寬厚板邊部折疊線形成機理及控制方法

供稿|張潤生/ZHANG Run-sheng

前 言

隨著鋼鐵業(yè)的發(fā)展，寬厚板更加廣泛地用于建筑結(jié)構(gòu)、工程機械、海洋平臺、造船、汽車、石油管線等領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟發(fā)展所必須的重要材料。寬厚板邊部折疊線缺陷已成為寬厚板生產(chǎn)的重要缺陷之一。

研究中厚板邊部折疊線的形成規(guī)律及原因，并采取相應(yīng)的控制措施減少或控制邊部缺陷的出現(xiàn)，對指導(dǎo)中厚板生產(chǎn)，提高中厚板產(chǎn)品質(zhì)量及成材率均具有重要意義。本文通過對工業(yè)鋼板的檢測分析來研究寬厚板邊部折疊線的形成原因，并通過倒角結(jié)晶器等技術(shù)加以控制，為寬厚板工業(yè)生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)和工藝參考。

試驗材料和內(nèi)容

試驗材料

通過折疊線缺陷鋼板數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，寬規(guī)格船板鋼出現(xiàn)邊部缺陷的幾率較大，且缺陷位置與邊部之間距離較大，易導(dǎo)致鋼板在線切邊后仍存在邊部缺陷，導(dǎo)致了此類鋼板的改判量較大。因此試驗鋼種選擇該類高強鋼。

試驗內(nèi)容

(1) 金相和電鏡分析

從試驗鋼鋼板的邊部折疊線位置取樣，研磨、拋光，并在光鏡和掃面電鏡下觀察其折疊線的形貌及特征。

(2) 鉆孔試驗

為了找到寬厚板邊部折疊線的形成機理，本研究設(shè)計了鑄坯鉆孔及軋制后鋼板邊部缺陷跟蹤試驗，尋找折疊線缺陷與鉆孔位置的對應(yīng)關(guān)系。

試驗材料選擇的實驗鋼連鑄坯(厚度×寬度=250 mm×2000 mm)，經(jīng)檢查，鑄坯表面及邊角部質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)角部縱裂紋、角部橫裂紋等缺陷。

為驗證鑄坯角部軋制前后的位置變化，首先在試驗連鑄坯的角部固定位置鉆孔。鉆孔位置如圖1所示，孔徑為φ5 mm，孔深20 mm，孔內(nèi)填充耐火泥；同正常連鑄坯一同進入加熱爐進行加熱。鋼板軋制后，根據(jù)耐火泥的分布情況觀察鋼板表面試驗孔洞的位置變化。

(3) 倒角連鑄坯軋制試驗

圖1 連鑄坯的鉆孔位置

為了控制連鑄坯的角部裂紋，提高鋼板的邊部質(zhì)量，開展了新型的倒角結(jié)晶器技術(shù)控制中厚板邊直裂的研究工作。

倒角結(jié)晶器技術(shù)就是使用帶倒角的結(jié)晶器銅板生產(chǎn)帶倒角的連鑄坯。將倒角結(jié)晶器技術(shù)生產(chǎn)的板坯和普通板坯使用常規(guī)的熱軋工藝進行軋制，對比觀察和分析其軋材的質(zhì)量。

結(jié)果及討論

折疊線形成機理

圖2為鋼板邊部折疊線位置的光鏡照片，由圖可知，折疊線延伸到鋼板內(nèi)部的深度達300 μm，其尖端存在大量的氧化原點。

圖2 折疊線光鏡照片

圖3為熱軋板邊部的折疊線在掃面電鏡下的形貌及能譜分析的結(jié)果，寬厚板折疊線邊部折疊線內(nèi)沒有夾雜物，裂紋內(nèi)主要為鐵的氧化物，裂紋尖端附近存在氧化圓點及脫碳層，說明裂紋是在較高溫度下形成的。

圖3 掃面電鏡的結(jié)果

鉆孔試驗生產(chǎn)的鋼板如圖4所示，通過鑄坯鉆孔位置的試驗變化，可以看出鑄坯角部鉆孔位置發(fā)生了一定程度的側(cè)翻(25 mm左右)，并且在距邊部距離和鉆孔位置相同的其他部位出現(xiàn)了多條平行的類似縱裂紋的折疊線。由此可知，鋼板邊部的折疊線缺陷是在軋制過程中因鑄坯角部向表面的側(cè)翻所形成的折疊線。因此，對于同樣規(guī)格的連鑄坯，軋制的鋼板越寬，側(cè)翻量也就越大，相應(yīng)的邊部折疊線缺陷也就距邊部距離越大。

圖4 鉆孔試驗生產(chǎn)的鋼板

研究者認(rèn)為[1]，軋板邊部的裂紋和折疊線的形成過程如圖5所示，由于連鑄坯邊角部的溫度較低，不易變形，導(dǎo)致角部向表面?zhèn)确纬烧郫B線，本研究得到了與其相同的結(jié)論。

