高 軍 高 峰 趙 棪 樊立峰

(1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

寬厚板生產(chǎn)流程較長，影響成品板質(zhì)量的因素復(fù)雜[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，受設(shè)備和工藝控制等條件的限制，包鋼在寬厚板質(zhì)量控制方面與國內(nèi)先進(jìn)水平相比還存在很大差距，造成寬厚板性能不穩(wěn)定[2]。與國外同鋼號同規(guī)格鋼板相比，我國寬厚板的成分和性能控制的離散度大，性能不穩(wěn)定；鋼質(zhì)不純，硫、磷、氫含量高，波動(dòng)范圍大；晶粒度和組織不均勻，鋼板中經(jīng)常出現(xiàn)夾雜、偏析等缺陷，鋼板的內(nèi)部缺陷會導(dǎo)致最終產(chǎn)品存在安全隱患，影響使用壽命[3- 4]。利用超聲波探傷可檢測出寬厚板的內(nèi)裂、偏析、非金屬夾雜物、嚴(yán)重粗晶等缺陷。本文通過控制精煉、連鑄、軋制和冷卻等關(guān)鍵工序，研究影響寬厚板質(zhì)量的主要因素。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料是厚度為35 mm的Q460GJCZ35鋼熱軋板。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行超聲波探傷，利用超聲波將缺陷部位的探傷波形鎖定，與解剖后的試樣進(jìn)行對照，找出寬厚板中夾雜物、偏析、帶狀組織和中心裂紋等缺陷與探傷波形的關(guān)系。將制備的金相試樣用硝酸酒精溶液浸蝕15～20 s，清洗并干燥，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察分析。采用德國LEO50HV型掃描電鏡觀察微觀組織，用美國EDAX能譜儀進(jìn)行成分分析。測定試樣的硬度。

2 結(jié)果與討論

超聲波探傷儀顯示，缺陷出現(xiàn)在鋼板寬度的1/4處和板厚的中心部位。圖1、圖2分別為試樣的探傷波形和低倍組織，缺陷主要位于鋼板心部。由于軋制過程中鋼板冷卻過快，導(dǎo)致產(chǎn)生縮孔等缺陷。隨著鋼板厚度的增加和壓縮比的減小，缺陷增多。

圖1 試樣的超聲波探傷波形Fig.1 Flow detection waveform of the sample

圖2 試樣的低倍組織Fig.2 Macrostructure of the sample

測定了不合格寬厚板中心異常部位的硬度，結(jié)果如表2所示，鋼板中心存在嚴(yán)重的成分偏析，導(dǎo)致相變曲線右移，因軋后快速冷卻而形成貝氏體和馬氏體。貝氏體和馬氏體硬度較高，但韌性差，易形成缺陷。

表2 不合格鋼板組織的顯微硬度Table 2 Microhardness of microstructures in the unqualified plate HV10

超聲波探傷表明，鋼板的缺陷主要位于鋼板厚度的中心部位，因此對鋼板中心部位進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖3所示。圖3表明，合格鋼板厚度中心區(qū)域的珠光體均勻，比不合格鋼板的珠光體細(xì)密。由于寬厚板是中碳高錳鋼，中心易出現(xiàn)嚴(yán)重的偏析帶，由金相分析可知，鋼板厚度中心的帶狀組織密集。珠光體帶是碳和錳元素的富集區(qū)，而鐵素體帶幾乎不存在碳或錳元素，連鑄板坯在凝固過程中形成樹枝晶， 這與鑄坯冷卻過程中產(chǎn)生枝晶間偏析的程度有關(guān)。碳、錳和硫等偏析元素在樹枝晶的枝干部位含量較低，晶間部位含量較高，而且錳、硫的聚集又有利于(Mn、Fe)S夾雜物的形成，偏析帶常伴有夾雜物存在，軋后在奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變的過程中進(jìn)一步加劇了帶狀組織的形成[5- 6]。

圖3 (a)不合格鋼板和 (b)合格鋼板的心部組織Fig.3 Microstructures in core of (a) the unqualified and (b) the qualified steel plates

在一些偏析嚴(yán)重的鋼板試樣中，中心帶狀組織中存在微裂紋，如圖4(a)所示。圖4(b)為微裂紋的SEM形貌?？梢钥闯?，這種微裂紋寬度為1～3 μm，長度從幾十到幾百μm不等。鋼板試樣的組織為鐵素體和珠光體，但鋼板的中心偏析帶組織異常，并有微裂紋[7]。中心偏析帶組織的微裂紋中往往存在較多的塑性夾雜物，其與基體間為低聚合力界面，結(jié)合能很低，在鋼板冷卻過程中，夾雜物的收縮量大于基體，其收縮過程中會產(chǎn)生空隙。另外，這些顯微空隙處存在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，易引起開裂[8]。

