白玉朋, 牟海鵬,張 帥,趙曉虎,金 玉

(1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 質(zhì)量管理部,河北 唐山 063000)

冷軋雙相鋼,尤其是高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度雙相鋼,不僅具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,而且用途極其廣泛[1]。雙相鋼在汽車上使用,不僅能大幅度減少車體重量,還能節(jié)能降耗,降低制造成本,受到很多汽車制造廠商的青睞。唐鋼雙相鋼有DP450、DP590、DP780和DP980,DP1180目前是小批量生產(chǎn)階段,數(shù)字代表產(chǎn)品在軋退火后的屈服強(qiáng)度。雙相鋼由于含較高Si、Mn的成分特點(diǎn)加重了這類鋼的脆性,在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生裂紋缺陷[2-3]。在唐鋼大批量生產(chǎn)雙相鋼的過程中,觀察冷軋鋼帶表面質(zhì)量狀態(tài),發(fā)現(xiàn)DP780和DP980因裂紋缺陷產(chǎn)生的不合格品較多,因此對這兩個鋼種展開消除或控制裂紋缺陷的探究。

1 雙相鋼裂紋缺陷描述

1.1 DP780裂紋缺陷在冷軋退火產(chǎn)品的表現(xiàn)

在唐鋼高強(qiáng)汽車板連退產(chǎn)線生產(chǎn)某批次DP780產(chǎn)品的過程中,發(fā)現(xiàn)有多個鋼卷因表面存在不規(guī)則的線狀缺陷導(dǎo)致降級判定,利用SIAS表面檢測設(shè)備檢測到鋼帶表面缺陷云圖及缺陷形貌特征如圖1所示,圖內(nèi)方框標(biāo)注位置均為同類型的缺陷。SIAS表面檢測設(shè)備云圖可以顯示一整卷鋼表面缺陷的分布規(guī)律,缺陷按照嚴(yán)重程度利用不同顏色的標(biāo)簽表現(xiàn)在鋼帶表面上,畫框的位置為本文研究的裂紋缺陷,其它位置為非同類型的缺陷。從圖中可以看出缺陷集中在鋼帶的上表面,且密度非常大。

圖1 DP780裂紋缺陷SIAS表檢分布圖

將典型缺陷圖像取出如圖2所示。從圖像中可以看出,缺陷宏觀形貌為沿著軋制方向線狀缺陷。單一的線狀缺陷有明顯起點(diǎn)和終點(diǎn),形狀不規(guī)則,表檢顯示的顏色為黑色。線狀缺陷上伴隨多個黑色的點(diǎn)狀缺陷,疑似為不同線狀缺陷的交叉點(diǎn)或者起點(diǎn),線狀缺陷長度在150～400 mm左右,寬度為1～2 mm。點(diǎn)狀缺陷的尺寸約大米粒大小。缺陷整體類似于分叉較多的樹枝。

圖2 DP780裂紋缺陷SIAS表檢圖像

利用唐鋼便利的全流程缺陷追溯條件,在酸洗后的SIAS表面檢測設(shè)備上,通過位置推倒可以找到連退表檢上對應(yīng)位置酸洗后的缺陷形貌如圖3所示,線狀缺陷有明顯起點(diǎn)和終點(diǎn),形狀不規(guī)則,表檢顯示的顏色為黑色。缺陷未經(jīng)過酸洗軋制時(shí)成不規(guī)則的樹杈狀線形缺陷,表檢形貌來看顏色為黑色,缺陷長度30～80 mm不等,線狀缺陷寬度大約1～2 mm。

酸洗后的缺陷形貌接近于熱軋卷上的缺陷形貌。受鋼種特性的影響,熱軋后鋼卷表面有較為明顯的氧化鐵皮薄膜,無法從熱軋的表檢上找到缺陷的圖像。將缺陷按照質(zhì)量守恒定律推算鑄坯表面上的尺寸,長度大約1～3 mm,由于缺陷在鑄坯上過小,在鑄坯的表面上也未發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

