·1836 工程科学学报，第39卷，第12期 连铸生产中，铸坯切割后下线输送至加热炉阶段 的做法是采用温装.但由于温装需要将下线后的铸坯 的表层组织状态往往影响其在加热阶段或后续粗轧过 空冷至A虹，以下，无法满足某些钢企快节奏的生产需 程是否发生表面裂纹.众所周知，含Nb微合金钢及含 要.而从节能降耗上考虑，钢铁企业希望送装的温度 Al、B等低合金高强钢的角横裂问题是其连铸生产中 越高越好.那么，是否必须Ar以下温装才能细化晶 最突出的质量问题.而此类钢种在生产时经常遇 粒，铁素体转变量与原奥氏体晶粒细化的关系如何，国 到的问题是，铸坯上探测不到裂纹，往往在出加热炉或 内外治金工作者们仍没有达成共识 随后的粗轧中出现裂纹.其特征与连铸坯表面及角部 为了揭示微合金钢连铸冷却和热装制度与基体晶 横裂纹极其相似，产生机制也类同.裂纹可能在加热 粒尺寸的相关性，本研究基于热模拟实验分析了不同 过程中产生：由于受制于钢厂生产节奏，钢坯在热装时 温度热装时铸坯表层组织的演变行为，探究了两典型 表面温度常处于y+α双相区，在先共析膜状铁素体、 钢种双相区热装再加热时奥氏体晶粒细化的可能性及 晶界链状析出物以及相变应力和热应力的共同作用 其细化程度，以及铸坯下线至加热炉的温度制度对Y 下，再加热时导致裂纹的产生：也可能铸坯在连铸或加 →α→y转变特征和晶粒尺寸的影响，以期为进一步控 热过程中形成了微孔，后续热轧过程中经变形进一步 制和改善微合金钢板坯连铸热装和粗轧裂纹提供理论 发展成裂纹.归根结底，裂纹的产生是影响铸坯表层 指导 热塑性的膜状先共析铁素体、晶界链状析出物和 粗大奥氏体晶粒可等共同作用的结果 1实验材料与方法 有鉴于此，在方坯、圆坯和板坯连铸生产中，国外 以某厂热送裂纹最为敏感的J55和SS400钢为研 均有企业采用了表面淬火(surface quenching,SQ)热装 究对象，模拟分析两钢种不同送装温度下的晶粒尺寸 工艺，取得了良好的效果围.该工艺在铸坯出矫直 变化规律.考虑到高温共聚焦显微镜视场和放大倍数 后，通过强冷使铸坯快速通过双相区至A虹，温度以下， 的限制，相变原位观察中选取奥氏体晶粒较小的微合 消除膜状先共析铁素体，抑制晶界链状析出物的析出. 金钢J55,而无微合金化、奥氏体晶粒较大的SS400钢 随后，通过加热炉内升温再奥氏体化来细化奥氏体晶 采用马弗炉+超低倍光学显微镜的实验路线 粒，且相当于使原晶界析出物转移至奥氏体晶粒内部， 1.1热装与温装时晶粒形貌的原位观察 提高了铸坯的抗裂纹能力.但由于该技术不但需要对 选取某厂板坯生产的J55钢为实验钢种，其化学 现有设备做出改造（即增加一个强冷淬火箱），而且对 成分如表1所示.采用日本Lasertec公司生产的 工艺参数控制要求严格，操作窗口窄，多数企业并不能 VL2000 DX-SVF17SP超高温共聚焦激光扫描显微镜观 很好的掌握，在一定程度上限制了其在钢铁企业的 察J55钢y+a双相区热装以及Ar,以下温装两种工艺 推广 下铸态组织与奥氏体晶粒形貌的演变特征，具体实验 已有研究表明切，对于热装裂纹敏感性高的钢 热制度如图1所示.其中，为得到粗大的奥氏体晶粒 种，有效的做法是采取高温热装（即高于Ar温度热 将试样加热到1450℃保温10min,随后以10℃·s的 装)或出双相区温装（即低于Ar,温度，以下简称温 冷速模拟结晶器的冷却，冷至1100℃后以0.4℃·s1 装).高温热装时，铸坯为奥氏体组织，未发生奥氏体 的冷速模拟二冷区的连续冷却过程.