含硼鋼邊裂缺陷成因研究

供稿|杜洪志，王亞芬 / DU Hong-zhi, WANG Ya-fen

SS400含硼鋼的生產(chǎn)一般是在普通鋼材中加入0.0008%～0.0030%的硼元素。雖然對(duì)強(qiáng)度影響并不大，但是通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)加入硼元素后鋼材卻容易出現(xiàn)邊裂缺陷，稱為影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要問題。因此提高含硼鋼的質(zhì)量，減少邊裂缺陷尤為重要[1-3]。

本鋼薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)的含硼鋼板，因?yàn)檫吜讶毕?，造成了熱軋卷降?jí)、報(bào)廢，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。本文通過宏觀分析，借助金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)，測(cè)定含硼鋼邊部裂紋缺陷處的微觀結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行定性分析，探查邊裂缺陷產(chǎn)生的原因，進(jìn)而探討消除或減輕邊裂缺陷的主要措施。

表1 含硼鋼SS400的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料取自本鋼薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)的含硼鋼SS400，化學(xué)成分見表1，工藝流程為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(LF)→連鑄→輥底式爐加熱→粗軋→精軋→控制冷卻→卷取→檢驗(yàn)入庫。

首先在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)熱軋板及板坯上邊部裂紋缺陷部位的宏觀形貌，然后從熱軋鋼板上截取需要研究分析的缺陷部位，經(jīng)砂紙研磨、拋光并用4%硝酸酒精腐蝕后，制備成金相樣品。接著用光學(xué)顯微鏡觀察其金相組織。然后經(jīng)酒精超聲波清洗并吹干后，用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分別觀察邊裂缺陷部位與正常部位的表面形貌，并采用X射線能譜儀(EDS)做微觀區(qū)域元素的定性和定量分析，并使用點(diǎn)掃描微觀區(qū)域進(jìn)行成分分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

缺陷的宏觀分析

熱軋帶鋼邊裂缺陷是指鋼板邊緣沿長度方向的一側(cè)或兩側(cè)出現(xiàn)破裂，其裂口處有氧化色或夾雜缺陷，嚴(yán)重者鋼板邊部全長呈鋸齒[4]，詳見圖1。其中圖1(a)顯示為本鋼某批次生產(chǎn)的含硼鋼SS400中比較嚴(yán)重邊裂缺陷的實(shí) 物圖，可見熱軋板邊部嚴(yán)重破邊、有氧化色，而另一側(cè)無邊裂。同時(shí)在熱軋板卷出現(xiàn)邊裂缺陷的爐次中取鑄坯試樣，發(fā)現(xiàn)鑄坯的邊部存在明顯的橫裂紋，如圖1(b)所示。紅色方框內(nèi)可見該鑄坯垂直于長度方向有多條橫裂紋，裂紋自邊部向?qū)捗嫜由?～10 mm，向窄面延伸2～8 mm，裂紋首先在鑄坯的棱邊誘發(fā)，然后向鑄坯內(nèi)部擴(kuò)展。

圖1 含硼鋼熱軋板邊裂及鑄坯表面橫裂紋的宏觀形貌圖

缺陷的 表面微觀分析

在熱軋鋼板邊裂缺陷處截取金相試樣，用顯微鏡觀察其金相組織，詳見圖2(a)，即邊裂樣品腐蝕后的金相組織照片。試樣表面至裂紋延伸至鋼板內(nèi)部的尖端處距離約為400 μm，基體組織為鐵素體和珠光體 ，裂紋處組織脫碳明顯。放大到500倍金相照片，如圖2(b)所示，基體與裂紋結(jié)合處有寬度為5～30 μm的氧化物夾雜帶。

為判斷夾雜物的成分，將金相試樣進(jìn)一步放在掃描電鏡下觀察。在掃描電鏡放大到200倍下的背散射電子像形貌，非常立體的展現(xiàn)了冷軋板基板和缺陷部位為兩種不同的成分像，基體為深灰色，裂紋為黑色條狀，詳見圖3(a)。采用X射線能譜儀對(duì)裂紋處進(jìn)行點(diǎn)掃描，可以看出裂紋處黑色物質(zhì)含有O和Fe等元素，詳見圖3(b)，推斷裂紋內(nèi)主要為氧化鐵碎塊。

