高強(qiáng)帶鋼表面缺陷分析

于 洋，高 磊，鐘莉莉，馬小軍，景 鶴，王尊呈

(鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為下游工序的原材料熱軋帶鋼強(qiáng)度要求愈來愈高，熱軋帶鋼領(lǐng)域成分設(shè)計(jì)微合金化日益普及，在熱軋鋼帶強(qiáng)度提高的同時(shí)，也帶來鋼帶表面邊部質(zhì)量惡化，這與下游客戶日益提高成材率、減少工序、改進(jìn)工藝、提高效率形成鮮明矛盾。本文通過多年生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究，分析帶鋼表面缺陷的形成原因及演變規(guī)律，并加以有效控制。

1 高強(qiáng)熱軋帶鋼表面缺陷種類

經(jīng)過多年生產(chǎn)和實(shí)踐總結(jié)，高強(qiáng)熱軋帶鋼表面邊部缺陷共計(jì)有四種典型狀態(tài)：邊部翹皮、邊部縱裂、邊線、邊部橫裂，具體形貌見圖1～4。缺陷位置均位于熱軋帶鋼邊部的上下表面20～50 mm范圍內(nèi)，經(jīng)常存在于上表面的單側(cè)或雙側(cè)，有時(shí)也存在于下表面的單側(cè)或雙側(cè)，也就是說在鋼帶的上下表面的邊部的4個(gè)位置均有出現(xiàn)，上表面概率大一些。

邊部翹皮、邊部縱裂是鑄坯角部橫裂和縱裂經(jīng)過軋制演變的，邊線、邊部橫裂是在軋鋼工序表現(xiàn)出來的。邊線為鑄坯角部溫度低，經(jīng)過立輥和水平輥翻平寬展后形成的，橫裂是軋制變形過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料熱塑性引起的開裂。

由于企業(yè)高強(qiáng)鋼比例增加，鋼帶邊部缺陷成為企業(yè)不可忽視的難題，圖5為高強(qiáng)鋼連續(xù)3年發(fā)生缺陷概率圖。

圖1 邊部翹皮

圖2 邊部縱裂

圖3 邊線

圖4 邊部橫裂

圖5 高強(qiáng)鋼發(fā)生缺陷概率圖

由于熱軋帶鋼表面邊部缺陷發(fā)生概率最高達(dá)10%左右，在高溫、高速軋制工藝條件下，缺陷不能被100%發(fā)現(xiàn)，極易影響下游客戶的生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，為此各冶金工廠均投入一定技術(shù)力量解決此類問題。

2 高強(qiáng)帶鋼典型表面邊部缺陷連鑄工序原因分析

帶鋼邊部表面缺陷來源主要為連鑄坯的縱向和橫向裂紋，其次為軋鋼過程鋼帶邊部變形應(yīng)力超過材料塑性能力導(dǎo)致。連鑄過程能夠產(chǎn)生鑄坯縱裂和橫裂的原因有鋼種的內(nèi)在原因，也有工藝條件的外在原因。由于高強(qiáng)鋼的一些特殊性能指標(biāo)要求，對(duì)材料化學(xué)成分有特殊要求，為了提高強(qiáng)度和韌性往往需要在材料中添加一定數(shù)量的C、Mn、Nb、V、Ti，這些成分的加入通常引起相變過程改變和材料塑性降低，由于鑄坯邊角部溫度低進(jìn)一步惡化材料塑性，導(dǎo)致容易出現(xiàn)邊角部縱橫裂[1]。

