熱軋卷板邊部直裂紋的成因分析及控制

楊文芳，楊海西，劉錦強，張少凱，曹曉運，樊利智

（敬業(yè)集團有限公司，河北 石家莊 050400）

熱軋卷板，以板坯為原料，在加熱后經(jīng)過粗軋和精軋而制成的鋼板。由于具有高強度、高韌性且易于加工成型的優(yōu)點，是非常重要的鋼材品種，廣泛用于建筑、機械、汽車、石油、船舶、橋梁等行業(yè)。作為世界上最大的熱軋卷板生產(chǎn)、消費和出口國，截止2019年4月，我國國內(nèi)熱軋卷板生產(chǎn)線共有64條，年產(chǎn)能約2.5億t。

當前，熱軋卷板的生產(chǎn)企業(yè)在裝備、規(guī)模、品種等方面，與世界一流水平的差距越來越小，競爭核心也由裝備硬件轉(zhuǎn)向產(chǎn)品質(zhì)量上。受到生產(chǎn)工藝的限制，卷板鋼材不能像中厚板那樣切邊，因此，卷板的邊部質(zhì)量直接決定著卷板產(chǎn)品的整體質(zhì)量，是質(zhì)量控制的重點所在。通常情況下，由于熱軋卷板邊部工藝的穩(wěn)定性不強，在生產(chǎn)過程中其邊部會不時出現(xiàn)鋸齒、橫裂、折疊等裂紋或缺陷，這些缺陷多由鑄坯帶來，一般情況下可以通過切邊的措施來降低消除對成品的危害。但事實上，卷板邊中直形裂紋缺陷往往難以去除，甚至?xí)霈F(xiàn)切邊增大而直裂紋更加嚴重的問題。

1 實例概況

近年來，A公司研發(fā)了一系列具有高附加值的產(chǎn)品，其中管線鋼材共有G80、G70兩個型號，累計生產(chǎn)40萬t，主要用于石化油氣運輸管線工程，另外出口約3.6萬t，為該企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。根據(jù)某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)A公司的統(tǒng)計，其2019年下半年的熱軋卷板產(chǎn)品中，有900余噸產(chǎn)品出現(xiàn)了邊部直裂紋的缺陷，造成了嚴重的質(zhì)量事故，經(jīng)濟損失巨大。經(jīng)過統(tǒng)計，邊部直裂紋占到缺陷總量的93%。由于管線鋼較為敏感，通常會出現(xiàn)裂紋，因此其鑄坯的邊部質(zhì)量難以得到確保。本文對此進行生產(chǎn)環(huán)節(jié)的觀察檢測，發(fā)現(xiàn)這些缺陷多由鑄坯大切角被軋制放大造成。在此基礎(chǔ)上通過針對性地改善鑄坯三角區(qū)質(zhì)量、優(yōu)化切邊量，最終消除了邊部直裂紋缺陷的發(fā)生。

2 缺陷描述

截止2019年11月份，共發(fā)現(xiàn)有900余噸出現(xiàn)邊部缺陷的G60產(chǎn)品。根據(jù)觀察與統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)此次裂紋與以往卷板邊部的發(fā)文缺陷有明顯差異，主要以短直條形為主，集中分布在卷板距離邊線0mm～30mm之間，長度從20mm～80mm之間不等。從外觀形態(tài)上觀察，與卷板邊部的劃傷相比，除長度較短以外，其他較為類似。每段裂紋之間有100mm以上長度不等的間隔區(qū)間，說明卷板這一區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量良好。

熱軋卷析的裂紋缺陷一般都發(fā)生在卷板的表面，主要有單個發(fā)散和多個連續(xù)的狀態(tài)。截止目前，已經(jīng)有大量的文獻研究表明，熱軋卷板的裂紋缺陷通常是由連鑄坯的裂紋演變而來，當結(jié)晶器中的初生鑄坯進入二冷階段時由于受到低塑性的影響就會導(dǎo)致裂紋的形成。在前期通過調(diào)查振動參數(shù)、優(yōu)化保護渣等方法，可以使結(jié)晶器內(nèi)的初生鑄坯得到質(zhì)量保障，減少裂紋產(chǎn)生，甚至?xí)鞠?，但到了二冷鑄階段時卻依然會出現(xiàn)裂紋。通過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這種缺陷的原因主要有兩點：一是二冷操作規(guī)程不合理，鑄坯邊部冷卻強度過大，矯直區(qū)發(fā)黑現(xiàn)象嚴重；二是相應(yīng)的設(shè)備維護不到位，導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)了較為嚴重的回溫現(xiàn)象，出現(xiàn)大小不等的暗斑。這些原因?qū)е妈T坯邊部仍會出現(xiàn)小面積的裂紋，采取切邊的方法可以去除這些缺陷，降低裂紋的發(fā)生率。

