型鋼龜裂影響因素及預(yù)防措施

袁 月

(馬鋼股份公司長材事業(yè)部 安徽馬鞍山 243000)

軋制過程中常見的缺陷有多種，龜裂是軋件常見缺陷中較為典型的一種。龜裂是因裂紋在軋件上的宏觀外形呈龜殼網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分布而得名，但是一種表面裂紋，深度較淺。此種缺陷的產(chǎn)生都與鋼坯的化學(xué)成分、鑄坯條件及軋制過程控制有關(guān)。本文以型鋼表面龜裂為研究對象，探究其形成原因，并根據(jù)緣由提出相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施。

1 連鑄坯與軋件裂紋形貌

1.1 連鑄坯裂紋形態(tài)及分類

連鑄坯裂紋常見位置分布及分類如圖1所示。

1.2 軋件裂紋形態(tài)

由圖1.2可看出，龜裂裂紋出現(xiàn)頻率較高的部位為角鋼腿部、槽鋼腹板表面。圖片均為成品角鋼和槽鋼，根據(jù)表面裂紋的深度，可以判斷，在軋制過程中裂紋一直伴隨存在。

圖1 連鑄坯裂紋位置及分類

圖2 角鋼、槽鋼龜裂形貌

2 影響龜裂形成的因素

2.1 化學(xué)成分

研究表明，鋼水的化學(xué)成分, 特別是當(dāng)中的碳、硫、磷、錳等元素對鑄坯及軋后成品的表面質(zhì)量有顯著的影響。

2.1.1 碳含量

在碳鋼中，碳含量對鋼的熱裂紋敏感性影響較大。碳含量越高，軋制溫度范圍越窄，且鋼的塑性越差。含碳量過高，鋼中會析出自由滲碳體和萊氏體，從而使鋼的塑性下降，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2.1.2 硫含量

硫元素對鋼的熱裂紋敏感性影響顯著。硫在鋼中以FeS的形式存在，然而FeS和Fe易形成熔點(diǎn)較低(僅有985℃)的共晶體，當(dāng)鋼在1100～1200℃進(jìn)行軋制時, 分布于晶界的低熔點(diǎn)共晶體固熔化而導(dǎo)致開裂，出現(xiàn)S的“熱脆”現(xiàn)象。

2.1.3 磷含量

磷元素在鋼液凝固時偏析傾向大，使鋼的晶界脆化，熱裂紋傾向增加，是導(dǎo)致中心偏析及疏松，形成連鑄坯中部裂紋的主要原因，也是高溫軋制時，造成軋件開裂的重要原因。研究表明，腹板裂紋處存在大量硫、磷含量較高的氧化質(zhì)點(diǎn)。

2.1.4 錳含量

在鋼液凝固時，Mn可與S形成高熔點(diǎn)塑性化合物MnS，對S起到固化作用，降低了S的高溫脆性影響。MnS為高溫塑性非金屬夾雜，在軋制過程中，沿軋制方向延展，呈大尺寸長條狀，易形成裂紋源[3]。理論上[1]，Mn/S比達(dá)到7時，即可阻止FeS生成。圖2[2]為普碳鋼生產(chǎn)中錳硫比及含碳量與鑄坯內(nèi)部縱裂指數(shù)的關(guān)系。

2.1.5 硅含量

硅含量偏低時，鋼水流動性差，鋼中硅酸鹽及硅酸鹽與硫化物復(fù)合夾雜物上浮效果欠佳，易導(dǎo)致非塑性夾雜形成的裂紋。

圖3 鑄坯錳硫比及含碳量與縱裂指數(shù)關(guān)系的關(guān)系

2.2 連鑄工藝

研究表明[4]，鑄坯內(nèi)裂紋的形成、擴(kuò)展，主要受鑄坯拉速、鋼水過熱度、凝固前沿溫度梯度等工藝參數(shù)影響，凝固過程的連續(xù)性決定裂紋生成、擴(kuò)展的可續(xù)性。

