李文雙，張靈通，朱林林，郭金龍，付鵬沖,2

（1西王特鋼有限公司，山東 濱州256200；2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230026）

1　前言

在大圓坯連鑄生產(chǎn)過程中，連鑄坯表面質(zhì)量對最終軋制產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響，其中連鑄坯表面縱裂紋和星狀裂紋是低碳鋼連鑄常見的冶金缺陷。大量研究表明［1-2］，低碳鋼連鑄坯表面裂紋與包晶反應(yīng)有密切關(guān)系。為了提高包晶鋼表面質(zhì)量，研究包晶反應(yīng)機(jī)理和包晶反應(yīng)區(qū)域，能夠在實際生產(chǎn)過程中通過優(yōu)化成分設(shè)計，避開包晶反應(yīng)強(qiáng)烈體積收縮劇烈的區(qū)間，對提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要的指導(dǎo)意義。

西王特鋼有限公司在實際生產(chǎn)圓管坯MSL-1和MSL-8A的過程中，部分連鑄坯出現(xiàn)了表面縱裂紋，通過理論計算和試驗研究，對連鑄坯成分進(jìn)行調(diào)整和保護(hù)渣設(shè)計，成功解決了此類問題；同時，通過包晶鋼生產(chǎn)積累大量有價值的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為以后相關(guān)鋼種的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2　包晶反應(yīng)區(qū)域影響因素分析

2.1　包晶反應(yīng)特點

Fe-C二元平衡相圖中，在1 495℃時發(fā)生包晶反應(yīng)：δ+L→γ。在此反應(yīng)中δ（wS（［C］）=0.09%）、γ（wP（［C］）=0.17%）和L（wF（［C］）=0.53%）三相共存。其結(jié)晶過程為：鋼水從中間包進(jìn)入結(jié)晶器后，當(dāng)靠近結(jié)晶器壁的鋼液的溫度降到液相線溫度時，首先從液體中結(jié)晶出固相δ，并以枝晶形式長大；當(dāng)溫度達(dá)到1 495℃時，發(fā)生包晶反應(yīng)δ+L→γ，圍繞δ枝晶形成γ包層，構(gòu)成δ+L+Fe的三相界面；隨著結(jié)晶器溫度不斷下降，γ相通過碳原子在相界面上擴(kuò)散長大，不斷消耗δ相和液相，直到全部變成γ相。

當(dāng)發(fā)生包晶反應(yīng)δ+L→γ轉(zhuǎn)變時，線收縮系數(shù)為9.8×10-5/℃，而未發(fā)生包晶反應(yīng)的δ相的線收縮系數(shù)為2×10-5/℃［3］。由于發(fā)生包晶反應(yīng)時線收縮量大，坯殼與結(jié)晶器壁容易形成氣隙，如果此時保護(hù)渣選擇不當(dāng)會導(dǎo)致凝固坯殼的收縮不均勻和厚度不均勻，極易在薄弱處形成裂紋。

上述論述只是針對二元平衡包晶相圖，而實際連鑄生產(chǎn)過程發(fā)生在多元、過冷的條件下。因此想要對實際生產(chǎn)做出有效的指導(dǎo)，就必須研究合金元素和冷卻條件對包晶反應(yīng)區(qū)域的影響。

2.2　合金元素的影響

借助熱力學(xué)軟件Fact Sage計算出不同成分下的鋼液相圖，從而得到不同成分下的包晶反應(yīng)區(qū)域，以此確定出成分對包晶反應(yīng)的影響。

2.2.1Si、Mn、Al對包晶反應(yīng)的影響

普碳鋼及合金鋼中通常含有Si、Mn、Al元素，對包晶點C含量的影響見圖1。其中，Si、Al為鐵素體形成元素，Mn為奧氏體形成元素。當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.8%時，隨著Si含量的增加，wP（［C］）逐漸減?。ㄒ妶D1a）；隨著Mn含量的增加，wP（［C］）呈非線性減小趨勢（見圖1b）；隨著Al元素的增加，wP（［C］）呈非線性增加趨勢（見圖1c）。Si、Mn使包晶反應(yīng)左移；Al使包晶反應(yīng)右移，Al對包晶反應(yīng)C含量影響較小。

