王慧峰

摘 要：結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分別采用光譜分析儀、金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀對(duì)鑄坯與板材表面裂紋處的化學(xué)成分、金相組織、顯微形貌及夾雜物成分進(jìn)行分析，并對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)查研究，確定鋼板裂紋在連鑄-加熱-軋制過(guò)程中的形成機(jī)理，從而提出進(jìn)一步降低板坯裂紋的可行性建議及工藝優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：連鑄板坯；裂紋缺陷；金相分析；防止措施

CAUSES AND PREVENTIVE MEASURES SURFACE CRACK IN ALLOYED CONTINUOUS CASTING SLAB

Wang Huifeng

（Hebei Yanshan Iron & Steel Co.， Ltd.? ? Qianan? ? 064403， China）

Abstract：Combined with the actual production，spectrum analyzer，metallographic microscope， scanning electron microscope and energy spectrometer were apployed on the analysed of micro alloy steel continuous casting slab surface crack formation mechanism and solving measures and carries on the investigation and study to the production process， determine the steel plate crack in continuous casting - heat - forming mechanism in the process of rolling，to further reduce the feasibility of slab crack advice and process optimization measures.

Key words：continuous cast slab；crack defect；metallographic analysis；preventive measures

0? ? 前? ? 言

河北燕山鋼鐵集團(tuán)有限公司板坯連鑄機(jī)是直結(jié)晶器連續(xù)彎曲連續(xù)矯直弧形板坯連鑄機(jī)，其基本半徑R為9.5 m，厚度規(guī)格230 mm，寬度在900～1 630 mm。投產(chǎn)后在生產(chǎn)含B鋼種的過(guò)程中，鑄坯表面缺陷表現(xiàn)越來(lái)越突出，尤其是裂紋率，最高時(shí)達(dá)到7%以上，這不僅影響了連鑄的成材率，也影響了產(chǎn)品的最終質(zhì)量。為了降低含硼鋼表面裂紋率，選取典型鑄坯表面缺陷進(jìn)行研究，以確定鋼板裂紋在連鑄-加熱-軋制過(guò)程中的形成機(jī)理，從而解決板坯裂紋的問(wèn)題。

1? ? 板材表面缺陷的特征

1.1? ? 鑄坯邊部橫裂紋

鑄坯邊角微橫裂造成的鋼板邊部典型橫裂紋（簡(jiǎn)稱邊峰裂），圖1為邊峰裂宏觀形貌，其主要特征為：一是集中在含Al、Nb和B等裂紋敏感性的鋼種；二是裂紋鑄坯角部的晶間，晶間檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有合金氮化物，在坯子上以“跨角裂”形式存在[1]；三是在軋成鋼板后，裂紋延伸，并表現(xiàn)為“結(jié)疤”狀和“舌形”狀，具體分布在鋼板邊部剪切前的0 ～ 50 mm范圍，且連續(xù)貫穿整板分布。

1.2? ? 帶鋼表面局部橫向裂紋

圖2所示為帶鋼表面局部橫向裂紋的宏觀形貌，鋼板表面局部橫向裂紋具有下列特征：一是裂紋表現(xiàn)為橫向類(lèi)平行排列狀并與拉坯方向垂直，嚴(yán)重時(shí)裂口相對(duì)寬且深，且據(jù)此基本可判為降級(jí)板；二是集中出現(xiàn)在鋼板的頭尾兩部上表面，且以沿軋制方向的尾部為主，有時(shí)僅出現(xiàn)在鋼板頭（尾）部表面中間，有時(shí)也出現(xiàn)在頭（尾）部表面的橫向上；三是經(jīng)顯微觀察，裂紋處沒(méi)有脫碳現(xiàn)象。

1.3? ? 鋼板表面縱向裂紋

該類(lèi)型裂紋的主要特征有：一是大部分裂紋出現(xiàn)在鑄坯內(nèi)弧側(cè)，平行于拉坯方向分布[2-3]，常以一條寬大的長(zhǎng)裂紋形式分布于鋼板中間，部分嚴(yán)重者平行于鋼板走向貫穿整張鋼板；二是裂紋深度較深，斷口較寬，呈楔形狀，極易造成降級(jí)。

1.4? ? 鋼板表面沿軋向成帶狀分布的細(xì)縱裂紋

鋼板表面沿軋向成帶狀分布的細(xì)縱裂紋如圖3所示，具有下列特征：一是集中分布在鋼板上表面（內(nèi)弧側(cè)）兩側(cè)寬度約1/4處，且鋼板下表面有少量裂紋；二是鋼板表面有明顯的粗細(xì)不一、長(zhǎng)短不一的長(zhǎng)條狀裂紋，且沿軋制方向分布，具體呈成簇狀，但不連續(xù)，裂紋比較密集。