2.2.1 凝固前沿溫度梯度

在生產(chǎn)連鑄坯時，凝固前沿溫度梯度過大，則凝固的組織為粗大的柱狀晶，易出現(xiàn)中間裂紋和中心裂紋。同時，粗大的柱狀晶易形成晶間搭橋，產(chǎn)生晶間空隙，導(dǎo)致中心疏松，形成裂紋源，造成軋后裂紋的產(chǎn)生。

2.2.2 拉坯速度

拉坯速度是改善鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。拉速過大，鑄坯液相穴深，易搭橋形成中心偏析。同時拉速大，使得鑄坯表面溫度高，凝固殼厚度薄，從而增加中心偏析和裂紋出現(xiàn)的可能。

2.2.3 鋼水過熱度

鋼水過熱度高，兩相區(qū)溫度梯度大，有利于柱狀晶生長，抑制細(xì)化晶粒形成，易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

2.3 軋制工藝

軋鋼可明顯改善連鑄坯的組織缺陷，有助于連鑄坯內(nèi)部氣泡、裂紋焊合，且能夠改善鑄態(tài)疏松，使金屬的致密性增加。通常情況下，軋制過程不會產(chǎn)生軋裂缺陷。[6]但是，軋鋼工藝中一些加熱缺陷、孔型系統(tǒng)設(shè)計不合理、軋輥材質(zhì)不合適也會導(dǎo)致軋制過程出現(xiàn)裂紋。

2.3.1 加熱缺陷

鑄坯在加熱爐內(nèi)加熱過程中，持續(xù)高溫，鋼的晶粒長大到一定程度時，晶粒間結(jié)合力減弱，鋼的塑性和韌性變差，即為鋼的過熱。鑄坯過熱后，進(jìn)行軋制易產(chǎn)生裂紋。若鋼溫繼續(xù)升高，達(dá)到鐵碳平衡圖的液相線時，鋼的晶粒邊界便開始熔化，結(jié)晶組織遭到破壞，因而，失去金屬應(yīng)該具有的塑性和強(qiáng)度，即為鋼的過燒現(xiàn)象，則在隨后的軋制過程中易鋼坯折斷和碎裂，造成堆鋼事故。圖2.2反映了軋制工藝對連鑄坯高溫塑性的影響。

2.3.2 孔型系統(tǒng)

在型鋼生產(chǎn)中，由于軋制道次少，產(chǎn)品規(guī)格大，在孔型設(shè)施中延伸系數(shù)較小，則表面金屬流動性較差，且使鋼坯表面及內(nèi)部裂紋愈合能力較弱，導(dǎo)致軋制過程中出現(xiàn)的裂紋無法焊合。

2.3.3 軋輥材質(zhì)

普通鑄鐵軋輥易存在夾渣、夾砂、冷隔分離、浮漂及組織疏松等鑄造缺陷，軋輥輥身硬度不均勻、不穩(wěn)定且耐磨性差。軋輥經(jīng)過長時間軋制，磨損嚴(yán)重，且磨損后產(chǎn)生凸起，凸起反應(yīng)到中間料上, 使中間料表面出現(xiàn)凹坑，延伸后形成長短不一的裂紋。

圖4 變形溫度對連鑄坯高溫塑性RA、抗拉強(qiáng)度ST的影響[5]

3 預(yù)防措施

根據(jù)上述分析，鋼水化學(xué)成分及連鑄工藝是軋制過程中產(chǎn)生龜裂的內(nèi)因，軋制工藝則是可控外因。為了減少型鋼龜裂缺陷的產(chǎn)生，可以對以上因素進(jìn)行調(diào)整控制。

3.1 煉鋼工藝控制

3.1.1 提高鋼水純凈度

所謂鋼水純凈度是指鋼中[S]、[P]、[O]等有害雜質(zhì)元素的含量和鋼中夾雜物的水平。軋制過程中，鑄坯表面及內(nèi)部的夾雜物附近可能形成應(yīng)力集中和拉應(yīng)力。當(dāng)夾雜物與軋件基體之間冶金結(jié)合強(qiáng)度不夠時，兩者會發(fā)生分離而形成裂紋源，同時，夾雜物也可能發(fā)生破碎而直接形成裂紋源。為了減少夾雜物總量，上述這些元素主要是在煉鋼過程中去除，應(yīng)控制Mn/Si≥2.5，Mn/S≥15；保證吹氬效果，將吹氬時間延長1分鐘，使鋼水亮點(diǎn)直徑達(dá)到200～400mm，促進(jìn)夾雜物上浮；采用鋁脫氧的方法控制普碳鋼總氧含量范圍為30～50ppm；保證鋼水鎮(zhèn)靜時間≥10分鐘。