3 缺陷分析

對于管線鋼G60短直裂紋缺陷與常規(guī)卷板裂紋缺陷的不同，可以從化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝、板材取樣等角度進行分析，同時進行相應(yīng)的觀察與檢測。

如表1所示為管線鋼的化學(xué)成分分析。

表1 G60化學(xué)成分表

通過上述微觀分析，發(fā)現(xiàn)裂紋周邊和尖端存在氧化物和硫化物等。當錳含量較低時，不可能形成全部具有良好塑性的MnS，反而形成了較低熔點的FeS，并在晶界處形成了離異共晶的現(xiàn)象，當鑄坯受到外力作用時，容易產(chǎn)生裂紋。硫含量越高，鑄坯開裂的可能性越大，發(fā)生縱裂紋的概率明顯增加。

此外，通過對鋼板裂紋的觀察，發(fā)現(xiàn)鋼板中含有大量的AI、Si、Mn、Ti、Na等夾雜物。說明了裂紋周圍存在一種脫碳現(xiàn)象，裂紋在板坯加熱前就已存在，軋制過程中不加壓，碳是氧化產(chǎn)生的。

因此，鋼板斷裂的原因是鑄坯缺陷被硫化物和保護渣夾入，上述夾雜物在加熱過程中熔化，如果溶解的污染物在鋼板表面或接近表面，就會產(chǎn)生表面裂紋。由于端部冷卻速度快、混合性好、韌性好，在熱軋過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力，在延伸過程中產(chǎn)生斷裂，并在邊緣形成裂紋。

如圖1所示為G60生產(chǎn)工藝。

圖1 G60管線鋼生產(chǎn)工藝流程圖

隨后，在板材上取樣，并對其進行金相、電鏡與能譜分析，同時對軋甩中間坯進行形貌觀測與酸洗檢測。

在對鑄坯側(cè)邊進行定寬后，其棱線處往往會出現(xiàn)裂紋，并表現(xiàn)出斜向等距離分布的規(guī)律性特點，經(jīng)測量，寬度大約為1mm～3mm，長度約為10mm～15mm，以梭子形狀呈現(xiàn)。對此取樣后，經(jīng)過熱酸洗處理，可發(fā)現(xiàn)棱線處的裂紋更加清晰。此時，沿橫斷面進行加工，可以發(fā)現(xiàn)棱線處內(nèi)部和下方都有閉合形狀的裂紋存在，并沿鑄坯寬窄兩面的交接處由外而內(nèi)規(guī)律性地分布，并表現(xiàn)為梭子形狀。另外，對鑄坯棱線處切下部分酸洗處理，也可以發(fā)現(xiàn)較為嚴重的裂紋現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在鑄坯寬窄交接面，沿拉坯方向的走向分布。

對鑄坯的角部外觀進行現(xiàn)場觀測，可發(fā)現(xiàn)鑄坯側(cè)面有較為嚴重的塌陷現(xiàn)象，分別有月牙形、弓形或其他不規(guī)則形狀。經(jīng)推測分析，鑄坯在凝固過程中，會出現(xiàn)收縮不均勻的情況，導(dǎo)致寬窄兩面收縮不均，引發(fā)鑄坯皮下、三角區(qū)出現(xiàn)裂紋。

針對上述觀察、推測或分析的結(jié)論，對取樣中間坯進行切片酸洗檢測。將中間坯側(cè)邊沿垂直于拉坯方向加工成薄片，隨后進行熱酸洗檢測，對其截面形狀進行觀測?？梢园l(fā)現(xiàn)，鑄坯寬窄交接面出現(xiàn)較小的裂紋，同時伴隨有粗大、柱狀晶搭橋現(xiàn)象。裂紋長短不一，2mm～5mm不等，寬度約0.5mm，整體呈簇狀。

在此基礎(chǔ)上，再進行酸洗、金相檢測，可對卷板缺陷的形貌進行分析。

結(jié)果表明，軋制鋼板的熱酸洗呈現(xiàn)出短而直的焊接形式，如卷板表面，焊接面積在2mm～5mm之間。焊接形態(tài)沿軋制方向進行，良好的位置和形狀對應(yīng)于表面的短直裂紋。試樣經(jīng)酸洗后，焊接接頭處有明顯的缺陷坑，并伴隨著叢生裂紋的產(chǎn)生。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面裂紋有內(nèi)傾向，鑄坯地面有封閉空腔區(qū)，內(nèi)壁呈撕裂狀，無明顯分層，局部有明顯的滾焊現(xiàn)象。觀察到典型的內(nèi)部焊接區(qū)域，裂紋具有相同的織構(gòu)方向，并形成向內(nèi)部裂紋擴展的趨勢。