2.1 化學(xué)成分對(duì)鑄坯邊角部缺陷影響

鋼中碳含量對(duì)連鑄坯表面縱裂的影響主要體現(xiàn)在鋼水凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)，當(dāng)碳含量在包晶區(qū)時(shí)，鋼水的凝固收縮不僅有熱收縮，還有相變產(chǎn)生的體積收縮，其在凝固點(diǎn)附近體積收縮率大，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，坯殼與結(jié)晶器壁之間產(chǎn)生較大的空隙，導(dǎo)致坯殼表面凹陷加深，凹陷處增加裂紋出現(xiàn)的幾率。Mn、S對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生也有影響，S能與Fe形成低熔點(diǎn)(985℃)熱脆性共晶體，并在晶界析出，使鋼的延伸率顯著降低。由于Mn與S的親合力大于Fe與S的親合力，在凝固時(shí)形成MnS，MnS熔點(diǎn)比FeS高得多，可以改善鋼的熱塑性。高強(qiáng)鋼中的Nb、V、Ti含量對(duì)連鑄坯裂紋有顯著影響，連鑄過程中， Nb、V和Ti均能與N結(jié)合，形成細(xì)小顆粒，對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展有一定的促進(jìn)作用，碳氮化物在鑄坯冷卻過程中沿晶界析出成為應(yīng)力集中源并形成微孔，微孔聚合形成細(xì)小裂紋，在矯直拉力作用下裂紋擴(kuò)展，形成鑄坯邊角部裂紋。

2.2 連鑄工藝對(duì)連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生的影響

中間包鋼水過熱度對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生影響，過熱度高，連鑄坯柱狀晶粗大，生成的坯殼薄，加劇了晶間裂紋產(chǎn)生。保護(hù)渣對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生的影響，用高熔點(diǎn)、高粘度、高堿度的保護(hù)渣，可減少結(jié)晶器彎月面熱流量，對(duì)易粘結(jié)漏鋼的鋼種宜選用低熔點(diǎn)、低粘度、低堿度的保護(hù)渣。

浸入式水口深度及結(jié)晶器液面波動(dòng)對(duì)連鑄坯裂紋也有影響，浸入式水口插入過深，裂紋指數(shù)增加，因?yàn)閺膬蓚€(gè)側(cè)孔出來的鋼水帶到彎月面上的熱量不足，使保護(hù)渣不能均勻熔化；浸入式水口的插入深度過淺，使液面波動(dòng)大，將阻礙液渣均勻流入結(jié)晶器與坯殼之間的空隙，導(dǎo)致坯殼凝固不均勻，引起表面裂紋[2]。

結(jié)晶器液面波動(dòng)與裂紋的產(chǎn)生有著密切關(guān)系，結(jié)晶器液面波動(dòng)較大時(shí)，造成液渣層厚薄不均勻，液渣不能均勻的流入空隙，造成傳熱不均和傳熱變化，導(dǎo)致裂紋發(fā)生。結(jié)晶器材質(zhì)、錐度、冷卻強(qiáng)度對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生也有影響，連鑄結(jié)晶器是寬面基本平行、窄面帶有倒錐度的寬窄面銅板和結(jié)晶器足輥構(gòu)成的組合式結(jié)晶器，結(jié)晶器在澆鑄過程中，由于長(zhǎng)時(shí)間受熱應(yīng)力和外力的作用，難免會(huì)使結(jié)晶器銅板和足輥發(fā)生磨損、變形或位移，達(dá)不到連鑄工藝要求，使初生坯殼在結(jié)晶器中的成長(zhǎng)受到阻礙或坯殼受到損傷，從而導(dǎo)致連鑄坯邊裂缺陷。

連鑄過程二冷強(qiáng)度對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生的影響最直接，二冷水量的控制是連鑄坯質(zhì)量控制的重要工藝參數(shù)之一，如果過度增大二冷冷卻能力，會(huì)造成連鑄坯表面溫降較快，斷面內(nèi)溫度梯度增大，使坯殼薄處應(yīng)力集中，若超過極限即發(fā)生裂紋。

拉速對(duì)連鑄坯裂紋產(chǎn)生一定程度影響，拉速波動(dòng)大會(huì)造成結(jié)晶器熱流波動(dòng)大，加劇熱應(yīng)力，同時(shí)結(jié)晶器熱流的變化有特定的滯后時(shí)間，由此造成結(jié)晶器溫度的滯后，影響坯殼厚度不均勻，在薄弱處易產(chǎn)生裂紋；拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度減薄，坯殼溫度也高，使得坯殼的斷裂強(qiáng)度降低，容易出現(xiàn)裂紋。拉速太低會(huì)導(dǎo)致坯溫過低而破壞鑄機(jī)精度，出現(xiàn)各類裂紋[3]。