3.2 連鑄工藝控制

連鑄坯質(zhì)量是軋制合格型鋼的先決條件，更是關(guān)鍵因素。為了減少型鋼龜裂缺陷的產(chǎn)生，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)。

為了使鋼水不受污染，減少夾雜物，要保證鋼包、中包、結(jié)晶器、保護(hù)渣清潔干燥，同時減少澆注過程中卷渣，進(jìn)行保護(hù)澆注，防止鋼進(jìn)行二次氧化。

除此之外，鋼水過熱度不宜過高，冷卻強(qiáng)度不宜過大。在連鑄坯生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器內(nèi)坯殼溫度梯度非常大，鑄坯組織為細(xì)小的等軸晶，鑄坯表層少見裂紋；然而二冷區(qū)坯殼溫度梯度比結(jié)晶器內(nèi)小很多，鑄坯組織為粗大的柱狀晶，易出現(xiàn)中間裂紋和中心裂紋。因此合理控制二冷水量，可使鑄坯的晶粒組織細(xì)化，以抵抗裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。[4]

二冷配水應(yīng)采用弱水條件，以免鑄坯內(nèi)外溫差過大，熱應(yīng)力增大產(chǎn)生鑄坯裂紋。圖3.1為Q235凝固前沿溫度梯度?？梢姡谌跛畻l件下，鑄坯溫度變化較小，溫度梯度較小，鑄坯的坯殼凝固前沿溫度梯度比較小。

圖5 為Q235凝固前沿溫度梯度

3.3 軋制工藝控制

由于軋件在軋制過程中，存在軋制壓力分布不均和與軋輥表面的相對滑動，表面裂紋可能發(fā)生閉合、擴(kuò)展、甚至是再閉合、再擴(kuò)展。然而，軋制變形區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力有利于裂紋閉合，拉應(yīng)力則會導(dǎo)致裂紋發(fā)生擴(kuò)展。為此，將軋制變形區(qū)劃分為4個部分，如圖3.2所示。在軋制變形區(qū)入口階段，軋件表面均出現(xiàn)壓應(yīng)力，而在前滑區(qū)附近出現(xiàn)拉應(yīng)力。若前滑區(qū)內(nèi)拉應(yīng)力過大，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展；若裂紋區(qū)已明顯氧化，或有破碎的夾雜物，即使存在壓應(yīng)力，也難使裂紋區(qū)域發(fā)生較好的冶金結(jié)合。

圖6 A1:入口區(qū)；A2:后滑區(qū)；A3:前滑區(qū)；A4:出口區(qū)

雖然型鋼軋制產(chǎn)生龜裂的主要原因并不是軋制工藝控制不當(dāng)所致，但保證產(chǎn)品質(zhì)量，盡量做到：嚴(yán)格控制爐子溫度、鋼坯的加熱溫度、高溫階段的加熱時間，防止鋼坯過熱奧氏體晶粒過于粗大，形成魏氏組織，降低Waq鋼的塑性，加熱爐爐溫最高不得高于1320℃；爐內(nèi)氣氛為弱還原性氣氛、爐壓為微正壓防止吸入空氣，減少鋼坯氧化、脫碳，減少回爐鋼；在軋制作業(yè)線出現(xiàn)故障時及時調(diào)整爐況。

4 結(jié)語

本文以型鋼表面龜裂為研究對象，通過分析，得出化學(xué)成分及連鑄工藝是型鋼表面產(chǎn)生龜裂缺陷的主要原因，加熱爐加熱溫度的控制也是重要原因。就以下因素，提出了煉鋼工藝、連鑄工藝及軋制工藝三方面的預(yù)防措施，確保連鑄坯的質(zhì)量，從而減少軋制后成品型鋼表面龜裂缺陷。