由于鑄坯地面的凝固過程和質(zhì)量，鑄坯地面的三角形區(qū)域沿45°線可分為四個部分。第一部分，初始凝固形成致密的淬火層，表面容易形成應(yīng)變、皮下氣泡等缺陷。第二部分，和初凝區(qū)形成于后期，淬火后的結(jié)晶體與柱狀結(jié)晶體之間的過渡區(qū)易在鑄態(tài)白地的大側(cè)面和側(cè)面相交處形成柱狀截面。第三部分，柱狀生長區(qū)普遍存在嚴重缺陷。鑄坯地面質(zhì)量優(yōu)于2區(qū)。第四部分，鑄坯兩側(cè)大面與側(cè)面相交處易形成柱狀晶體，屬鑄坯質(zhì)量最弱區(qū)，質(zhì)量比較差。

25mm的切割角基本上保證了快速淬火層的存在，同時也能消除鑄坯角落的表面裂紋。在這種狀態(tài)下，50mm的切割角被切割以鑄造板坯外圈。同時，三角形區(qū)域的內(nèi)部缺陷在軋制過程中沒有被切割并暴露在板的表面形成缺陷。在這種狀態(tài)下，80mm的切角是鑄坯外圈的一個急冷層，但三角形區(qū)域下的內(nèi)部缺陷部分被切除，軋制過程中有一部分未被部分切除，盡管缺陷形成于卷板表面，且數(shù)量相對較少。

4 控制改善措施

4.1 鋼水成分

選擇適當?shù)奶己秃辖鹛砑觿员苊獍?。特別是避免了碳的質(zhì)量在0.9%～0.14%之間，盡可能降低鋁和氮的含量，控制鋼中鋁的質(zhì)量分數(shù)不超過0.03%，鋼中氮的質(zhì)量分數(shù)小于50×10-6。

4.2 結(jié)晶保護渣

采用較低熔點、適當附著力、較高堿度和較高熔渣結(jié)晶溫度，改善結(jié)晶器結(jié)晶和鑄坯殼的均勻冷卻，并在熔渣中加入一定量的MnO，減少保護渣使用前后性能的變化。

4.3 晶體冷卻

提高結(jié)晶器浸水溫度3℃～8℃，優(yōu)化結(jié)晶器窄面冷卻水量，削弱結(jié)晶器冷卻強度，降低均勻窄面熱流，使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)均勻松弛。

4.4 冷水混合物

對兩冷系統(tǒng)進行改進，將原設(shè)計比的0.74L/kg改為0.61L/kg，并對兩冷水在各區(qū)域的分配進行優(yōu)化，在鑄坯厚度方向上獲得一個小的溫度梯度，以保持鑄坯轉(zhuǎn)角處的高溫。

5 結(jié)語

通過對鋼中硫含量及連鑄工藝參數(shù)的控制，可減少或避免鋼中的硫化物夾雜和保護渣卷入，防止鋼板的邊部開裂。

卷板端部的短形裂紋缺陷從表面形態(tài)上與軋制損傷有許多相似之處，通過金相分析可以區(qū)分卷板缺陷的截面。傷口缺陷橫截面的根部沒有明顯的延伸，短直裂紋缺陷的橫截面根部明顯向內(nèi)側(cè)延伸。鑄坯的三角形區(qū)域的裂紋被軋制并擴大，然后暴露在板上，在較短的右側(cè)形成缺陷。金相檢測在缺陷根部發(fā)現(xiàn)部分焊接區(qū)域，可以確定三角形區(qū)域的原始裂紋位置。

鑄坯三角區(qū)的裂紋表示為鑄坯底面內(nèi)的不連續(xù)性，根據(jù)鑄坯底面的橫截面和酸洗情況判斷為重合，通過多點取樣酸洗判斷為鑄坯底面的橫截面切片法，在鑄坯底三角區(qū)，可沿切口向切片法進行多點取樣酸洗。

鑄坯底的側(cè)面形狀與三角區(qū)的質(zhì)量有明顯的相關(guān)性。通過鑄件底座的外觀，可以很容易的確定地面三角形區(qū)域的質(zhì)量。

鑄坯地面表層淬火層對防止鑄坯內(nèi)部缺陷在軋制過程中暴露有很好的保護作用，當鑄坯基層的角部構(gòu)件能夠得到保證時，鑄件白底的切削量盡可能小，以防止內(nèi)部缺陷的暴露。

G60系列管線鋼鑄坯三角區(qū)缺陷在鑄坯臨界角軋制是造成該缺陷的主要原因。通過優(yōu)化組分調(diào)整、保護渣優(yōu)化、結(jié)晶器含水量調(diào)整、雙冷水箱優(yōu)化、設(shè)備精度調(diào)整、切邊量優(yōu)化，有效地控制了鑄坯三角區(qū)質(zhì)量，有效地控制了熱壓板邊緣直缺陷的產(chǎn)生。質(zhì)量檢測統(tǒng)計：2019年邊緣被撕破不足160t，取得了良好的質(zhì)量控制和經(jīng)濟效益。