圖5是不合格鋼板中夾雜物的形貌和能譜分析結(jié)果。由圖5可知，夾雜物中鋁、鈣和氧的含量較高，鏈狀?yuàn)A雜物主要為鋁鈣氧化物，硅、硫等元素的含量較少，還發(fā)現(xiàn)少量的鎂。這些元素均為耐火材料所獨(dú)有，因而可判定夾雜物是由于卷渣所致。在連鑄坯凝固過程中，由于溶質(zhì)再分配造成固液界面前沿溶質(zhì)濃度發(fā)生變化，致使低熔點(diǎn)夾雜物最后凝固，在鋼板中心部位形成了多層鏈狀的大塊狀?yuàn)A雜物。采取延長RH真空處理時(shí)間和軟吹時(shí)間，以及恒速、恒液位拉鋼等措施，可避免這類夾雜物產(chǎn)生[9]。

圖4 不合格鋼板心部的(a)裂紋及其(b)SEM形貌Fig.4 (a) Cracks in core of the unqualified steel plate and (b) their SEM image

圖5 不合格鋼板中的夾雜物的(a)形貌和(b)能譜分析結(jié)果Fig.5 (a)Morphologies and (b) EDS analysis result of inclusions in the unqualified steel plate

3 預(yù)防措施

3.1 夾雜物

采用雙重?fù)踉鼇頊p少氧化性爐渣進(jìn)入鋼水；轉(zhuǎn)爐出鋼后向鋼包內(nèi)添加爐渣改質(zhì)劑和適量的石灰，使?fàn)t渣由黑色向綠色過渡，使鋼包內(nèi)爐渣改性。在精煉爐中采用輕質(zhì)、小粒度鋁粒進(jìn)行爐渣改質(zhì)處理，使?fàn)t渣二次優(yōu)化。采取熱渣回收工藝縮短精煉造渣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)埋弧加熱，減少了鋼水二次氧化，也降低了鋼水增氮的概率。

爐渣經(jīng)過轉(zhuǎn)爐初步改性處理后，渣子堿度上升，氧化性明顯降低，吸附夾雜的效果大大提高。爐渣二次優(yōu)化后，其 CaO含量增加，與Al2O3結(jié)合的概率增大，即吸附Al2O3夾雜物的能力進(jìn)一步加大。由表3可知，爐渣改性后，(MnO+FeO)含量降低，其總量減少到0.99%，氧化物向鋼中傳遞的概率減小，避免了氧化物夾雜的形成。

表3 爐渣二次改性前、后的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Composition of the furnace slag before and after secondary modification (mass fraction) %

3.2 中心偏析及裂紋

在產(chǎn)品1/4厚度處出現(xiàn)嚴(yán)重的負(fù)偏析缺陷，在負(fù)偏析白亮帶上出現(xiàn)鏡面狀整齊的等軸晶帶，其形成是電磁攪拌產(chǎn)生的流股沿凝固前沿流動(dòng)，將兩相區(qū)樹枝晶間富集溶質(zhì)的母液沖刷掉而造成的。白亮帶中碳和合金元素含量比周圍金屬中少，嚴(yán)重的負(fù)偏析會影響鋼的淬透性和力學(xué)性能。為消除這一現(xiàn)象，對鑄機(jī)電磁攪拌參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，將電磁攪拌電流由420 A逐步調(diào)整為270 A，結(jié)果鑄坯組織有所改善，負(fù)偏析白亮帶變寬且不再致密。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鋼板出現(xiàn)白點(diǎn)，并且熱軋鋼板在冷卻過程中開裂，明顯降低寬厚板的合格率。分析認(rèn)為，這一現(xiàn)象是由于鋼板在熱送坯軋制的過程中冷速過快，產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力過大所致。在鋼板堆垛冷卻時(shí)添加緩冷罩延長冷卻時(shí)間，結(jié)果，連鑄坯堆垛緩冷12 h后送軋的鋼板合格率，比熱送坯軋制的合格率高0.5%。連鑄坯堆垛緩冷后，逸氫現(xiàn)象更明顯，碳和錳的擴(kuò)散更顯著，減輕了中心偏析的程度。特厚板在控冷階段快速冷卻會增大相變驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)鋼板心部偏析組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w或馬氏體，加上中心夾雜物及冷卻應(yīng)力的影響，易導(dǎo)致心部分層開裂。添加緩冷罩并進(jìn)行12 h緩冷后，裂紋、中心偏析等缺陷減少，軋后的緩冷過程等同于長時(shí)間的擴(kuò)散退火，鋼板中心的碳、錳等偏析元素?cái)U(kuò)散比較充分，使鋼中硬相組織和微裂紋難以形成。