1.2 DP980裂紋缺陷在冷軋退火產(chǎn)品的表現(xiàn)

在唐鋼高強(qiáng)汽車板連退產(chǎn)線生產(chǎn)某批次DP780產(chǎn)品的過程中,發(fā)現(xiàn)DP780同類型缺陷如圖4所示。圖4的左半部分為SIAS表檢設(shè)備檢測到鋼帶表面缺陷的云圖,從云圖來看,DP980缺陷較DP780更加集中,在鋼帶中間位置,不靠近邊部。于DP780不同的是DP980上下表面均有同類型的缺陷。表檢顯示的缺陷典型形貌在圖4右半部分,單一缺陷形貌有明顯起點(diǎn)和終點(diǎn),形狀不規(guī)則,表檢顯示的顏色為黑色。線狀缺陷上伴隨多個黑色的點(diǎn)狀缺陷,疑似為不同線狀缺陷的交叉點(diǎn)或者起點(diǎn),線狀缺陷長度在150～400 mm左右,寬度為1～2 mm。點(diǎn)狀缺陷的尺寸約大米粒大小。

圖4 DP980裂紋缺陷連退SIAS表檢圖像

利用唐鋼便利的全流程缺陷追溯條件,查找上游工序的表面質(zhì)量情況,在酸洗表檢的對應(yīng)位置可發(fā)現(xiàn)類似的缺陷,如圖5所示所示。DP980在酸洗表檢顯示為黑白交接的線狀缺陷,線狀缺陷長度在50～200 mm之間,寬度為1～2 mm。推算到鑄坯上缺陷尺寸,缺陷長度為1～3 mm。DP980的熱軋表面狀況類似于DP780,有一層薄薄的氧化鐵皮覆蓋,無法看到類似的線狀缺陷。推算到鑄坯由于缺陷尺寸過小,唐鋼現(xiàn)有的檢測手段,也無法檢測到微小的缺陷。

圖5 DP980裂紋缺陷酸洗后SIAS表檢圖像

1.3 兩種裂紋缺陷實(shí)物描述

對兩個鋼種裂紋缺陷取樣品進(jìn)行觀察,如圖6所示。從圖中對比可以看出,兩個鋼種缺陷外觀形貌類似。缺陷在退火后表征為在不規(guī)則的樹杈狀黑色線形缺陷上伴隨著黑色的點(diǎn)狀缺陷。線狀缺陷長度在150～400 mm左右,寬度為1～2 mm,點(diǎn)狀缺陷的尺寸約大米粒大小。依據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),從缺陷外觀形貌來看,兩個鋼種的缺陷特征滿足裂紋缺陷的特征?？梢猿醪綌喽ㄟ@種缺陷為鑄坯的裂紋缺陷。受熱軋和連鑄工藝特點(diǎn)的影響,未在熱軋和連鑄表面發(fā)現(xiàn)類似形貌的缺陷。

DP780表面裂紋實(shí)物圖像

DP980表面裂紋實(shí)物圖像圖6 兩個鋼種表面裂紋實(shí)物圖像比較

圖7 裂紋缺陷電鏡結(jié)果

2 裂紋缺陷微觀分析

2.1 缺陷電鏡結(jié)果

對取到的兩個鋼種的缺陷樣品進(jìn)行電鏡成分分析如圖8所示。由于兩個缺陷得出的電鏡成分結(jié)果基本相同,不再做重復(fù)展示。唐鋼DP780、DP980均為高Si高M(jìn)n成分體系,從電鏡結(jié)果可以看出,缺陷內(nèi)部無異物,電鏡掃描出的成分有少量的Si元素屬于正?，F(xiàn)象。由電鏡成分結(jié)果可以排除缺陷為煉鋼或澆筑過程中保護(hù)渣卷入或Al的氧化物卷入引起的缺陷。

圖8 缺陷樣品觀察位置示意

2.2 缺陷金相結(jié)果

冷軋表現(xiàn)的線狀缺陷除去煉鋼夾雜物,還剩下裂紋和劃傷兩類,觀察裂紋和劃傷需要通過掃描缺陷截面進(jìn)行觀察。為了進(jìn)一步確定缺陷是否為裂紋缺陷,對兩個鋼種的缺陷取截面,利用酸侵蝕截面觀察缺陷金相,樣品觀測位置如圖9所示。

