[doc] 连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验

[doc] 连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验 连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检 验 2003年l0月 . 26?第19卷第5期 炼钢 Steelmaking Oct.2003 VO1.19No.5 连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验 许庆太张楠傅强 (鞍山钢铁集团公司) 摘要叙述了冷酸蚀法较硫印和热酸蚀低倍检验方法的优越性,冷酸蚀法不但能够显示连铸坯 的内部缺陷,而且也能够提供连铸坯凝固组织的信息.它可对连铸坯的内部缺陷原样(尺寸)地显示. 同时,提出了按冷酸蚀法对现行进行修改的. 关键词冷酸蚀法凝固组织缺陷 MacroscopicExaminationonSolidificationStructureandDefectof ContinuouslyCastSteelbyColdAcidEtching XuQingtaiZhangNanFuQiang (AnshanIron&SteelGroupCorp.) AbstractAdvantagesthecoldacidetchingprocesspossessesincomparisonwiththe conventionalhotacidetchingandsulphurprintaredescribed.Practicaloperationresultsindi— carethatthisprocesscannotonlydisplaytheinnerdefectsinoriginalsizeinthecontinuously caststeel,butalsoprovideinformationaboutthesolidificationstructureofthestee1.Atthe sRixletimetheproposalsnecessaryforupdatingthecurrentstandardsareputforwardinthe presentpaper. Keywordscoldacidetchingsolidificationstructuredefect 1前言 对连铸坯来说,尽管其凝固组织与传统模铸 相比无本质差别,也是由激冷层,柱状晶和中心 等轴晶组成,但是,连铸坯是在边运行,边冷却, 边凝固条件下生产出来的,而且冷却强度大,凝 固速度快,具有激冷层薄,柱状晶发达,中心等 轴晶较少的凝固组织特点.因为凝固组织和缺陷 与凝固条件有直接关系,所以通过改变凝固条件 可以获得理想的凝固组织和减少缺陷.而连铸坯 的凝固组织又与缺陷有一定关系.因此,通过观 察连铸坯的凝固组织和缺陷,来改善凝固条件, 提高连铸坯质量,是连铸工作者的迫切需要. 为此,鞍钢集团实业发展总公司一炼钢铸坯 检测室在引进东北大学技术的基础上,经过两年 多的探索和研制,采用冷酸蚀方法对连铸坯凝固 组织和缺陷进行检验,使之适应于工业化大生产 的质量监控工作,业已收到良好的效果.截止到 2002年3月末,两年时间为鞍钢第一炼钢厂检验 2801Tlrfl×2801Tlrfl方坯和2801Tlrfl×3801Tlrfl矩 形坯共1635块,(230,3001TI1TI)×(1650, 2ooo)ITI1TI板坯(全截面)共545块.包括低,中, 高碳钢和合金钢等钢种.目前方坯和矩形坯1.5 h可以发出检验,板坯3h可以发出检验报 告.两年来为鞍钢第一炼钢厂连铸工艺参数调整 和铸机检修提供了可靠依据,使一炼钢连铸机在 最佳状态下运行,铸坯质量有很大提高. 