1.5? ? 鋼板亞表面隱藏式裂紋缺陷

在軋制板坯過(guò)程中，部分鋼板在軋制方向出現(xiàn)表面縱裂紋，其分布在鋼板的上、下表面，且形態(tài)相似、斷續(xù)分布、長(zhǎng)短不一及較為密集。當(dāng)鋼板在使用過(guò)程中受力時(shí)，表面出現(xiàn)裂紋，原因是鋼板皮下已經(jīng)存在缺陷，在應(yīng)力不斷重復(fù)時(shí)才逐步顯現(xiàn)，被稱作亞表面“隱蔽式裂紋”。

2? ? 鑄坯及板材表面缺陷的分析與處理

2.1? ? 邊峰裂的分析與處理

分析發(fā)現(xiàn)，造成鋼板邊峰裂的原因如下：敏感性鋼種在連鑄過(guò)程因鑄坯角部受二維傳熱的影響，溫度下降至較低狀態(tài)時(shí)，先共析鐵素體會(huì)在奧氏體晶界形成鐵素體薄膜，同時(shí)Al、Nb和B的氮化物在晶界析出，使得鑄坯晶界強(qiáng)度弱化；當(dāng)較低溫度的鑄坯角部通過(guò)二冷矯直段時(shí)，因?yàn)槠錅囟惹『寐淙脘摰牡谌嘈詼囟葏^(qū)，鑄坯內(nèi)弧角部在矯直拉伸應(yīng)力的作用下，氮化物析出使晶界弱化，從而產(chǎn)生裂紋。據(jù)此，筆者提出下列處理措施：鑄坯通過(guò)二冷矯直段時(shí)使鑄坯角部溫度避開(kāi)第三脆性溫度區(qū)，實(shí)現(xiàn)途徑包括鑄坯“冷行”、“熱行”。其中，鑄坯冷行方法操作簡(jiǎn)單，但會(huì)加大連鑄坯三角區(qū)裂紋出現(xiàn)的幾率及增加晶界析出物，因此對(duì)含B鋼等可能使角部微橫裂紋往鑄坯中間方向擴(kuò)展的鋼種，采用鑄坯熱行方法，通過(guò)降低水量來(lái)使鑄坯高溫通過(guò)矯直段。

2.2? ? 鋼板表面局部橫向裂紋的分析與處理

金相分析發(fā)現(xiàn)，鋼板表面局部橫向裂紋都沒(méi)有明顯的脫碳行為，則可判斷裂紋產(chǎn)生于軋制環(huán)節(jié)，而引起鋼板表面局部橫向裂紋的真正原因如下：在實(shí)際軋制過(guò)程中，中間坯在水冷時(shí)溫度場(chǎng)變化復(fù)雜，如若中間坯局部噴水過(guò)多或在其上表面某處積水，則會(huì)造成該區(qū)域較大的斷面溫差，如此一方面造成軋材內(nèi)應(yīng)力增加，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋；另一方面由于鋼板表層溫度處在900 ～ 950 ℃區(qū)間，表層組織處于脆性區(qū)間，在軋制力的作用下，鋼的內(nèi)部發(fā)生流變，表層變形相對(duì)較小，便會(huì)使鋼的應(yīng)力超過(guò)晶界應(yīng)力，從而產(chǎn)生細(xì)微裂紋并在軋制延展的作用下擴(kuò)展。

因此，建議在實(shí)際軋制過(guò)程中，調(diào)整軋制生產(chǎn)線水冷卻系統(tǒng)或冷卻工藝，以減少鋼板表面局部橫向裂紋的產(chǎn)生。

2.3? ? 鋼板表面縱向裂紋

在裂紋部位取橫截面金相試樣，光學(xué)顯微鏡下可以觀察到，在鋼板表面裂紋中有氧化鐵及點(diǎn)狀氧化物，裂紋周?chē)忻撎棘F(xiàn)象[4]。

一般認(rèn)為，該類(lèi)型裂紋的產(chǎn)生是由于結(jié)晶器內(nèi)的傳熱不均，尤其是保護(hù)渣的融化、浸入等不均引起。該類(lèi)型裂紋主要在結(jié)晶器內(nèi)凝固過(guò)程中產(chǎn)生，坯料中已形成的裂紋在到達(dá)二冷區(qū)后又被逐漸擴(kuò)展、延伸。當(dāng)鋼水和結(jié)晶器內(nèi)壁接觸時(shí)過(guò)熱度高，就會(huì)降低細(xì)小等軸晶形核的速率，因此鑄坯細(xì)小等軸晶帶會(huì)呈現(xiàn)較薄的形態(tài)。在內(nèi)弧一側(cè)較薄弱之處的應(yīng)力會(huì)比較集中，致使凝殼斷裂，裂紋延伸至二冷區(qū)并且較之前會(huì)加深、加寬與加長(zhǎng)。所使用的保護(hù)渣黏度也會(huì)對(duì)縱裂形成較為嚴(yán)重的影響，如果黏度低，將會(huì)降低渣膜厚度的均勻度，使凝殼出現(xiàn)不均勻凝固的現(xiàn)象。但是如果黏度過(guò)高，會(huì)增加結(jié)晶器壁和坯殼之間的摩擦力，進(jìn)而使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋。

