位,方坯多發生在棱角處,主要是由于結晶器內冷卻強度不均勻造成坯殼厚度不均勻,在坯殼薄的地方應力集中,當應力超過坯殼的抗拉強度時就產生了縱向裂紋。連鑄坯表面的橫向裂紋多出現在鑄坯的內弧側振痕波谷處,通常是隱蔽看不見的,經金相檢查,處于鐵素體網狀區,也正好是初生奧氏體晶界,還可觀察到有細小析出物質點存在,降低了晶界的結合力,誘發了橫向裂紋,與鑄坯縱向裂紋相比,它對連鑄坯質量的影響更大。在高強度低合金鋼(HSLA)鋼的連鑄過程中,橫向開裂是一種常見的失效形式,很多研究者這方面開展了大量的研究工作,盡管研究條件和試驗方法不盡相同,但試驗結果卻呈現出比較一致的變化趨勢,連鑄鋼在凝固收縮和固態收縮時,在700~950℃存在一個塑性低谷區,當鑄坯表面施加機械負載(如矯直)時,容易誘發橫向裂紋,因此可以說,連鑄坯橫向裂紋的產生與連鑄鋼的700~950℃的高溫脆性區密切相關。 圖1給出了不同鋼種連鑄坯的斷面收縮率與溫度的關系,圖1a是Mintz和Abushosha的試驗結果,預加熱溫度為1330℃;圖1b是凝固試樣的試驗結果。盡管試驗方法不同,但試驗結果是基本相同的。由圖可以看出,隨著溫度的降低,C-Mn鋼和鈮、釩微合金鋼的斷面收縮率的變化趨勢是相同的,隨著溫度的降低,鋼的斷面收縮率從950℃開始降低,到810~830℃塑性降至低谷,溫度繼續降低斷面收縮率又開始回升,到750℃附近塑性完全恢復,幾種不同的試驗鋼均存在一個類似的高溫塑性低谷區。 圖1 不同鋼種連鑄坯的斷面收縮率與溫度的關系 a-預加熱溫度為1330℃;b-凝固試樣 C-Mn鋼與鈮、釩微合金鋼的高溫塑性是有差異的,主要表現在高溫塑性低谷區的寬度和塑性開始降低的溫度不同。隨著溫度的降低,C-Mn鋼約從900℃斷面收縮率開始降低,當溫度降至約820℃時C-Mn鋼的斷面收縮率最低,出現塑性低谷,溫度繼續降低時斷面收縮率又開始回升,當溫度降至750℃左右時C-Mn鋼的塑性完全恢復,因此對C-Mn鋼來說,從900~750℃就形成一個低谷區。 鈮、釩等微合金化元素對連鑄坯高溫塑性有影響,其中影響最顯著的是鈮。由圖1可以看出,含鈮鋼的上臨界溫度比較高,約為1000℃,比C-Mn鋼高出約100℃,而塑性完全恢復的下臨界溫度也相應降低近100℃,因而含鈮鋼的高溫塑性低谷區的范圍明顯擴大,這表明,含鈮鋼連鑄時在更寬的溫度范圍內彎曲矯直時易產生橫向裂紋。N.Bannenberg對含鈮鋼的高溫熱塑性也進行了研究,如圖2所示,給出了鈮對鋼熱塑性的影響,從圖可以看出,當溫度降低到1050℃時含鈮鋼的斷面收縮率開始降低,在830℃時含鈮鋼的斷面收縮率最低,繼續降低溫度裂紋處的斷面收縮率再次上升,到700℃塑性完全恢復。同時作者對斷面收縮率提出了一個臨界值的概念,規定澆注過程中斷面收縮率必須在75%以上方可避免橫向裂紋的產生。很顯然C-Mn鋼的產生裂紋的臨界范圍很窄,而含鈮鋼發生裂紋的臨界范圍要寬得多,在此溫度范圍內經受彎曲矯直等機械負載時很容易產生橫向裂紋,因此,連鑄時隨著鑄坯的連續冷卻,其表面、邊緣和棱角等各部分的溫度在降低到1000~700℃臨界范圍之前必須完成連鑄坯的彎曲矯直。 圖2 鈮對鋼熱塑性的影響 含釩鋼的高溫塑性與C-Mn鋼比較接近,介于C-Mn鋼和含鈮鋼之間。從塑性低谷區的寬度上看,釩微合金化鋼塑性低谷區寬度比C-Mn鋼向高溫方向略有增加;從塑性低谷區存在的溫度范圍上看,釩微合金化鋼塑性低谷區存在的溫度范圍比C-Mn鋼向高溫方向略有擴展,盡管試驗結果不盡相同,其溫度范圍向高溫擴展約為50℃。從上述塑性低谷區寬度及其存在溫度范圍兩方面看,釩微合金化鋼對鑄坯裂紋并不敏感,與C-Mn鋼比較接近,最敏感的是鈮微合金化鋼。但是,氮對釩微合金化鋼的高溫塑性低谷有影響,很多研究人員對此進行了大量的研究工作。Mintz等人研究了釩和氮含量對0.1%C-1.4%Mn-0.03%Al鋼高溫塑性的影響,為便于對比,圖中也給出了0.03%Nb鋼的斷面收縮率,如圖3所示。當釩氮含量比較低時,即氮含量小于0.005%、釩含量小于0.1%時,該鋼850℃的斷面收縮率遠遠高于0.03%Nb鋼。隨著釩氮含量的提高,850℃的斷面收縮率逐漸降低,當氮、釩都比較高時,即氮含量大于0.01%、釩含量大于0.1%時,釩鋼的高溫塑性才與0.03%鈮鋼接近,這種現象的產生是由于在連鑄條件下,析出的V(C,N)的粗化速率比Nb(C,N)快得多,因此對高溫塑性的損害比鈮小得多所致。氮含量的提高將促進V(C,N)粒子在奧氏體中的析出,降低釩鋼的高溫塑性。對任何鋼來說,析出粒子體積分數的增加都將導致高溫塑性的降低。 圖3 V、N總含量的乘積對850℃斷面收縮率的影響 大量研究和試驗結果表明,在連鑄過程中,根據各類鋼高溫塑性低谷區的寬度和溫度范圍,嚴格控制二冷區的冷卻速度,采用平穩的弱冷卻,使彎曲矯直時鑄坯的表面溫度高于碳氮化物的析出溫度,或高于γ→α相變溫度,或高于產生脆化的上臨界溫度,避開塑性低谷區,不論釩鋼、氮釩含量高的V-N鋼、鈮鋼都可以防止鑄坯橫向裂紋的產生。此外,從采用合理的結晶器及高頻率小振幅、性能良好的保護渣、保持結晶器液面的穩定性、降低鋼中的硫磷、抑制碳氮化物的晶界析出、通過二次冷卻使鑄坯表面層奧氏體晶粒細化、降低裂紋敏感性等措施,對防止鑄坯橫向裂紋的產生也有一定的幫助。