DP780裂紋缺陷晶相 DP980裂紋缺陷晶相圖9 裂紋缺陷金相圖對比

使用顯微鏡對缺陷樣品放大200倍進(jìn)行觀察,得到如圖10的金相組織。兩個鋼種缺陷的金相組織基本相同。依據(jù)晶相圖像看,缺陷截面的端點(diǎn)放大后為黑色的線狀缺陷,線狀缺陷附近的晶粒較正常位置發(fā)白,且晶粒個頭較大,為明顯的脫碳組織,脫碳組織為鑄坯裂紋缺陷經(jīng)過軋制后的特有特點(diǎn)。線狀缺陷放大后可看到,缺陷在寬度方向上延伸到基體內(nèi)部,兩端距離表層約5～20 μm。由此可以更加準(zhǔn)確的判斷出缺陷為板坯裂紋缺陷。

圖10 冷齒缺陷示意圖

3 裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析及驗(yàn)證

裂紋缺陷產(chǎn)生的原因有很多,關(guān)鍵的工藝控制點(diǎn)有鋼種成分、連鑄保護(hù)渣、水口浸入深度、結(jié)晶器冷卻水量、結(jié)晶器錐度、中間包穩(wěn)態(tài)等方面[4-7],結(jié)合唐鋼的生產(chǎn)實(shí)際,針對兩個鋼種的表面微裂紋缺陷進(jìn)行了煉鋼、連鑄整體的工藝調(diào)查。

3.1 DP780裂紋缺陷產(chǎn)生原因調(diào)查及驗(yàn)證

通過對電鏡、金相結(jié)果分析缺陷部分存在一定程度的脫碳層,電鏡結(jié)果分析未發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣以及典型夾雜物;因此斷定缺陷為板坯的裂紋缺陷。調(diào)查了多塊鑄坯,均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,因此可斷定這種微裂紋缺陷在軋制過程中延展發(fā)達(dá),此微裂紋在板坯和熱卷上肉眼觀察不可見,從鑄坯實(shí)物、熱軋表檢和實(shí)物均未發(fā)現(xiàn)類似缺陷。

利用唐鋼便利的大數(shù)據(jù)信息化功能,對整個生產(chǎn)過程的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行調(diào)查,包括保護(hù)渣、結(jié)晶器冷卻水進(jìn)水溫度、水口的浸入深度、鋼水成分等多個因素,裂紋嚴(yán)重的鑄坯與正常無缺陷鑄坯相比均未發(fā)現(xiàn)有明顯差異性。在利用熱像圖觀察鑄坯澆鑄溫度變化時(shí)發(fā)現(xiàn),熱像圖存在冷齒的澆鑄批次與缺陷產(chǎn)生規(guī)律具有很強(qiáng)的對應(yīng)性。熱像圖是監(jiān)測鑄坯在澆鑄過程中溫度變化的云圖,冷齒是表示在澆鑄坯的過程中溫度變化不均勻。從熱像圖上看,圖中畫框的位置為溫度差異明顯,中間位置溫度低,兩邊溫度高,且溫度分布呈梭子形,冷齒熱像圖如圖11所示。

圖11 爐次降判品比例柱狀圖

為明確熱像圖冷齒與成品微裂紋的對應(yīng)性。調(diào)查了同批次連鑄生產(chǎn)12爐約120根DP780的鑄坯,發(fā)現(xiàn)冷齒缺陷嚴(yán)重的鑄坯主要集中在第2、4爐,將整個批次12爐的DP780放入冷軋進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)跟蹤,對應(yīng)結(jié)果如圖12所示。冷齒缺陷嚴(yán)重的爐次不合格品比率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它爐次。由此可斷定控制冷齒對于控制DP780在冷軋退火產(chǎn)品表面表現(xiàn)出的樹杈狀裂紋缺陷有決定性作用。

圖12 不同N含量不合格品比例柱狀圖

通過以上分析在連鑄區(qū)域制定了相應(yīng)的措施,如調(diào)整冷卻水量、水口插入深度等措施,措施的出發(fā)點(diǎn)在于保證澆鑄過程中鑄坯溫度均勻。通過一些措施的實(shí)施,冷齒得到改善。后續(xù)跟蹤產(chǎn)品表面質(zhì)量時(shí)未再發(fā)現(xiàn)如此嚴(yán)重的裂紋缺陷,DP780整體表面質(zhì)量和產(chǎn)品合格率有很大的改善。