2冷酸蚀法宏观检验的优越性 应用硫印和热酸蚀低倍检验方法已有很多年 历史,人们经常用这两种方法进行模铸钢锭,钢 坯和钢材的宏观检验工作.连续铸钢投产以来, 这两种方法也经常在连铸坯的检验工作中使用, 但主要是提供连铸坯的缺陷信息,例如,偏析, 裂纹,气泡等缺陷.热酸蚀低倍检验对少数钢种 的连铸坯有时也能够区分等轴晶和柱状晶的凝固 联系人:许庆太,教授级高工,辽宁省鞍山市(114021)鞍钢实业发展总 公司一炼钢铸坯检测室 第3期许庆太等:连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验?27? 组织,但对二次晶,三次品的细节看不太清楚. 硫印检验区分凝固组织状态就更无能为力了,有 时只能看到柱状晶的雏形.这两种方法不能清楚 地显示连铸坯的凝固组织状态,而连铸坯的缺陷 往往与凝固组织有关,因此,用这两种方法来分 析连铸坯缺陷与凝固组织及凝固条件的关系是比 较困难的.冷酸蚀法宏观检验不但能够显示前两 种方法提供的铸坯缺陷信息,而且还能够清晰地 显示出连铸坯的凝固组织.一般来说,测定连铸 坯的凝固条件是比较困难的,但是通过观察连铸 坯的凝固组织,可以计算等轴晶/柱状晶的比例 系数,测量树枝晶二次晶间距及树枝晶偏斜角度 等数据,进而推测其凝固条件,可以得到有价值 的技术信息.例如,等轴晶/柱状晶比例系数小, 明钢水过热度高和二冷强度大;文献[1]指出, 对同一种钢种,尽管冶炼方式和大小不同, 只要测量出二次品问距就可知道其冷却速度;文 献[1]还报道,根据测定树枝晶的偏斜角度来推 测液相穴钢水流动状况,进而研制出合适的水口 形状,调整钢水在液相穴内的流动,达到减少夹 杂物,减轻偏析和改善铸坯质量的目的.检验实 践证明,本方法判断电磁搅拌,轻压下和压缩浇 铸技术的冶金效果极其有效,还能够观察电磁搅 拌白亮带出现的位置,中心偏析改善的程度,以 及树枝晶破碎情况等等. 当然,本方法的腐蚀机理与热酸蚀低倍相 似,都是选择性腐蚀.钢的缺陷越严重,偏析越 厉害,腐蚀效果越好,凝固组织图像越清晰.而 对极低碳(如,硼(C)=0.05%),(S),”60(P) 含量又很少,几乎没有什么偏析的钢来说,其腐 蚀效果不太理想,凝固组织图像也不太清晰. 冷酸蚀宏观检验对钢的铸态组织(如钢锭, 连铸坯,铸钢件等)及钢坯或钢材试样都可以进 行检验,观察钢的铸态凝固组织和缺陷以及经热 加工后钢材的凝固组织和缺陷的变化情况,并且 还可以观察凝固组织与缺陷的关系. 冷酸蚀宏观检验的试样尺寸不限,可大可 小,最小可以检验金相试样,最大可以检验断面 为300rnlTl×2000l’nlTl的连铸板坯. 综上所述,冷酸蚀宏观检验与硫印和热酸蚀 低倍检验相比不仅能够显示铸坯的凝固组织,而 且对铸坯的缺陷1:1显示,具有准确,易操作, 及对环境污染小等特点. 3连铸坯凝固组织和缺陷图例 3.1连铸坯的凝固组织 3.1.1结晶器出口处坯壳的凝固组织 结晶器出口处坯壳的厚度一般在8,20rnlTl 左右.大方坯和大板坯结晶器出口处坯壳要厚一 些,断面小的铸坯可以薄一些,以确保出结晶器 不产生拉漏为前提.根据我们对连铸漏钢后残留 坯壳检测的结果可以认定,一般情况下,280rnlTl x280rnlTl和280rnlTl×380rnlYl铸坯结晶器出口 处坯壳的厚度为20rnlYl左右. 据文献[23报道,连铸坯表面层2,5rnlTl厚 度范围为激冷层,是在结晶器弯月面处形成的. 结晶器出口处坯壳的凝固组织是由细小等轴晶 (激冷层)和较细的柱状晶组成,如图1所示. 图1结晶器出口处坯壳的凝固组织 (横向断面x2.5) 钢种16Mn规格150mmx1200mm下缘是铸坯表面 3.1.2柱状晶 文献[3]介绍,靠近激冷层的柱状晶很细, 基本上不长侧枝,沿断面没有明显的倾角,这是 由于靠近激冷层温度梯度较大的缘故.