2.2.2P、S和其他元素對包晶反應(yīng)的影響

P、S對包晶點C含量的影響如圖2所示。隨著S含量的增加、P含量的減少，包晶點向C含量增大的方向移動。從移動幅度上來看，P對包晶點C含量的影響較小（見圖2a），S對包晶點C含量的影響較大（見圖2b）。

應(yīng)用同樣的方法，可以得到合金元素Cr、Ni、Nb、V、Ti、Cu、Mo等對包晶點的影響見圖3。但在實際生產(chǎn)中，這些合金元素基本被控制在0.03%以下，可以忽略它們對包晶反應(yīng)的影響。

圖1　合金元素對包晶點C含量wP（［C］）的影響

圖2　P、S對包晶點C含量wP（［C］）的影響

2.2.3包晶反應(yīng)特征點回歸計算

為了確定出連鑄大圓坯成分與包晶點C含量的關(guān)系，并以此探討成分對包晶反應(yīng)的影響規(guī)律，試驗采用500組數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述方法計算成分對包晶點的影響，再通過多元非線性回歸，回歸得到連鑄圓管坯成分與包晶反應(yīng)特征點的關(guān)系：

基于上述Fact Sage熱力學(xué)計算，回歸得到的包晶特征點：包晶反應(yīng)開始點wS（［C］）、包晶反應(yīng)點wP（［C］）、包晶反應(yīng)結(jié)束點wF（［C］）的計算公式，可以用來預(yù)測鋼種范圍及表面裂紋敏感性。當(dāng)鋼中的實際含C量處于包晶反應(yīng)區(qū)域時，可認(rèn)為該鋼種裂紋敏感性強(qiáng)，在實際連鑄生產(chǎn)時應(yīng)選用合適的保護(hù)渣，降低冷卻強(qiáng)度，以保證鑄坯表面質(zhì)量。

2.3　冷卻條件的影響

在實際生產(chǎn)過程中，鋼液是在非平衡條件下凝固的，結(jié)晶器冷速高達(dá)10～100 K/s［4-5］。因此，冷速將對包晶反應(yīng)有一定的影響。以勻晶相圖（見圖4）為例［6］。隨著過冷度的增大，包晶點向左下方偏移，此時最大熱收縮量對應(yīng)的C含量也發(fā)生變化。

圖3　其他合金元素的影響

圖4　不同過冷度下的Fe-C相圖

由于冷卻速率的存在，使鋼的凝固過程在較短時間內(nèi)進(jìn)行，在枝晶生長過程中，溶質(zhì)成分在枝晶內(nèi)沒有足夠時間進(jìn)行傳輸與擴(kuò)散，從而造成Fe-C相圖的不平衡。一旦溶質(zhì)元素發(fā)生偏析，凝固前沿鋼的成分將發(fā)生改變，此時包晶反應(yīng)區(qū)域也將隨之改變，即冷速通過溶質(zhì)元素的偏析來影響包晶反應(yīng)。文獻(xiàn)［7-8］基于現(xiàn)場指出，一般正常拉速下，冷速使包晶反應(yīng)點向左移動0.03%，根據(jù)杠桿規(guī)則計算出液相和δ相將以0.818∶0.182這一比例完全轉(zhuǎn)化為γ相。Fe-C合金二元非平衡包晶反應(yīng)特征點見表1（冷速對包晶反應(yīng)結(jié)束點影響較小）。

表1　Fe-C二元合金包晶反應(yīng)特征點 %

同樣的方法，可以計算任意組分下，多元非平衡條件下的包晶反應(yīng)特征點。以0.35%Si-0.8%Mn-0.02%P-0.01%S-0.025%Al合金為例進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

表2　Si-Mn-P-S-Al合金包晶反應(yīng)特征點 %

根據(jù)公式（1）、（2）、（3）計算出平衡條件下的包晶反應(yīng)特征點，仍然選取使包晶反應(yīng)點向左移動0.03%的冷速，可以計算得到包晶反應(yīng)開始點成分。