根据实测连续冷 向铁素体的相变，铸坯热塑性较好，裂纹敏感性低.双 却曲线网，常规连铸二冷区内冷速下(0.2~0.5℃· 相区以下温装或冷装，铸坯表层经历了Y→α→y二次 s)J55钢的Ar3温度在750~800℃之间，Ar温度约 相变，晶粒得到了细化，析出物均匀弥散地于晶内析出 600~620℃.故将双相区热装工艺设定为试样冷至 而非呈链状沿晶界析出，即使连铸时产生了裂纹，在轧 700℃后以5℃·s加热至1200℃保温5min:铁素体 制时也不易扩展.实际生产中，铸坯热装温度受铸坯 区温装工艺设定为试样冷至600℃后以5℃·s1加热 质量和生产管理制度的影响随意性较大，且由于连铸 至1200℃保温5min.对比不同送装工艺下试样晶粒 拉速节奏匹配等问题，绝大多数钢厂无法实现铸坯高 尺寸的变化，分析送装温度对铸态组织演变和奥氏体 温热装.为达到避免角横裂的效果，生产中简便易行 晶粒细化的影响 表1实验用钢的化学成分（质量分数） Table 1 Compositions of experimental steels 号 钢种 C Si Mn P Nb Ti N 其他 SS400 0.15 0.017 0.38 0.0095 0.017 0.038 0.003 B:0.002 J55 0.25 0.160 1.28 0.0020 0.011 0.013 0.014 0.027 0.003 Cr:0.33工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 连铸生产中，铸坯切割后下线输送至加热炉阶段 的表层组织状态往往影响其在加热阶段或后续粗轧过 程是否发生表面裂纹． 众所周知，含 Nb 微合金钢及含 Al、B 等低合金高强钢的角横裂问题是其连铸生产中 最突出的质量问题［1--2］． 而此类钢种在生产时经常遇 到的问题是，铸坯上探测不到裂纹，往往在出加热炉或 随后的粗轧中出现裂纹． 其特征与连铸坯表面及角部 横裂纹极其相似，产生机制也类同． 裂纹可能在加热 过程中产生: 由于受制于钢厂生产节奏，钢坯在热装时 表面温度常处于 γ + α 双相区，在先共析膜状铁素体、 晶界链状析出物以及相变应力和热应力的共同作用 下，再加热时导致裂纹的产生; 也可能铸坯在连铸或加 热过程中形成了微孔，后续热轧过程中经变形进一步 发展成裂纹． 归根结底，裂纹的产生是影响铸坯表层 热塑性的膜状先共析铁素体、晶界链状析出物［3--4］和 粗大奥氏体晶粒［5--7］等共同作用的结果． 有鉴于此，在方坯、圆坯和板坯连铸生产中，国外 均有企业采用了表面淬火( surface quenching，SQ) 热装 工艺，取得了良好的效果［8--13］． 该工艺在铸坯出矫直 后，通过强冷使铸坯快速通过双相区至 Ar1温度以下， 消除膜状先共析铁素体，抑制晶界链状析出物的析出． 随后，通过加热炉内升温再奥氏体化来细化奥氏体晶 粒，且相当于使原晶界析出物转移至奥氏体晶粒内部， 提高了铸坯的抗裂纹能力． 但由于该技术不但需要对 现有设备做出改造( 即增加一个强冷淬火箱) ，而且对 工艺参数控制要求严格，操作窗口窄，多数企业并不能 很好的掌握，在一定程度上限制了其在钢铁企业的 推广． 已有研究表明［14--17］，对于热装裂纹敏感性高的钢 种，有效的做法是采取高温热装( 即高于 Ar3 温度热 装) 或出双 相 区 温 装( 即 低 于 Ar1 温度，以 下 简 称 温 装) ． 高温热装时，铸坯为奥氏体组织，未发生奥氏体 向铁素体的相变，铸坯热塑性较好，裂纹敏感性低． 