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30Cr13中厚板中心偏析原因分析及改进

2024-01-10胡自明

山东冶金 2023年6期
关键词:轻压中厚板缩孔

蒋 鹏,胡自明,李 翠,曹 鹏,张 林

(山东泰山钢铁集团有限公司,山东 济南 271100)

1 前言

马氏体不锈钢是可通过热处理工序对其性能进行调整,在室温下保持马氏体组织的可硬化的含铬不锈钢。30Cr13是一种典型的马氏体不锈钢,具有良好的机械加工性能,良好的淬硬性、耐腐蚀性能、高抛光强度和耐磨性[1],可用于高强度零件,以及承受高应力负荷和某些腐蚀性介质的磨损零件。某单位使用200 mm厚度的30Cr13板坯轧制模具用中厚板原料,轧制后中厚板中心厚度层位置出现中心偏析缺陷,严重影响后续深加工产品的质量,为查明缺陷原因并消除缺陷,取样进行分析并提出改进措施。

2 缺陷原因分析

2.1 宏观检测结果

30Cr13 板坯经3 道次粗轧轧制120 mm 厚度的中厚板,使用铣床对中厚板表面进行铣削,发现中厚板的横截面厚度中心位置出现疑似偏析纹路,呈细条状沿中厚板的截面方向沿展。取样样品形貌见图1。

图1 样品宏观检测结果

2.2 化学成分检测结果

对取样样品进行化学成分检测,结果见表1,各元素成分含量均满足GB/T 4237《不锈钢热轧钢板和钢带》标准要求。

表1 化学成分检测结果(质量分数) %

2.3 低倍检测

为查明宏观表现出的纹路是否为中心偏析缺陷,将取回样品使用磨床将表面修磨至Ra为1.6 μm,使用电解法进行盐酸电解侵蚀,电流380 A、电压20 V、时间20 min,检测后将样品清洗、吹干后参照YB/T 4003 对组织缺陷进行评级,低倍检测结果见图2。中心偏析B 2.5级、中心疏松1.5级,中心偏析缺陷严重。

图2 低倍检测结果

2.4 金相检测

在低倍检测后的样品沿厚度方向截3组试样,依次标记取1#~3#。其中2#样品取自厚度方向中心位置。磨制、抛光后进行金相检测,金相检测结果见图3。2#样品检测面发现大量缩孔缺陷,缩孔尺寸最大达1 mm,缩孔附近存在析出物聚集现象,析出物颜色为淡黄色,根据形貌和颜色判断为Ti析出物。1#样品和3#样品检测面未发现缩孔缺陷。3组样品均未发现大颗粒夹杂物存在。使用三氯化铁溶液对三组样品分别腐蚀后,进行显微组织观察,1#样品和3#样品为常规的马氏体组织,2#试样组织为马氏体+残余奥氏体+簇状的碳化物析出。

图3 金相检测结果

2.5 小结

化学成分检测知,取回样品各元素成分含量满足GB/T 4237标准要求;经低倍组织检测,取回样品中心偏析B 2.5 级、中心疏松1.5 级,低倍组织存在较大的缺陷;经金相检测,1#和3#样品的组织均为马氏体,2#样品在厚度方向中心位置存在马氏体+残余奥氏体组织+簇状的碳化物析出,与1#和3#样品组织存在较大的差异。

综上,通过低倍检测和金相检测,取回样品的中心位置存在严重的偏析现象,厚度方向中心位置组织存在簇状的碳化物析出,而中心偏析现象的产生与连铸工艺设计与控制息息相关[2],因此应从连铸工艺设计与控制方面对中心偏析产生原因进行追溯,并采取相应的工艺优化改善措施。

3 原因追溯与工艺改进

3.1 中心偏析原因追溯

(1)30Cr13板坯主要用途为轧制中厚板的模具,中厚板厚度规格多为40~120 mm,压缩比较低,导致中心偏析、缩孔现象在热轧过程不能轧合,受制于工况条件现状,难以在此方面开展改善工作。

(2)30Cr13板坯连铸生产中二冷水采用强冷工艺,比水量大,导致板坯表面与心部冷却不均匀;未投用电磁搅拌,造成碳化物聚集偏析和缩孔现象遗传至中厚板上;连铸轻压下的压下量偏低,不能阻碍偏析元素的流动。连铸工艺参数:拉速0.85 m/min;轻压下量2.0 mm;二冷配水总流量2 406 L/min。

3.2 工艺改善措施与验证

通过对取回样品中心偏析原因的追溯,连铸工艺设计和控制方面存在多个问题,须从连铸工艺优化入手,采取如下措施进行改善。

(1)二冷水控制。二冷水强度用比水量来反映,比水量大,说明冷却强度大。比水量小,钢水凝固过程的温度梯度也小,在凝固前沿就会析出更多的晶核,从而在铸坯中达到组织、成分的均匀稳定[3]。出现中心偏析的中厚板二次水冷却制度采用强冷工艺,导致板坯表面与心部冷却不均匀,为此,再次生产时采用弱冷工艺,即采用低的比水量,比水量0.6 L/kg,使板坯表面与中心均匀冷却。

(2)电磁搅拌控制。电磁搅拌在连铸工序中的工作原理为:强烈的电磁搅拌使得钢水中的温度梯度相对减少,搅拌力破碎已经凝固的树枝晶,形成游离的晶核并增殖,使低倍组织中等轴晶率提高,化学成分均匀,避免偏析现象的发生。搅拌电流越大,磁感应强度的增加越明显,钢液所受的电磁力也就越大。较大的电磁力有利于钢液的搅拌和换热及温度场的均匀化,电磁搅拌力越大,熔体的搅拌越剧烈,剧烈搅拌可促进熔体的换热,搅拌越剧烈,熔体的热交换也越剧烈,温度场也越均匀[3]。电磁搅拌生产初期并未投用,再次生产时投用电磁搅拌,电流300 A,频率5 Hz,降低碳聚集偏析,避免造成砂眼或缩孔。

(3)轻压下控制。铸坯轻压下技术是指通过在连铸坯凝固末期附近施加压力(热应力和机械应力)以产生一定的压下阻碍含富集偏析元素的钢液流动,从而消除中心偏析,同时补偿连铸坯的凝固收缩量以消除中心疏松。出现中心偏析的中厚板连铸机轻压下设定值为2 mm,压下量偏低,不能完全阻碍偏析元素的流动,为此再次生产时将连铸机轻压下设定压下值5 mm,实际压下值≥3 mm,减轻中心偏析,同时控制钢水浇注过热度20~30 ℃,防止高低温浇注,造成轻压下位置和压下力的变化。改进后的连铸工艺参数见表2。

表2 连铸工艺参数

对连铸工艺改进后的30Cr13板坯取样,进行低倍组织检测,参照YB/T 4003对组织缺陷进行评级,中心偏析C 0.5 级、中心疏松0.5 级,中心偏析现象得到明显改善。低倍检测见图4。

图4 低倍检测图片

4 结语

在组织生产30Cr13 板坯时,针对中厚板用途时,及时调整连铸工艺,采用二冷水弱冷工艺,板坯均匀冷却;投用电磁搅拌,降低碳聚集偏析;调整轻压下值,阻碍偏析元素流动,以上措施可明显改善中心偏析现象。

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