3.2 DP980裂紋缺陷產(chǎn)生原因調(diào)查及驗(yàn)證

對于DP980表面的缺陷,同樣通過對電鏡、金相結(jié)果分析缺陷部分存在一定程度的脫碳層,電鏡結(jié)果分析未發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣以及典型夾雜物;因此斷定缺陷為板坯的裂紋缺陷。

由于DP980于DP780表面缺陷嚴(yán)重程度和分布規(guī)律類似,首先調(diào)查了DP980在連鑄生產(chǎn)過程中的熱像圖,但未發(fā)現(xiàn)熱像圖冷齒。之后調(diào)查了裂紋缺陷保護(hù)渣、結(jié)晶器冷卻水進(jìn)水溫度、SEN 的浸入深度、鋼水成分及溫度等多個影響裂紋缺陷的主要因素。發(fā)現(xiàn)成分存在一定的差異性。

對煉鋼過程全流程參數(shù)調(diào)查均滿足控制要求,存在缺陷的鋼卷所在爐次與無缺陷的鋼卷所在爐次整體工藝控制無明顯差異。對缺陷卷所在爐的鋼水成分調(diào)查發(fā)現(xiàn)N含量為54 ppm,高于該鋼種平均N含量33 ppm控制水平。通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,累計(jì)共生產(chǎn)130爐該鋼種,對N含量按照4個組次進(jìn)行劃分,對比裂紋缺陷不合格品比例如圖13所示。由圖中可知,N含量大于40 ppm時(shí)裂紋缺陷產(chǎn)生的不合格品比例明顯升高。

N>50 ppm

為了驗(yàn)證結(jié)論,對DP980進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得結(jié)論:N含量高的鋼卷裂紋缺陷較嚴(yán)重,從目前數(shù)據(jù)結(jié)果來看,N含量超過40 ppm之后裂紋缺陷產(chǎn)生不合格品的風(fēng)險(xiǎn)很高。N含量超過50 ppm以后,表面的裂紋缺陷非常嚴(yán)重。

表1 不同N含量試驗(yàn)結(jié)果

對應(yīng)的SIAS表檢設(shè)備截取的缺陷云圖實(shí)例如圖14所示。圖表中畫框區(qū)域?yàn)榱鸭y缺陷,其余位置的缺陷非裂紋缺陷。N含量大于大于等于40 ppm缺陷數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過N含量小于40 ppm的鋼卷。針對N含量偏高的問題制定了一些措施。增加鋼包下水口區(qū)域密封效果,通過改造設(shè)備,增加套管碗口氬氣保護(hù),提高密封效果;增加鋼包下水口區(qū)域密封用具厚度等。經(jīng)過一些列的措施實(shí)施,DP980鋼種N含量得到明顯控制,也沒再發(fā)生因裂紋缺陷產(chǎn)生的批量不合格。

4 結(jié)論

雙相鋼鑄坯微裂紋缺陷由于太過細(xì)小在鑄坯、熱軋鋼卷表面均不可見;但是經(jīng)過冷軋軋制,缺陷會放大延伸,最終在冷軋連退產(chǎn)品的表面形成不規(guī)則、帶有黑色且有起點(diǎn)的樹杈狀線形缺陷。

不同強(qiáng)度的雙相鋼裂紋缺陷產(chǎn)生的原因也不完全相同。對于冷軋整板面的樹杈狀裂紋缺陷控制,首先關(guān)注的重點(diǎn)是連鑄過程中溫度的均勻性,制定一些有效保證澆鑄溫度均勻的措施是控制裂紋缺陷產(chǎn)生的關(guān)鍵;其次對于產(chǎn)品非金屬成分比例要有密切關(guān)注,尤其是N元素的含量,雙相鋼對于高Si、Mn特殊成分體系的影響N元素對裂紋缺陷的影響極其敏感。

控制澆鑄溫度均勻性、控制N元素含量可以有效的減少鑄坯微裂紋,但不可能完全消除,若想完全消除裂紋缺陷還需對整個連鑄工序進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。