使用上述方法能夠計算任意組分非平衡條件下的包晶反應(yīng)特征點，從而確定包晶反應(yīng)區(qū)間。

3　包晶反應(yīng)與鑄坯裂紋傾向性關(guān)系

在連鑄大圓坯生產(chǎn)過程中，鋼水的實際C含量對鑄坯質(zhì)量影響顯著，主要原因就是包晶反應(yīng)。包晶反應(yīng)過程中液相量的多少對于連鑄過程縱裂紋的產(chǎn)生有較大影響，主要表現(xiàn)為兩個方面：其一，這部分液相在一定程度上能夠填充凝固過程產(chǎn)生的收縮或者裂紋［9］，其二，從包晶反應(yīng)過程來看，包晶反應(yīng)結(jié)束時的殘余液相并沒有參與反應(yīng)，包晶反應(yīng)結(jié)束時殘余液相量有15%，即在包晶反應(yīng)過程中只有85%的液相和δ相按一定比例參與包晶反應(yīng)，而這15%的液相一直沒有參與反應(yīng)。亞包晶鋼凝固及后續(xù)高溫固態(tài)相變階段收縮越大，初生坯殼與結(jié)晶器壁間越易產(chǎn)生不均勻氣隙和傳熱，從而形成厚度較薄且不均勻的凝固初始坯殼，鑄坯表面產(chǎn)生縱裂的傾向增大。因此，亞包晶鋼的裂紋敏感性比過包晶鋼的裂紋敏感性要強(qiáng)得多。

在實際生產(chǎn)過程中要通過嚴(yán)格的包晶反應(yīng)成分計算進(jìn)行成分設(shè)計，合理調(diào)整C含量和合金成分，盡量使實際C含量避開非平衡態(tài)包晶反應(yīng)強(qiáng)烈區(qū)，使鑄坯在連鑄過程中有較好的裂紋抗性，同時要根據(jù)計算結(jié)果選擇恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶器保護(hù)渣。

4　實物裂紋統(tǒng)計與分析

實際生產(chǎn)過程的MSL-8A連鑄圓管坯的C含量和裂紋出現(xiàn)率統(tǒng)計結(jié)果如表3所示，其中Si 0.43%、Mn 0.86%、P 0.015%、S 0.01%、Al 0.02%、wS（［C］）0.03%、wP（［C］）0.098%、wF（［C］）0.406%不變。

表3　連鑄圓管坯C含量和裂紋出現(xiàn)率 %

由表3可知，由于冷卻強(qiáng)度的影響，實際的包晶反應(yīng)C含量為0.098%，已經(jīng)偏離了平衡條件下的0.128%。當(dāng)C含量在0.13%時，并沒有發(fā)現(xiàn)大批量裂紋，反倒是C含量在0.08%～0.11%時出現(xiàn)了批量表面縱裂紋和雞爪裂紋，如圖5所示。因此，實際生產(chǎn)過程中，低碳鋼MSL-8A連鑄圓管坯要避免C含量在0.08%～0.11%區(qū)間。

圖5　C 0.08%～0.11%的MSL-8A連鑄圓管坯表面裂紋

由此可見在實際生產(chǎn)過程中，設(shè)計成分應(yīng)使C含量避開包晶反應(yīng)強(qiáng)烈區(qū)即亞包晶反應(yīng)區(qū)和近包晶反應(yīng)區(qū)，同時選用合理的包晶鋼連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣，使C含量位于遠(yuǎn)離包晶反應(yīng)點的過包晶反應(yīng)區(qū)，能夠有效地避免此類缺陷的發(fā)生。

5　結(jié)語

1）化學(xué)成分對鋼的包晶反應(yīng)區(qū)有影響，Si、Mn、S使包晶點左移，P、Al使包晶點右移，但是在圓管坯成分范圍內(nèi)，P、Si、Al影響較小，Mn、S影響較大。2）連鑄冷卻使包晶反應(yīng)點向左移動，圓管坯冷卻條件下，冷速使包晶點移動0.03%，其他特征點可以計算。3）實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)該設(shè)計成分使C含量避開包晶反應(yīng)強(qiáng)烈區(qū)域，同時選用包晶鋼保護(hù)渣，能夠有效避免表面裂紋的發(fā)生。低碳鋼C含量避免0.08%～0.11%區(qū)間。