随后,柱 状晶开始改变方向,向上倾斜10.左右.从铸坯 外缘向中心,柱状晶的数量由多变少,由只有二 次枝晶发展到具有多次枝晶,即柱状晶由细变 粗,断面由简单变复杂. 对于弧形连铸机生产的铸坯来说,内弧侧的 柱状晶带往往要比外弧侧发达,文献[4]认为, 一 方面是因为在重力作用下,一部分晶核沉积到 外弧侧,使外弧侧等轴晶增加;另一方面,结晶 器中从浸入式水口流人的钢水,在内外弧侧形成 的钢水流股的不对称性,也会阻止柱状晶生长. 因此,内弧侧柱状晶长,外弧侧柱状晶短. 正常柱状晶凝固组织如图2所示,内弧侧柱 ? 28?炼钢第19卷 状晶长如图3所示,柱状晶搭头如图4所示,柱 状晶倾斜如图5所示. 图2正常柱状晶凝固组织 (横向断面×2.5) 钢种16Mn规格150ram×1200mm 图3内弧侧柱状晶长 (横向断面×1.8) 钢种低碳钢w(C)=0.06%规格210mm~150mm 图4柱状晶搭头 (横向断面×1.5) 钢种SPHC规格230mm×1650mm 如图3所示,可用柱状晶长短来判断铸坯的 内外弧侧,柱状晶长的为内弧侧,柱状晶短的为 外弧侧. 如图5所示,1号试样柱状晶偏斜角度大约 为30.,2号试样为15.,而3号试样柱状晶未发 50mm385mm825mm a.取样位置图(纵向断面) 1号 b.柱状晶倾斜图像(×1.4) 图5连铸板坯柱状晶倾斜 钢种DH36一C规格300mm×1650mm f 拉 萎 向 生偏斜,表明液相穴内钢液流速从边缘向中心逐 渐减慢.观察柱状晶偏斜,研究液相穴内钢液流 速大小和变化情况,可以为促进夹杂物上浮和控 制坯壳厚度的均匀性提供可靠的依据. 3.1.3交叉柱状晶 对于弧形连铸机生产的铸坯来说,在一般情 况下,交叉柱状晶分布在柱状晶和中心等轴晶之 间.检验分析认为,由于凝固壳逐渐加厚,在凝 固前沿单向传热减弱,产生交叉方向传热,此时 两相区过热度还没有完全消失,还存在温度梯 度,所以先形成交叉柱状晶,然后才形成中心等 轴晶.对外弧侧来说,还有折断的树枝晶下沉, 增加交叉柱状晶带的厚度,因此,外弧侧的交叉 柱状晶带厚度大于内弧侧. 由于交叉柱状晶晶轴彼此相嵌,改变了柱状 第3期许庆太等:连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验?29? 晶晶轴彼此平行的状态,有减少铸坯各向异性效细节,何况b图本身 也不大清楚. 应的作用.交叉柱状晶如图6所示. 图6交叉柱状晶(横向断面X1) 钢种U71Mn规格280mm×380mm 3.1.4中心等轴晶 对弧形连铸机来说,自由晶和熔断的树枝晶在 重力作用下向外弧侧沉降,因此,外弧侧的中心等 轴晶带比内弧侧宽.中心等轴晶如图7所示. 图7中心等轴晶(横向断面X1) 钢种Q235B规格280mmX380mm 3.2连铸坯的内部缺陷 连铸坯的内部缺陷有很多种,如中心偏析, 中心疏松,中心裂纹,中间裂纹,角部裂纹,三 角区裂纹,皮下气泡,针孔,三氧化二铝夹杂, 缩孔等.下面举例说明. 3.2.1中间裂纹 连铸坯中间裂纹3种腐蚀检验效果对比如图 8所示. 由图8中a,b,C三张图片可见,a图不但能 够清晰地显示中间裂纹缺陷,而且不扩大,也不 缩小,然而b和C图都使缺陷有所拓宽.同时,从 a图中还可以看到,中间裂纹发生在柱状晶区, 沿柱状晶间分布,而从b和C图中观察不到这些 a.冷酸蚀法(横向断面X1.5) 钢种45规格230mmX1650mm b.热酸蚀法(横向断面X1) YB/’T4003.1997附录A标准图片 缺陷级~Jl|2.5 C.硫印法(横向断面×1) YB/I’4003—1997附录B标准图片 缺陷级~J[12.5 图8中间裂纹的3种腐蚀检验效果对比 3.2.2中心裂纹和三角区裂纹 连铸坯中心裂纹和三角区裂纹如图9,10所 示. ? 30?