圖5 邊部折疊線的形成過程

寬厚板邊部折疊線控制措施

◆ 倒角結(jié)晶器對邊部折疊線的控制

使用倒角結(jié)晶器技術(shù)生產(chǎn)的板坯，如圖6所示，倒角結(jié)晶器技術(shù)生產(chǎn)的鑄坯角部與寬面和窄面均平緩過渡，角部和內(nèi)部質(zhì)量非常好，沒有出現(xiàn)角部裂紋、中間裂紋、中心裂紋以及三角區(qū)裂紋。

圖6 倒角連鑄坯形貌

對常規(guī)直角連鑄坯和倒角連鑄坯，采用相同的軋制工藝進行熱軋，其鋼板的質(zhì)量分布如圖7和圖8。普通直角連鑄坯軋制后其鋼板在距邊部20～50 mm的地方有與鋼板邊部相平行的折疊線，呈單條或多條簇狀，長短不一；倒角連鑄坯軋制后其質(zhì)量很好，沒有出現(xiàn)裂紋和折疊線。

圖7 普通連鑄坯軋制后鋼板表面質(zhì)量

圖8 倒角連鑄坯軋制后鋼板表面質(zhì)量

倒角結(jié)晶器之所以能夠控制寬厚板的折疊線缺陷，其原理在于兩個方面：一方面是改變了鑄坯的形狀；另外一方面是提高了出加熱爐后的連鑄坯和熱送的連鑄坯表面溫度的均勻性，減小角部溫度的降低速率。由于這兩方面的作用，倒角連鑄坯軋制后生產(chǎn)的寬厚板邊部折疊線缺陷可以得到有效的避免。

由于試驗條件的限制，本研究有幾個問題沒有詳加闡述。如倒角連鑄坯角部在軋制過程的形狀的變化和展寬的特點，以及倒角連鑄坯在熱送過程和出加熱爐后的角部溫度變化等問題，還有待進一步的研究。

◆ 其他措施

除此之外，還可以通過以下幾點措施來減輕和控制寬厚板的邊部折疊線缺陷。

① 鋼水純凈度的控制

通過優(yōu)化冶煉工藝來降低鋼水的總氧含量TO，強化精煉和保護澆注操作來控制鋼水的含氮量，以控制鋼中金屬氧化物夾雜含量和Ni、V、Ti等氮化物及碳氮化物的析出。

② 連鑄坯冷卻強度控制

采取不同連鑄坯寬度斷面下的扇形段二冷區(qū)的中心與邊部噴淋的分別控制，進一步減小連鑄坯表面中心位置與角部位置的溫度差，進而提高鑄坯角部在拉矯過程中的表面溫度，以控制鑄坯表面(尤其是邊角部)晶界析出物。

③ 優(yōu)化軋制方式

鋼板展寬程度越大，鋼板邊角部的側(cè)翻量就越大，相應(yīng)的邊部裂紋缺陷就越靠近鋼板中心位置。因此，盡量采用寬連鑄坯生產(chǎn)大寬度鋼板，降低鋼板展寬比，從而減輕寬鋼板在軋制過程存在的邊部不均勻變形程度。

④ 提高板坯加熱均勻性

優(yōu)化板坯加熱工藝，促進第二相質(zhì)點的溶解，并盡可能減小出爐板坯上下面溫差?？捎行Ы档蛙埣舷旅娴淖冃慰沽Σ顒e，從而縮小軋件上下面變形程度的差別，減小軋件邊部的不均勻變形[2]。

⑤ 增加道次軋制壓下量

鋼板在軋制過程中如果道次壓下量不夠大，變形便集中在鋼板表面而使鋼板產(chǎn)生不均勻變形。因此，采取適當(dāng)增加軋制時的道次壓下量，減少軋制道次數(shù)，以提高鋼板變形的程度，降低軋制過程的不均勻變形程度[3]。

結(jié) 論

通過本文的研究和討論，可以得到以下幾點結(jié)論：

(1) 鋼板邊部的多條縱向類裂紋缺陷是由于連鑄坯軋制過程中角部側(cè)翻產(chǎn)生的折疊所造成；

(2) 倒角結(jié)晶器技術(shù)可以有效的控制寬厚板邊部折疊線的問題；

(3) 倒角結(jié)晶器技術(shù)控制寬厚板的折疊線缺陷，主要在于改善連鑄坯的角部形狀和提高連鑄坯表面溫度的均勻性。

[1] Okumura Naoki, Sekiguchi Shoichi. Metallurgical Factors Concerned with Cleavage Fracture of Heavy Plates Produced from Continuously Cast Slabs. ISIJ International, 1983, 23 (8): 30.

[2] Fujiwara A, Isoda T，Nishikawa H, et al. Rating up of Hot Charging of Continuously Cast Slab for Heavy Plate. Iron and Steelmaking,1985, (13): 287-303

[3] 王文軍, 李本海, 朱志遠(yuǎn), 等. 板坯連鑄倒角結(jié)晶器的開發(fā)與應(yīng)用.鋼鐵研究學(xué)報, 2012, 24(9):17-23