所以采用結(jié)晶器弱冷，并選擇具有理化性能合適的保護(hù)渣有助于防止表面裂紋的產(chǎn)生。

2.4? ? 鋼板表面沿軋向成帶狀分布的細(xì)縱裂紋

通過(guò)在試樣裂紋處截取小塊試樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣基體的金相組織是鐵素體+珠光體，且裂紋處顯微組織形貌具有在裂口區(qū)呈樹(shù)枝狀的纖維流線特征，說(shuō)明缺陷發(fā)生在軋制前，推斷由皮下氣泡引起。鑒于細(xì)縱裂紋分布在鋼板兩側(cè)寬度約1/4處，且呈對(duì)稱狀，則推斷可能由氬氣泡引起，即：當(dāng)采用氬氣進(jìn)行全程保護(hù)澆鑄時(shí)，氬氣從中間包水口縫隙處進(jìn)入鋼水中，氬氣隨鋼液進(jìn)入結(jié)晶器，這時(shí)氣泡的逸出活躍了結(jié)晶器鋼液中的保護(hù)渣融化速度，而氬氣泡隨結(jié)晶器鋼液運(yùn)動(dòng)而上浮，鋼液中夾雜的上浮速度加快，但部分隨結(jié)晶器內(nèi)鋼液運(yùn)動(dòng)到一定深度的氬氣，會(huì)在固液界面凝固的枝晶間形成駐留的氣泡，鑄坯內(nèi)部形成氣泡。為此，建議從下列方面進(jìn)行處理：在保證背壓的條件下，適當(dāng)減少流入結(jié)晶器的氬氣量；嚴(yán)格選擇氣隙小中包水口的機(jī)構(gòu)零件，以減少保護(hù)性氣體因鋼水負(fù)壓的大量進(jìn)入[5]。

2.5? ? 鋼板亞表面隱藏式裂紋缺陷

通過(guò)對(duì)軋制鋼板進(jìn)行冷彎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，彎曲外弧側(cè)部分區(qū)域出現(xiàn)開(kāi)裂，其為表面裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展所致；彎曲內(nèi)弧側(cè)盡管受到擠壓，但卻出現(xiàn)比彎曲前更明顯的裂紋，正是由于表面裂紋的存在，封閉裂紋外口的氧化鐵皮在擠壓力的作用發(fā)生開(kāi)裂，以至于表面裂紋凸現(xiàn)。通過(guò)金相及電鏡分析發(fā)現(xiàn)，裂紋處有輕微脫碳，且裂紋末端存在氧化圓點(diǎn)（見(jiàn)圖4），推斷其是鑄坯在軋制工序前加熱和保溫工序中形成的，此時(shí)空氣中的氧與鋼中的鐵、錳和硅結(jié)合生成氧化物或硅酸鹽顆粒，存留在鑄坯表面。皮下夾雜物、皮下氣泡、皮下微裂紋等缺陷，在鋼板冷彎后形成表面撕裂性裂紋[3]。其中，皮下夾雜物經(jīng)軋制后呈條狀或碎點(diǎn)狀，其成分相對(duì)復(fù)雜，本文抽取的鋼板樣在其裂紋內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)夾雜物的存在，由此判斷鋼板的裂紋缺陷并非夾雜物造成，而是鋼坯表面裂紋或皮下氣泡未焊合造成的。

針對(duì)上述缺陷，建議逐步改善連鑄工藝各相關(guān)環(huán)節(jié)，消除耐火材料剝落、大包下渣、二次空氣污染、保護(hù)渣潮濕等污染鋼質(zhì)的因素，根治氣孔類(lèi)缺陷[6]。

3? ? 結(jié)? ? 論

通過(guò)改善連鑄工藝，極大地降低了微合金鋼連鑄板坯的表面裂紋率，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)半年多的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐，達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)，即：含硼鋼表面裂紋率控制在2%以內(nèi)；減少了中厚板質(zhì)量異議的數(shù)量，使中厚板異議總數(shù)降低50％?？傊ㄟ^(guò)現(xiàn)有工藝技術(shù)研究及工藝優(yōu)化，減少了鑄坯裂紋，控制了鋼板的裂紋缺陷率。

參考文獻(xiàn)

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