炼钢第19卷 图9中心裂纹(横向断面×1.5) 钢种45规格230mm×1650mm 图10三角区裂纹(横向断面×1.5) 钢种GR424规格230mm×1650mm 3.2.3连铸坯的中心偏析 连铸坯中心偏析3种腐蚀检验效果对比如图 11所示. 如图11所示,A和B类中心偏析内外弧侧 柱状晶都很发达,直达中心偏析区.而c图的C 类中心偏析区为等轴晶组织.可见,凝固组织与 缺陷密切相关,但从d和e图上观察不到凝固组 织状态. 3.2.4电磁搅拌(白亮带) 冷酸蚀宏观检验对观察电磁搅拌效果是1种 很有效的方法,如图12所示. a.冷酸蚀法(A类)(横向断面×1) 钢种KQ235B规格300mm×1650mm b.冷酸蚀法(B类)(横向断面×2.5) 钢种16Mn规格150mm×1200mm C.冷酸蚀法(C类)(横向断面×1.3) 钢种J4B规格300mm×2000mm d.热酸蚀法(C类)(横向断面×1) YB/T4003—1997附录A标准图片缺陷级~JJl1.5 e.硫印法(C类)(横向断面x1) YB/T4003—1997附录B标准图片缺陷级~JJl1.5 图11中心偏析的3种腐蚀检验效果对比 第3期许庆太等:连铸坯凝固组织和缺陷的冷酸蚀法宏观检验?31? 图12白亮带(横向断面×1.5) 钢种16MnR一1规格230ram×1650mm 如图12所示,内弧侧柱状晶并没有被打碎, 右图中心偏析仍然很严重,左图中心偏析有较大 的改善. 4建议修改连铸钢方,板坯内部缺陷宏观 评级标准的部分内容 对《连铸钢方坯凝固组织和缺陷评级图》中的 “针状气泡”,”中心等轴晶面积分数(%)”,”柱状 晶面积分数(%)”,”等轴晶/柱状晶比例系数”等 项原标准中不评级项,在修改的标准中建议为可 以评级;对《连铸钢板坯凝固组织和缺陷评级图》 中的”中心裂纹”,”缩孔”,”针孔状气泡”,”中心等 轴晶面积分数(%)”,”柱状晶面积分数(%)”,”等 轴晶/柱状晶比例系数”等项原标准中不评级项在 修改的标准中建议为可以评级. 在YB4003—91《连铸钢板坯缺陷硫印评级 图》标准规定,”硼(s)<0.005%的钢不适用于 本标准”.目前生产的08A1钢,IF钢及管线钢, 碳,硫,磷很低,无法使用此标准.标准中还规 定”中心裂纹可按中心偏析中A类评级图评级”, 表明硫印检验法不能区分中心偏析和中心裂纹. 此标准没规定中心疏松和缩孔缺陷评级.表明这 两种缺陷不能与中心偏析加以区分.修改后可以 区分中心偏析,缩孑L和中心疏松. 在YB/I’4003—1997((连铸钢板坯低倍组织 缺陷评级图》标准分两部分内容.附录A((连铸钢 板坯缺陷酸蚀低倍评级图》标准中无缩孔和中心 裂纹缺陷评级,表明热酸蚀低倍检验法不能把这 两种缺陷与中心偏析加以区分.而附录B《连铸 钢板坯缺陷硫印评级图》标准中无缩孔,中心疏 松和中心裂纹缺陷评级,而有中心偏析,表明缩 孔,中心偏析,中心疏松和中心裂纹往往伴随发 生,硫印检验法难加以区分.而冷酸蚀检验法对 这3种缺陷能很好区分,并保持缺陷原来面貌特 征,不扩大和缩小缺陷. 按建议修改的标准不但对方坯和板坯分别增 加6,4项检验项目,而且各种缺陷的标准图片也 较热酸蚀低倍标准图片清楚,给检验者评级操作 带来较大方便.具有很强的可操作性. 5结语 连铸坯冷酸蚀宏观检验法应在冶金行业推广 应用,大家要共同努力,发展和完善它,制订相 应的连铸坯检验新标准,必将产生巨大的社会经 济效益.同时,为我国连铸钢产品质量达到世界 先进水平做出应有贡献. 参考文献 1史宸兴编译.连铸钢坯质量.北京:冶金工业出版社,1980:26 , 51 2蔡开科.连续铸钢原理与工艺.北京:冶金工业出版社,1994: 263 3郭延钢编着.连续铸钢.北京:冶金工业出版社.1995:11,12 4陈雷主编.连续铸钢.北京:冶金工业出版社,1994:111, l12 (收稿日期:2002—06—28)