可見高強(qiáng)帶鋼邊部的裂紋與連鑄工藝設(shè)備有關(guān)，例如過熱度、保護(hù)渣、水口深度、液面波動(dòng)、連鑄各段設(shè)備精度、連鑄坯冷卻、拉速波動(dòng)。減少鑄坯邊部缺陷，要做好以上各項(xiàng)工作，并最優(yōu)化各項(xiàng)因素。

3 軋制過程連鑄坯表面裂紋演變行為

由上述分析可知，由于多種原因連鑄坯表面可能會(huì)產(chǎn)生裂紋。對(duì)于有嚴(yán)重表面裂紋的鑄坯，一般需要進(jìn)行清理才能進(jìn)行軋制。然而，有些裂紋沒有被發(fā)現(xiàn)和清理，其在軋制過程的演變?nèi)缦隆?/p>

單道次軋制過程，當(dāng)裂紋通過前滑區(qū)和后滑區(qū)階段軋件表面會(huì)交替出現(xiàn)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，壓應(yīng)力有利于軋件表面裂紋閉合，而拉應(yīng)力則可能導(dǎo)致軋件表面裂紋發(fā)生擴(kuò)展。多道次軋制也就是重復(fù)上述軋制過程。因此實(shí)際生產(chǎn)過程中，連鑄板坯表面裂紋可能在軋制過程中消失、殘留、擴(kuò)大，見圖6所示。軋制焊合、展平均在鋼帶表面不產(chǎn)生影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，未展平是鑄坯缺陷的改善，重皮是鑄坯缺陷的惡化。

軋制工藝對(duì)改善鑄坯先天帶來的缺陷也相當(dāng)重要，一些缺陷可以通過改善軋制工藝進(jìn)行修繕和軋制焊合、展平。

4 軋制過程產(chǎn)生裂紋缺陷分析

軋制過程也和連鑄過程一樣，由于材料本身的塑性原因，當(dāng)材料在軋制變形時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度，材料就會(huì)在鋼帶表面出現(xiàn)裂紋，該裂紋在以后軋制的過程中表現(xiàn)為各類缺陷形態(tài)，典型的就像前面提到的線狀和橫裂紋。軋制過程中產(chǎn)生軋制拉裂與材料成分、塑性、單道次軋制變形量、軋制溫度、加熱工藝、水系統(tǒng)控制有關(guān)?，F(xiàn)代冶金行業(yè)通過實(shí)踐摸索已經(jīng)掌握了煉鋼和軋鋼工序裂紋缺陷的各類檢驗(yàn)和區(qū)分方法，同時(shí)對(duì)各類缺陷制定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地指導(dǎo)各行業(yè)用戶對(duì)裂紋缺陷規(guī)避使用。

材料本身成分和塑性對(duì)軋制裂紋有影響，圖7列出高強(qiáng)微合金強(qiáng)化鋼塑性變化曲線?？梢钥闯鰺崴苄郧€在750～800 ℃時(shí)材料斷面收縮率最低為36%，在此溫度區(qū)間軋制極易達(dá)到材料的塑性極限，造成鋼帶表面拉裂。

