含錳鋼表面裂紋成因分析及控制

海 燕，石少玲，朱匯兵

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前 言

山東壽光巨能特鋼有限公司近期生產(chǎn)的含錳鋼經(jīng)軋制成鋼材后，圓鋼表面存在批量裂紋情況。例如CM690鋼裂紋比率最高達(dá)17%。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋沿軋制方向分布，長短不一，裂紋最大深度25 mm。高倍顯微鏡下檢測發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)存在脫碳現(xiàn)象，靠近裂紋底部區(qū)域存在大量的鐵素體偏析條帶。通過對CM690為代表的含錳鋼進(jìn)行相關(guān)分析，探尋錨鏈鋼表面裂紋的形成原因并制定預(yù)防措施。

2 CM690鋼的生產(chǎn)工藝

工藝流程：采用80% 高爐鐵水熱裝→80 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→70 t LF 爐外精煉→VD 真空脫氣→R17 m 三機(jī)三流連鑄機(jī)連鑄產(chǎn)Φ600 mm 連鑄坯→熱送（冷送）→雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐→高壓水除鱗→Φ1 350 mm 二輥可逆開坯機(jī)→Φ950 mm 精軋機(jī)→熱鋸鋸切→冷床收集→入坑緩冷→出表面檢查→內(nèi)部超探→包裝→計量、標(biāo)識、入庫。

CM690鋼的化學(xué)成分控制范圍如表1所示。

表1 CM690鋼化學(xué)成分

3 裂紋缺陷分析

將表面檢查過程發(fā)現(xiàn)的裂紋取樣，鋼材直徑130 mm，裂紋長度約200 mm，最大深度25 mm，裂紋縱向經(jīng)熱酸浸蝕后的形貌如圖1 所示。裂紋不連貫，內(nèi)部存在封閉的缺陷，裂紋高倍組織形貌如圖2所示。裂紋與鋼材表面傾角大約60°，裂紋兩側(cè)存在一定程度的脫碳現(xiàn)象，隨著裂紋往鋼材內(nèi)部的不斷延伸，脫碳現(xiàn)象逐漸減輕，直至圖1中A2位置，后續(xù)裂紋不存在脫碳；靠近裂紋底部位置存在大量的鐵素體條帶。圖3 為熱酸浸蝕后裂紋內(nèi)部封閉區(qū)域高倍組織形貌，圖3右側(cè)圖片為裂紋整體金相組織照片，該部位裂紋兩邊沒有脫碳層，左側(cè)向上擴(kuò)展的裂紋尖端是沿著鐵素體條擴(kuò)展的，且上方的鐵素體條明顯；中間粗大裂紋兩邊原來是合在一起的。圖3 左邊兩圖片為裂紋底部位置金相組織形貌，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋尖端上部存在許多孔洞，孔洞內(nèi)部存在球形顆粒，對該區(qū)域進(jìn)行EDS 能譜分析，其中圖3 左下方圖片中位置1 為裂紋尖端的孔洞中的3 個球形顆粒，主要含O、Si、Mn 三種元素；在裂紋尖端內(nèi)部，點(diǎn)2包含O、Si、Al、S、Ti、Mn；在點(diǎn)3位置出現(xiàn)和點(diǎn)1相同的元素，即O、Si、Mn。EDS結(jié)果表明裂紋尖端存在氧化鋁、硫化物、含Si、Mn 夾雜物和含Ti夾雜物。

圖1 熱酸浸蝕后裂紋橫截面形貌

圖2 裂紋高倍組織形貌

圖3 裂紋內(nèi)部封閉區(qū)域（D2）高倍組織形貌

對封閉型鐵素體條帶進(jìn)行EDS 分析（見圖4）。與基體比較，O含量明顯偏高，且含Si，部分區(qū)域還包含S。進(jìn)行線掃描，結(jié)果顯示在出現(xiàn)鐵素體條帶的地方，O、Si、S的峰值明顯凸出。分析為鐵素體條帶被氧化，而且Si、S含量高。

圖4 鐵素體EDS分析結(jié)果

對送檢樣品進(jìn)行大區(qū)域能譜面掃，如圖5 所示?？梢钥吹狡浯嬖诖罅垦趸?，同時含有小部分Si、Al 集中的區(qū)域，對其進(jìn)行放大，得到如圖6 所示的二次電子及背散射的形貌像。