調(diào)整電磁攪拌電流強(qiáng)度后，鑄坯的月平均碳偏析指數(shù)2.0以上級別的鋼板比例由之前的75%上升至92%，低倍檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到Y(jié)B/T 4003—2016的C1.5類標(biāo)準(zhǔn)，鑄坯質(zhì)量得到有效改善。添加緩冷罩并進(jìn)行12 h緩冷后，鋼板中心偏析、裂紋等缺陷明顯減少。

3.3 軋制工藝優(yōu)化

厚度70 mm以上的寬厚板主要用于法蘭、風(fēng)電門框或高層建筑支柱等，一般要求寬度大于3 000 mm。由于寬厚板最大板坯寬度2 300 mm的限制和粗軋機(jī)扭矩限制，導(dǎo)致展寬道次較多，展寬后延伸道次壓下量較小，粗軋階段應(yīng)力應(yīng)變不能完全滲透到軋件中心，沒有完全發(fā)揮粗軋階段利用高溫大變形量改善板坯中心質(zhì)量的作用。此外，因軋制厚度小于42 mm，精軋階段容易翹曲，再加上平整道次過多，導(dǎo)致鋼板不合格。

采用兩階段控軋工藝，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，盡可能增大單道次壓下率，減少軋制道次，以達(dá)到破碎鑄態(tài)組織、消除心部疏松的目的。由于受最大壓縮比的限制，壓下率有限，因此適當(dāng)降低軋制速度，破碎中心柱狀晶，減小心部疏松帶厚度。采用較少的軋制道次和大的壓下量，更易使軋制力滲透到鋼板內(nèi)部，使板材組織均勻，從而有利于鋼板內(nèi)部缺陷的消除，有效改善鋼板厚度方向的性能。釆用大的壓下量，能在鋼板軋制時(shí)將鑄坯中原來存在的裂紋、縮孔、疏松等缺陷軋合在一起，提高寬厚板合格率。

為了減少軋制道次、提高道次壓下率，按照生產(chǎn)線的最大設(shè)計(jì)坯重組坯后，突破常規(guī)軋制模式，將板坯長度按照鋼板寬度軋制，從而有效減少展寬道次數(shù)，增加粗軋延伸道次的壓下量和壓下率，同時(shí)設(shè)計(jì)粗軋縱軋→轉(zhuǎn)鋼→展寬→轉(zhuǎn)鋼→粗軋縱軋→待溫→精軋縱軋→精軋平整的軋制模式。優(yōu)化后的軋制模式為展寬(板坯長度當(dāng)鋼板寬度)→轉(zhuǎn)鋼→粗軋縱軋→待溫→精軋縱軋。

通過以上改進(jìn)，鋼板的合格率明顯提高，低溫沖擊性能也明顯改善，晶粒度細(xì)化到了10級。

圖6為改進(jìn)軋制工藝后35 mm厚熱軋板的指標(biāo)參數(shù)，低溫沖擊吸收能量平均值由100 J提高到了155 J，心部碳偏析指數(shù)由1.1降到了1.0，錳偏析指數(shù)由1.05降至1.0，鑄坯C類偏析由74.3%提高到了92.6%，鋼板合格率由96.97%提高到了100%。

圖6 優(yōu)化軋制工藝后鋼板的(a)-40 ℃沖擊吸收能量和(b)缺陷量統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 (a) Impact toughness at -40 ℃ and (b) statistical graph of amount of defect for the steel plate after optimizing rolling process

4 結(jié)論

(1)造成Q460GJCZ35鋼寬厚板不合格的主要缺陷為含鈣、鋁的夾雜物，嚴(yán)重的中心偏析，帶狀組織以及微裂紋。

(2)采取對爐渣進(jìn)行改性處理，改進(jìn)電磁攪拌電流強(qiáng)度，添加緩冷罩并進(jìn)行緩冷處理和改進(jìn)軋制工藝等措施后，Q460GJCZ35鋼板的低溫沖擊吸收能量平均值由100 J提高到155 J，月平均碳偏析指數(shù)2.0以上級別的鋼板的比例由75%上升至92%，心部碳偏析指數(shù)由1.1降到1.0，錳偏析指數(shù)由1.05降到1.0，鋼板合格率由96.97%提高至100%。