徐必靖，李輝成，任振海，陳占領(lǐng)，朱富強，鄒 晉

(1.江蘇常州中天鋼鐵集團，江蘇 常州 213011； 2.江西省科學(xué)院 應(yīng)用物理研究所，江西 南昌 330096)

帶狀組織是一種常見于鋼材內(nèi)部的缺陷組織，根據(jù)其形成過程可分為一次帶狀組織和二次帶狀組織。一次帶狀組織為鋼液凝固過程中偏析所形成的原始偏析帶狀組織；二次帶狀組織為鋼坯在軋制冷卻過程中產(chǎn)生的沿軋制方向平行排列、層狀分布的條帶狀組織。帶狀組織增加了鋼材組織的不均勻性，形成各向異性，故而會影響鋼材的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能[1-6]。

鑄坯成分不均勻性、碳及合金元素(尤其以Mn、Cr、P影響最為突出)所形成的貧化帶和富化帶差異程度決定鑄坯軋制過程中成分的不均勻及鐵素體形成、分布差異性的影響，最終決定軋材帶狀組織的分布情況[7-8]。本文選擇中碳高錳鋼為研究對象，通過優(yōu)化成分設(shè)計，降低容易引起凝固組織偏析所造成的軋材帶狀組織的合金元素含量，調(diào)整連鑄工藝和軋制工藝進而改善帶狀組織。

1 試驗條件及過程

本文以江蘇常州中天鋼鐵集團電爐煉鋼廠五機五流，鑄坯斷面220 mm×260 mm的連鑄機生產(chǎn)的中碳高錳鋼為研究對象。通過降低成分中容易造成帶狀組織的元素含量、優(yōu)化連鑄工藝參數(shù)以及調(diào)整軋制工藝改善軋材。中碳高錳鋼化學(xué)成分、連鑄工藝參數(shù)和軋制工藝參數(shù)分別見表1、表2和表3。鋼坯完成軋制后進行取樣對比分析，為了取到軋制穩(wěn)定期的軋材試樣，在每個軋次的軋制中期進行取樣，取樣如圖1所示。將軋材試樣進行切割加工、粗磨、精磨、拋光、腐蝕等工序制作成待檢測樣品。

表1 試驗鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 連鑄工藝參數(shù)

表3 軋制工藝參數(shù)

圖1 取樣示意圖Fig.1 Sampling schematic diagram

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鑄坯橫向低倍組織

采用不同的連鑄工藝生產(chǎn)連鑄坯，對連鑄坯進行取樣分析，主要進行連鑄坯橫向低倍樣的對比研究。為了保證取樣對比的準(zhǔn)確性，兩塊低倍試樣的取樣位置、取樣流次均保持一致。取樣完成后，將低倍樣進行鋸床切割、銑床及磨床加工，獲取較好的待腐蝕平面，之后采用75 ℃的工業(yè)鹽酸與水體積比1:1的混合溶液進行10 min的熱酸洗。兩種工藝的連鑄坯橫向低倍組織如圖2所示，鑄坯低倍參考標(biāo)準(zhǔn)《YB/T 153—2015 優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼連鑄坯低倍組織缺陷評級圖》進行評級，具體評級結(jié)果見表4。由圖2和表4可以看出，通過優(yōu)化連鑄工藝，使鑄坯低倍質(zhì)量得以提高，中心偏析和中心疏松得到改善，等軸晶率增加，面積占比由25.53%增加到35.05%，鑄坯的組織均勻性得到提高，偏析情況得以改善。

(a)工藝1；(b)工藝2圖2 連鑄坯橫向低倍組織(a)process 1；(b)process 2Fig.2 Transverse macrostructure of continuous casting billet

表4 低倍組織評級

2.2 軋材帶狀組織

將軋材按照圖1進行取樣，取其中一個半圓橫向低倍樣作為帶狀組織分析樣，對平行于軋制方向的組織采用4%硝酸酒精過腐蝕20～30 s，采用金相顯微鏡進行觀察，并參考標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34474.1—2017 鋼的帶狀組織的評定》對帶狀組織進行評級。由圖3和表5可以看出，高溫長時間加熱、高終軋溫度工藝下軋材的中心和半徑1/2處的帶狀組織更細，評級更低。

(a)工藝1，中心處；(b)工藝1，半徑1/2處；(c)工藝2，中心處；(d)工藝2，半徑1/2處圖3 不同工藝下軋材中心和半徑1/2處帶狀組織(a)process 1, center; (b) process 1, radius 1/2; (c) process 2, center; (d) process 2, radius 1/2Fig.3 The banded structure at the center and 1/2 radius of rolled material under different processes

表5 帶狀組織級別

鋼液在凝固過程中產(chǎn)生的元素偏析是形成帶狀組織最直接的原因，鑄坯凝固組織中元素分布的均勻性對于帶狀組織的形成和分布有重要影響。從連鑄工序來說，通過實現(xiàn)鑄坯凝固組織的勻質(zhì)化可以有效地改善或消除帶狀組織。通過增大結(jié)晶器電流參數(shù)可以增大結(jié)晶器內(nèi)的強制流動，打斷樹枝晶，形成更多的二次晶核，從而抑制柱狀晶的生長；同時利用脈沖磁致振蕩(PMO)的激發(fā)形核作用，促進更多初生晶核的生成，增加等軸晶數(shù)量，實現(xiàn)晶粒細化和組織均質(zhì)化。

同時，高溫長時間加熱有利于促進鑄坯內(nèi)部元素成分的充分?jǐn)U散，實現(xiàn)成分均勻性。提高加熱溫度并延長加熱時間可以使得形成枝晶偏析的元素(如Mn、Cr)等擴散均勻，從而實現(xiàn)奧氏體均勻化；同時奧氏體晶粒較大，鐵素體形核心減少，可有利于降低不同位置鐵素體形核速率的差異，降低形成帶狀組織的條件[8]。高終軋溫度有利于增大軋后冷卻速度，可以降低帶狀組織的產(chǎn)生條件[9-11]。隨著軋后冷卻速度的增大，先共析鐵素體形核的驅(qū)動力增大，貧溶質(zhì)區(qū)與富溶質(zhì)區(qū)的 Ar3溫度差對帶狀組織的影響會減輕，碳成分由貧溶質(zhì)區(qū)向富溶質(zhì)區(qū)的擴散距離的減小可減輕帶狀的程度。同時，加大終軋后冷卻速度也可以抑止碳在原始帶狀基礎(chǔ)上的長距離擴散，減小碳原子充分?jǐn)U散時間， 消除或減輕鐵素體珠光體的帶狀形態(tài)。

3 結(jié)論

1)通過降低容易引起偏析的合金元素含量以及優(yōu)化連鑄工藝可顯著改善鑄坯低倍組織，增加連鑄坯等軸晶率及降低中心偏析，為軋制工藝的制定提供良好的基礎(chǔ)，有利于改善軋材帶狀組織的形成。

2)提高加熱溫度、增加保溫時間以及提高終軋溫度可改善鑄坯枝晶偏析，降低鐵素體形成條件，進而改善帶狀組織。