圖2 熱軋板邊裂缺陷金相組織圖

綜上所述推斷熱軋板卷出現(xiàn)的該類邊裂缺陷極大可能來源于連鑄坯橫裂紋。在加熱過程中裂紋處氧化脫碳，氧化不嚴(yán)重的分支裂紋軋制過程中可以焊合。而主裂紋氧化嚴(yán)重，軋制過程中受氧化層阻隔而無法完全軋合，最終在邊部形成裂紋。氧化物夾雜帶很可能為鑄坯 裂紋加熱過程中氧化，軋制后形成了氧化物夾雜帶分布在裂紋兩側(cè)。邊部裂紋的形態(tài)與裂紋深度和鋼板的變形程度相關(guān)。

減少含硼鋼熱軋板卷邊部裂紋缺陷的關(guān)鍵就是要降低原料鑄坯的橫裂 紋，而影響原料鑄坯橫裂紋的因素有很多。首先是化學(xué)成分，含硼鋼中的硼優(yōu)先于鋁元素而和氮元素在晶界沉淀生產(chǎn)BN，在γ晶界上顆粒間空隙十分細(xì)小的BN有效地鎖住晶界，阻礙原生γ晶界滑脫引起晶粒間斷裂，從而降低了鋼的熱塑性，故含硼微合金鋼的第三脆性區(qū)間深而寬。然而邊角部過冷連鑄坯在經(jīng)過連鑄和熱軋時(shí)，很容易處于這一溫度范圍，故而極易導(dǎo)致橫裂紋的產(chǎn)生。其次除與鋼的成分有關(guān)外，還與板坯進(jìn)加熱爐溫度低、邊角降溫大及工況條件密切相關(guān)[5-7]。

根據(jù)含硼鋼邊部裂紋缺陷的成因分析，及本鋼煉鋼廠生產(chǎn)實(shí)際工藝的大量實(shí)踐，采取以下措施以消除或降低邊部裂紋缺陷的產(chǎn)生。通過大量工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，鑄坯邊部裂紋有較大改善，熱板邊裂缺陷率顯著降低。其改進(jìn)工藝措施如下：

1) 控制N含量，將硼鐵的加入時(shí)機(jī)調(diào)整到Ca-Fe線進(jìn)行變性處理之后，以降低B和N結(jié)合的幾率，從而減少BN的生成。

2) 加鈦固氮，利用Ti與N反應(yīng)析出TiN的溫度高于B和N反應(yīng)的溫度，調(diào)整煉鋼工藝，在冶煉加入硼鐵之前先加入適量Ti進(jìn)行固氮，以減少N和B的結(jié)合。

3) 優(yōu)化連鑄二冷工藝，盡可能控制鑄坯角部矯直溫度大于900℃，板坯側(cè)面入爐溫度大于915℃。

4) 控制結(jié)晶器操作?？刂埔好娌▌?dòng)在±(3～5)mm的水平，穩(wěn)定液面操作；避免浸入式水口的堵塞及偏流；合適保護(hù)渣的控制和消耗等。

圖3 邊裂缺陷的SEM背散射電子像形貌以及定性分析的能譜圖

結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)分析及生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)于含硼鋼邊裂缺陷問題的原因及工藝改進(jìn)，可以得出以下結(jié)論：

1) 含硼鋼的此類邊裂缺陷樣品裂紋處脫碳嚴(yán)重，基體與裂紋結(jié)合處有氧化物夾雜帶。

2) 含硼鋼的此類邊裂缺陷是由于連鑄坯邊部產(chǎn)生橫裂紋，經(jīng)加熱后裂紋氧化，軋制后不能焊合，導(dǎo)致熱軋板形成邊裂缺陷。

3) 通過控制含硼鋼中氮含量、加鈦固氮等手段調(diào)整SS400的成分，優(yōu)化連鑄二冷工藝，控制結(jié)晶器操作等措施，可以有效地消除或減輕此類邊裂缺陷的產(chǎn)生。

[1] 王宏霞, 王俊海. 熱軋鋼帶邊裂原因分析. 山東冶金，2007 (S1) ：70-71.

[2] 田鵬, 尹志堯, 李吉偉，等. 熱軋帶鋼邊部缺陷成因及控制研究. 北方釩鈦，2012 (3) ：30-34.

[3] 蘇篤星, 馬建超, 夏翁偉，等. 加硼鋼連鑄坯中間裂紋缺陷的改善.煉鋼，20 13 (3) ：19-22.

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[5] 蔡開科. 連鑄坯質(zhì)量控制. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2010.

[6] 王雅貞. 新編連鑄鋼工藝及設(shè)備. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2007.