圖7 高強(qiáng)鋼熱塑性曲線

材料壓下率對(duì)鋼板表面拉裂也有影響，軋制過程出現(xiàn)表面拉裂的變形機(jī)理是由于鋼板表面金屬與軋輥之間存在瞬間粘合區(qū)域，在壓下量增加的情況下，同一材料在相同軋制溫度條件下會(huì)達(dá)到臨界壓下量，臨界壓下量既是壓下量達(dá)到一定程度鋼帶表面與軋輥之間粘合力在鋼帶表面產(chǎn)生的剪切力超過材料的剪切強(qiáng)度，鋼帶表面出現(xiàn)裂口，材料出現(xiàn)拉裂情況的往往在壓下率最大的連軋機(jī)第一架軋機(jī)發(fā)生。在實(shí)際生產(chǎn)中為了控制拉裂出現(xiàn)往往通過改變中間坯厚度來改善，表1是管線鋼X70某規(guī)格產(chǎn)品各軋機(jī)實(shí)際壓下量調(diào)整后摸索出臨界壓下量對(duì)應(yīng)表格。

通過表1可以得到該規(guī)格高強(qiáng)鋼軋制時(shí)出現(xiàn)表面拉裂的臨界壓下量為8.42 mm，因此為了避免表面拉裂的發(fā)生，單機(jī)架絕對(duì)壓下量要低于8.42 mm。

表1 X70臨界壓下量表

注：裂紋缺陷數(shù)字越大代表缺陷程度越嚴(yán)重，0代表表面沒有拉裂。

5 軋制過程裂紋缺陷金相解剖檢驗(yàn)

對(duì)鋼板表面拉裂缺陷進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表2，可見拉裂后形成的裂紋缺陷垂直于鋼帶軋制方向，裂紋表面長(zhǎng)度4.90～8.74 mm，裂紋根部長(zhǎng)度0.62～1.27 mm，裂紋深度1.10～1.96 mm。

鋼帶表面典型拉裂缺陷見圖9，對(duì)該裂紋缺陷進(jìn)行解剖分析，裂紋橫截面拋光和腐蝕情況，見圖10、圖11，可見拉裂方向與軋制方向相同，在腐蝕后的金相照片上明顯可見軋制的流線痕跡。對(duì)裂縫處進(jìn)行能譜分析(見圖12)，化學(xué)成分主要為氧和鐵(見圖13)。

低倍、解剖、能譜分析，裂紋兩側(cè)有流線痕跡，能譜分析為氧化物，具備了軋制裂紋缺陷特征，充分證明高強(qiáng)鋼軋制溫度和壓下量是必須重點(diǎn)控制的工藝參數(shù)。

表2 裂紋檢測(cè)結(jié)果

圖9 缺陷形貌圖

圖10 裂紋拋光形貌圖

圖11 裂紋腐蝕形貌軋制痕跡

圖12 裂紋能譜分析點(diǎn)

圖13 裂紋能譜成分分析

6 結(jié)論

(1)邊部典型缺陷有邊部翹皮、邊部縱裂、邊線、邊部橫裂。其中邊部翹皮、邊部縱裂屬連鑄工序產(chǎn)生缺陷，邊線屬鑄坯角部在軋制過程表現(xiàn)出來的，邊部橫裂屬軋鋼工序拉裂產(chǎn)生的。

(2)連鑄工序鑄坯角部產(chǎn)生裂紋與鑄坯化學(xué)成分、連鑄工藝有關(guān)。合理設(shè)計(jì)鋼種的化學(xué)成分和保護(hù)渣成分、水口深度、結(jié)晶器椎度、拉速、冷卻速度等能夠有效規(guī)避鑄坯邊角部缺陷的發(fā)生。連鑄工序產(chǎn)生鑄坯邊角部缺陷在軋鋼工序絕大部分會(huì)得到減輕和修復(fù)，也有嚴(yán)重的缺陷在后續(xù)的軋制過程暴露。

(3)軋鋼過程產(chǎn)生的邊線和橫向拉裂原因與材料本身塑性有關(guān)，均是在低溫條件下壓下量達(dá)到帶鋼塑性極限出現(xiàn)的拉裂。可以通過優(yōu)化調(diào)整各軋機(jī)實(shí)際壓下量予以改進(jìn)。軋鋼工序產(chǎn)生的拉裂缺陷在解剖檢驗(yàn)中具備流線痕跡和能譜分析只有鐵和氧成分明顯特點(diǎn)。