圖5 樣品大區(qū)域能譜面掃

圖6 二次電子及背散射形貌

對圖中Si、Al 集中的區(qū)域進(jìn)行能譜定量分析，結(jié)果如圖7 所示。可見含有大量的Si、Al、O 元素，可以推測含有硅、鋁氧化物，但是其尺寸較小且浮于樣品表面，因此判斷不是夾雜物，而是在二次加熱時，鋼材中的Si、ALs被氧化導(dǎo)致。

圖7 Si、Al集中的區(qū)域進(jìn)行能譜定量分析

通過對缺陷位置進(jìn)行進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，圖8中黃色方框標(biāo)記部位形貌像及背散射像均與周圍基體不同，通過能譜測試結(jié)果（見圖8），可以看出其為鐵的氧化物。

圖8 缺陷位置背散射形貌及黃色方框標(biāo)記部位能譜測試

通過上述分析可以得出以下結(jié)論：金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的“鐵素體帶”是由鐵素體條所組成，鐵素體條帶中的夾雜屬于鋼材內(nèi)部經(jīng)氧化所致；初步判斷鑄坯表面存在沿晶界小裂紋（后對連鑄坯表面進(jìn)行滲透檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在不規(guī)則的細(xì)小裂紋），導(dǎo)致晶界內(nèi)氧化、晶界弱化，在軋制過程中（特別是在軋制后期）開裂，所以鑄坯表面裂紋是錨鏈鋼大棒材表面裂紋的根源。

為找出連鑄坯表面缺陷形成原因，通過對連鑄環(huán)節(jié)的工藝及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行逐一排查，主要發(fā)現(xiàn)存在以下幾個方面的問題：1）產(chǎn)生表面缺陷的爐號所使用的結(jié)晶器過鋼量較大，都為9 000 t 以上，結(jié)晶器均出現(xiàn)了一定程度的磨損。2）部分結(jié)晶器足輥存在凹陷、網(wǎng)狀裂紋。3）因該鋼種Mn 含量較高（1.7%左右），Al含量在0.025%以上，由于鋼中氮化物、碳氮化物析出，會降低連鑄坯的高溫塑性［1］，如果工裝、配水、矯直溫度出現(xiàn)波動，鑄坯表面極易出現(xiàn)裂紋，并最終導(dǎo)致軋材表裂。為此測量了連鑄坯矯直溫度，為890±10 ℃，初步懷疑處于第三脆性區(qū)，從而導(dǎo)致連鑄坯表面易產(chǎn)生裂紋缺陷。

4 改進(jìn)措施

1）為找出該鋼種的合適矯直溫度，將該鋼種高溫拉伸試樣送至北鋼院進(jìn)行Gleeble 高溫拉伸試驗(yàn)，根據(jù)B .Mint z 等［2］提出的斷面收縮率值低于40% 作為鋼的脆性溫度區(qū)判據(jù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，該鋼種的第三脆性溫度區(qū)間為745～910 ℃，因此該鋼種連鑄機(jī)拉矯溫度應(yīng)＞910 ℃。

2）控制鋼水中N 在50×10-6以下，減少連鑄坯在高溫階段TiN、AlN 的析出，提高連鑄坯的高溫塑形。

3）加強(qiáng)設(shè)備及備件管理，嚴(yán)格限制結(jié)晶器過鋼量與鍍層脫落的高度，及時更換磨損程度嚴(yán)重的結(jié)晶器；加強(qiáng)結(jié)晶器足輥的維修更換，確保足輥無明顯變形及表面缺陷。

4）避免在鋼的脆性溫度區(qū)間矯直。將原先使用的堿度為0.95的結(jié)晶器保護(hù)渣更換為堿度為1.13的結(jié)晶器保護(hù)渣。通過提高保護(hù)渣堿度，使熔渣在結(jié)晶器壁上形成熱阻高的渣膜，降低結(jié)晶器與坯殼間的熱傳導(dǎo)，達(dá)到結(jié)晶器緩冷的目的［3］；將原先相同過熱度條件下對應(yīng)拉速提高0.02 m/min，將二冷水改用弱冷模式。通過結(jié)晶器緩冷及減少二冷強(qiáng)度等措施，提高鋼材進(jìn)拉矯機(jī)的溫度。

5 結(jié) 語

通過降低鋼水中N 含量、加強(qiáng)設(shè)備及備件管理、優(yōu)化結(jié)晶器保護(hù)渣參數(shù)、降低二冷比水量、避免在連鑄坯脆性溫度區(qū)間矯直等措施，可使含錳鋼因表面裂紋導(dǎo)致的開裂比例降至0.5%以下。