358 工程科学学报，第44卷.第3期 the strand leaves the mold to meet the requirements of a reasonable cooling rate and temperature range for controlling the precipitation of particles.Industrial trials confirm the feasibility of the technical solution.In addition,the study shows that reducing the spray distance can improve the transverse non-uniformity of secondary cooling water.In this study,the influence of the secondary cooling water amount and spray distance on the crack sensitivity of non-quenched and tempered steel was comprehensively considered,and the secondary cooling process was optimized by studying the "longitudinal-transverse"solidification cooling.The proposed optimization scheme contributes to the improvement of surface and subsurface cracks of continuous casting bloom. KEY WORDS continuous casting;non-quenched and tempered steel;solidification characteristics;carbonitride precipitate:cooling rate;secondary cooling optimization 非调质钢是在普通碳锰钢基础上加入V、Ti、 日本住友Kato等l提出了“铸坯表层组织控冷”， Nb等微合金元素，并通过控轧、控冷等技术，使其 即SSC(Surface structure control)连铸冷却工.艺，即 不经调质处理，力学性能仍能达到调质钢要求的 当铸坯出结晶器后，通过实施强冷使铸坯快速冷 一种钢种-刘非调质钢又属于微合金钢，目前广 却至777℃以下，然后利用铸坯凝固潜热使铸坯 泛应用于汽车零部件的生产领域.钢中微合金元 回温.SSC工艺主要通过以下两点来提高铸坯热 素可起到细晶强化和析出强化的作用，有助于提 塑性：一是消除奥氏体晶界的铁素体膜，二是控制 高钢的强韧性、耐腐蚀性以及焊接性.然而，连铸 钢中第二相粒子的弥散析出.生产实践表明，实 工艺一直以来是制约微合金钢生产的重要环节 施SSC技术后，板坯表面横裂纹基本消失.此后， 因钢中碳氨化物在奥氏体晶界析出，增强了钢的 国内宝钢、攀钢6、唐钢不锈钢)等企业先后开 裂纹敏感性，加之二冷水的不均匀冷却，在热应力 展了SSC技术的工业应用，并取得了较好的应用 作用下极易引发连铸坯的表面及皮下裂纹.微合 效果 金钢的表面裂纹成为限制其高质、高效化生产的 然而，现阶段针对二冷强冷技术的适宜冷却 共性技术难题- 速率，以及强冷的作用温度区间尚不明确，且低温 微合金钢的表面裂纹与钢的第三脆性温度区 对铸坯热塑性的影响不可忽视.因此，本文通过探 密切相关.研究表明，微合金钢第三脆性温度区的 究冷速对碳氨化物析出行为的影响规律，明确了 脆化是钢中第二相粒子析出与铁素体相变共同作 控制第二相粒子析出的合理冷速与温度区间，提 用的结果可碳氨化物在奥氏体晶界析出，阻止了 出了基于非调质钢凝固特性的二冷配水方案，以 晶界迁移，抑制了晶粒的动态再结品，在外力作用 精准控制钢中第二相粒子的析出行为，进而强化 下产生沿晶断裂；而先共析铁素体相变过程，会在 连铸坯表层凝固组织.此外，连铸坯的横向冷却不 奥氏体晶界形成铁素体网膜并成为应力集中源， 均匀性也容易引起铸坯表面裂纹，同样不可忽视叨 进而引发钢的脆断.因此，控制第二相粒子析出和 因此，本研究还对喷嘴的喷淋高度进行优化，从改 凝固相变对于改善微合金钢裂纹敏感性具有重要 善连铸坯横向冷却不均匀性方面抑制铸坯表面裂 意义 纹萌生或扩展 碳氮化物一般集中在800~1000℃析出⑧-， 1连铸坯凝固特性和喷淋水量分布测试实验 而连铸坯出结晶器后的温度一般高于1000℃.因 此，碳氨化物的析出行为主要受连铸二次冷却的 1.1高温共聚焦显微镜原位观察与高温拉伸实验 影响.研究表明，冷速是控制钢中碳氨化物的析出 高温共聚焦显微镜原位观察、高温拉伸实验 的关键0-川Luo等21研究了冷速对高速钢组织 所用材料均取自SG02钢连铸坯.SG02钢的化学 和碳氨化物析出的影响，获得了合理的热处理冷 成分见表1 速以改善钢的组织及力学性能：Dou等)研究了冷 表1SG02钢主要化学成分（质量分数） 速对V(C,N)析出以及先共析铁素体相变的影响， Table 1 Main chemical composition of the SG02 steel % 提出了针对钒微合金钢大方坯的“二冷三段弱 C Mn V Nb Ti 冷+二冷四段强冷”的二冷调控策略：Ma等1研究 Si 0.430.451410.010.01250.01150.070.0170.015 了冷速对钢中碳氨化物析出行为的影响，指出高 冷速有助于碳氨化物在钢基体中的弥散分布.基 运用高温共聚焦显微镜原位观察碳氮化物析 于控制碳氨化物析出以及凝固相变的理论共识， 出和先共析铁素体相变.