双 相区以下温装或冷装，铸坯表层经历了 γ→α→γ 二次 相变，晶粒得到了细化，析出物均匀弥散地于晶内析出 而非呈链状沿晶界析出，即使连铸时产生了裂纹，在轧 制时也不易扩展． 实际生产中，铸坯热装温度受铸坯 质量和生产管理制度的影响随意性较大，且由于连铸 拉速节奏匹配等问题，绝大多数钢厂无法实现铸坯高 温热装． 为达到避免角横裂的效果，生产中简便易行 的做法是采用温装． 但由于温装需要将下线后的铸坯 空冷至 Ar1以下，无法满足某些钢企快节奏的生产需 要． 而从节能降耗上考虑，钢铁企业希望送装的温度 越高越好． 那么，是否必须 Ar1 以下温装才能细化晶 粒，铁素体转变量与原奥氏体晶粒细化的关系如何，国 内外冶金工作者们仍没有达成共识． 为了揭示微合金钢连铸冷却和热装制度与基体晶 粒尺寸的相关性，本研究基于热模拟实验分析了不同 温度热装时铸坯表层组织的演变行为，探究了两典型 钢种双相区热装再加热时奥氏体晶粒细化的可能性及 其细化程度，以及铸坯下线至加热炉的温度制度对 γ →α→γ 转变特征和晶粒尺寸的影响，以期为进一步控 制和改善微合金钢板坯连铸热装和粗轧裂纹提供理论 指导． 1 实验材料与方法 以某厂热送裂纹最为敏感的 J55 和 SS400 钢为研 究对象，模拟分析两钢种不同送装温度下的晶粒尺寸 变化规律． 考虑到高温共聚焦显微镜视场和放大倍数 的限制，相变原位观察中选取奥氏体晶粒较小的微合 金钢 J55，而无微合金化、奥氏体晶粒较大的 SS400 钢 采用马弗炉 + 超低倍光学显微镜的实验路线． 1. 1 热装与温装时晶粒形貌的原位观察 选取某厂板坯生产的 J55 钢为实验钢种，其化学 成分 如 表 1 所 示． 采 用 日 本 Lasertec 公 司 生 产 的 VL2000DX--SVF17SP 超高温共聚焦激光扫描显微镜观 察 J55 钢 γ + α 双相区热装以及 Ar1以下温装两种工艺 下铸态组织与奥氏体晶粒形貌的演变特征，具体实验 热制度如图 1 所示． 其中，为得到粗大的奥氏体晶粒 将试样加热到 1450 ℃保温 10 min，随后以 10 ℃·s － 1的 冷速模拟结晶器的冷却，冷至 1100 ℃ 后以 0. 4 ℃·s － 1 的冷速模拟二冷区的连续冷却过程． 根据实测连续冷 却曲线［18］，常规连铸二冷区内冷速下( 0. 2 ～ 0. 5 ℃· s － 1 ) J55 钢的 Ar3温度在 750 ～ 800 ℃ 之间，Ar1温度约 600 ～ 620 ℃ ． 故将双相区热装工艺设定为试样冷至 700 ℃后以 5 ℃·s － 1加热至 1200 ℃ 保温 5 min; 铁素体 区温装工艺设定为试样冷至 600 ℃ 后以 5 ℃·s － 1加热 至 1200 ℃保温 5 min． 对比不同送装工艺下试样晶粒 尺寸的变化，分析送装温度对铸态组织演变和奥氏体 晶粒细化的影响． 表 1 实验用钢的化学成分 ( 质量分数) Table 1 Compositions of experimental steels % 钢种 C Si Mn S P Nb Ti Al N 其他 SS400 0. 15 0. 017 0. 38 0. 0095 0. 017 ― ― 0. 038 0. 003 B: 0. 002 J55 0. 25 0. 160 1. 28 0. 0020 0. 011 0. 013 0. 014 0. 027 0. 003 Cr: 0. 33 · 6381 ·