实验前，用砂纸打磨试样the strand leaves the mold to meet the requirements of a reasonable cooling rate and temperature range for controlling the precipitation of particles. Industrial trials confirm the feasibility of the technical solution. In addition, the study shows that reducing the spray distance can  improve  the  transverse  non-uniformity  of  secondary  cooling  water.  In  this  study,  the  influence  of  the  secondary  cooling  water amount  and  spray  distance  on  the  crack  sensitivity  of  non-quenched  and  tempered  steel  was  comprehensively  considered,  and  the secondary cooling process was optimized by studying the “longitudinal‒transverse” solidification cooling. The proposed optimization scheme contributes to the improvement of surface and subsurface cracks of continuous casting bloom. KEY  WORDS    continuous  casting； non-quenched  and  tempered  steel； solidification  characteristics； carbonitride  precipitate； cooling rate；secondary cooling optimization 非调质钢是在普通碳锰钢基础上加入 V、Ti、 Nb 等微合金元素，并通过控轧、控冷等技术，使其 不经调质处理，力学性能仍能达到调质钢要求的 一种钢种[1−2] . 非调质钢又属于微合金钢，目前广 泛应用于汽车零部件的生产领域. 钢中微合金元 素可起到细晶强化和析出强化的作用，有助于提 高钢的强韧性、耐腐蚀性以及焊接性. 然而，连铸 工艺一直以来是制约微合金钢生产的重要环节. 因钢中碳氮化物在奥氏体晶界析出，增强了钢的 裂纹敏感性，加之二冷水的不均匀冷却，在热应力 作用下极易引发连铸坯的表面及皮下裂纹. 微合 金钢的表面裂纹成为限制其高质、高效化生产的 共性技术难题[3−6] . 微合金钢的表面裂纹与钢的第三脆性温度区 密切相关. 研究表明，微合金钢第三脆性温度区的 脆化是钢中第二相粒子析出与铁素体相变共同作 用的结果[7] . 碳氮化物在奥氏体晶界析出，阻止了 晶界迁移，抑制了晶粒的动态再结晶，在外力作用 下产生沿晶断裂；而先共析铁素体相变过程，会在 奥氏体晶界形成铁素体网膜并成为应力集中源， 进而引发钢的脆断. 因此，控制第二相粒子析出和 凝固相变对于改善微合金钢裂纹敏感性具有重要 意义. 碳氮化物一般集中在 800～1000 ℃ 析出[8−9] ， 而连铸坯出结晶器后的温度一般高于 1000 ℃. 因 此，碳氮化物的析出行为主要受连铸二次冷却的 影响. 研究表明，冷速是控制钢中碳氮化物的析出 的关键[10−11] . Luo 等[12] 研究了冷速对高速钢组织 和碳氮化物析出的影响，获得了合理的热处理冷 速以改善钢的组织及力学性能；Dou 等[7] 研究了冷 速对 V(C,N) 析出以及先共析铁素体相变的影响， 提出了针对钒微合金钢大方坯的“二冷三段弱 冷+二冷四段强冷”的二冷调控策略；Ma 等[13] 研究 了冷速对钢中碳氮化物析出行为的影响，指出高 冷速有助于碳氮化物在钢基体中的弥散分布. 基 于控制碳氮化物析出以及凝固相变的理论共识， 日本住友 Kato 等[14] 提出了“铸坯表层组织控冷”， 即 SSC (Surface structure control) 连铸冷却工艺，即 当铸坯出结晶器后，通过实施强冷使铸坯快速冷 却至 777 ℃ 以下，然后利用铸坯凝固潜热使铸坯 回温. SSC 工艺主要通过以下两点来提高铸坯热 塑性：一是消除奥氏体晶界的铁素体膜，二是控制 钢中第二相粒子的弥散析出. 生产实践表明，实 施 SSC 技术后，板坯表面横裂纹基本消失. 此后， 国内宝钢[15]、攀钢[16]、唐钢不锈钢[3] 等企业先后开 展了 SSC 技术的工业应用，并取得了较好的应用 效果. 然而，现阶段针对二冷强冷技术的适宜冷却 速率，以及强冷的作用温度区间尚不明确，且低温 对铸坯热塑性的影响不可忽视. 因此，本文通过探 究冷速对碳氮化物析出行为的影响规律，明确了 控制第二相粒子析出的合理冷速与温度区间，提 出了基于非调质钢凝固特性的二冷配水方案，以 精准控制钢中第二相粒子的析出行为，进而强化 连铸坯表层凝固组织. 此外，连铸坯的横向冷却不 均匀性也容易引起铸坯表面裂纹，同样不可忽视[17] . 因此，本研究还对喷嘴的喷淋高度进行优化，从改 善连铸坯横向冷却不均匀性方面抑制铸坯表面裂 纹萌生或扩展. 1    连铸坯凝固特性和喷淋水量分布测试实验 1.1    高温共聚焦显微镜原位观察与高温拉伸实验 高温共聚焦显微镜原位观察、高温拉伸实验 所用材料均取自 SG02 钢连铸坯. SG02 钢的化学 成分见表 1. 表 1  SG02 钢主要化学成分 (质量分数) Table 1   Main chemical composition of the SG02 steel % C Si Mn P S N V Nb Ti 0.43 0.45 1.41 0.01 0.0125 0.0115 0.07 0.017 0.015 运用高温共聚焦显微镜原位观察碳氮化物析 出和先共析铁素体相变. 实验前，用砂纸打磨试样 · 358 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期