熱軋帶鋼表面橫裂紋原因分析

尋之安，祝傳春，李強剛，王軍榮，張志堅

(日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806)

由于板坯質(zhì)量、軋制設(shè)備、生產(chǎn)工藝等多方面原因，導(dǎo)致帶鋼表面出現(xiàn)裂紋、氣孔、氧化鐵皮、凹坑、麻坑、結(jié)疤、劃傷、孔洞、分層等不同類型的缺陷[1]，均會嚴重影響產(chǎn)品合格率。熱軋廠在某一時間段內(nèi)表面裂紋缺陷率居高不下，降低了產(chǎn)品的成材率，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失。本文針對該廠熱軋線生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的表面裂紋問題，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定缺陷產(chǎn)生與中間坯表面局部冷卻不均相關(guān)，于是采取有效防范措施，降低裂紋缺陷出現(xiàn)幾率。

1 表面裂紋缺陷統(tǒng)計分析

表面橫裂紋缺陷涉及普碳鋼、船板鋼、低合金鋼、管線鋼、耐候鋼等多個鋼種牌號，與材料特性無明顯對應(yīng)關(guān)系。

圖1是按厚度規(guī)格統(tǒng)計的表面裂紋出現(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)隨厚度的增加，缺陷發(fā)生率明顯上升。當(dāng)帶鋼厚度超過16 mm時，表面裂紋出現(xiàn)率達63.7%，而薄規(guī)格帶鋼表面無裂紋缺陷的產(chǎn)生。

圖2是表面裂紋距離成品帶鋼頭部距離的統(tǒng)計，缺陷主要集中在距帶鋼頭部30 m范圍，占比60.9%，尾部缺陷相對較少。

圖1 按規(guī)格統(tǒng)計缺陷出現(xiàn)率

圖2 按距離統(tǒng)計缺陷出現(xiàn)率

2 表面裂紋的宏觀特征和檢驗分析

2.1 表面裂紋宏觀特征

表面裂紋宏觀形貌呈唇印狀(如圖3、圖4所示)，有相關(guān)文獻也叫“唇印結(jié)疤”[2]，大小不一，長度10-100 mm。裂紋全部出現(xiàn)在帶鋼上表面，分布在寬度1/4至1/2位置，垂直于軋向，多集中在頭部30 m內(nèi)，沿長度方向出現(xiàn)，無明顯周期性。

圖3 表面裂紋宏觀形貌

圖4 表面裂紋宏觀形貌

2.2 裂紋缺陷檢驗分析

利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等手段，對裂紋缺陷樣檢驗分析。裂紋與表面呈約60°斜向基體延伸，深約0.79 mm(見圖5)，裂紋較平滑，內(nèi)部局部有少量氧化鐵。如圖6金相組織所示，裂紋兩側(cè)組織完全不同，近表面一側(cè)晶粒較粗，靠近基體一側(cè)晶粒較細且沿裂紋附近有輕微變形流線，無脫碳層和氧化圓點。對裂紋內(nèi)多個位置進行點分析(見圖7)，對比正常位置裂紋內(nèi)局部位置存在Fe、O、C和少量Mn元素(見表1)，沒有發(fā)現(xiàn)保護渣和非金屬夾雜物的成分。

圖5 “裂紋”微觀形貌

圖6 “裂紋”周圍組織

圖7 裂紋周圍能譜檢測點

表1 各位置的能譜檢驗結(jié)果(%)

3 裂紋產(chǎn)生原因分析

依據(jù)對脫碳層、氧化物圓點、元素等檢測結(jié)果，判斷裂紋不是來源于連鑄坯缺陷和高溫加熱工序[3]。根據(jù)金相組織表面一側(cè)晶粒較粗，靠近基體一側(cè)晶粒較細且沿裂紋附近有輕微變形流線，說明在軋制過程中帶鋼表面局部冷卻不均，存在過冷現(xiàn)象，造成組織晶粒度相差較大[4]。

3.1 加熱溫度的影響分析

粗軋溫差的控制有利于提高軋制穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，合理控制加熱爐加熱制度，可降低爐間溫差和同板坯溫差[5]。通過對比軋程前后爐間溫度、板坯通長溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面裂紋產(chǎn)生與爐間溫差、同板溫差之間未有明顯規(guī)律，加熱溫度不是影響表面裂紋的因素。

3.2 軋制速度的影響分析

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況，有計劃的提高粗軋軋制速度，降低精軋入口中間坯頭、尾、表面和心部的溫差，同樣發(fā)現(xiàn)帶鋼表面裂紋缺陷無規(guī)律的產(chǎn)生，說明軋制速度不是影響裂紋產(chǎn)生的因素。

3.3 水系統(tǒng)的影響分析

裂紋附近靠近基體一側(cè)較表面一側(cè)組織晶粒較細且有組織流線變形，存在軋制過程中帶鋼表面局部冷卻不均現(xiàn)象。設(shè)備檢修期間治理軋線通道水系統(tǒng)跑、冒、滴、漏點，降低帶鋼表面積水，更換軋輥切水板，確保對軋輥冷卻水切水效果。治理維護后，表面裂紋缺陷發(fā)生率有所降低，但不明顯。因此通道水系統(tǒng)異常漏水點對表面裂紋有一定影響，但并非主因。

梳理影響軋制溫度變化工藝，發(fā)現(xiàn)在精軋機前除鱗箱高壓水除鱗后，中間坯表面會迅速降溫[6]。回查產(chǎn)生裂紋缺陷軋程生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)除鱗箱前面高壓除鱗水異常返水嚴重，在中間坯表面形成水滯留區(qū)域(見圖8)，導(dǎo)致表面與冷卻水換熱后溫度降低。再次經(jīng)過高壓水除鱗后，滯水區(qū)域表面溫度迅速下降，在F1前出現(xiàn)明顯“黑印”區(qū)。通過高壓除鱗箱返水治理后，表面橫裂紋缺陷消失，證實除鱗箱高壓除鱗水異常返水是產(chǎn)生橫裂紋的主要原因。

由于除鱗箱前高壓除鱗水漏水，集中在軋件表面，造成表面局部過冷，溫差引起內(nèi)應(yīng)力過大。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足夠大時，可能產(chǎn)生表面微裂紋[7]。局部過冷區(qū)域提前發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，由于鐵素體組織較奧氏體組織塑性差，軋制過程中表層鐵素體組織區(qū)域摩擦力增大，奧氏體組織產(chǎn)生流線變形，使微裂紋進一步拓展成長裂紋。

圖8 高壓除鱗水返水現(xiàn)象

4 結(jié)論

(1)除鱗箱前高壓除鱗水異常返水是造成中間坯表面局部過冷的直接原因。

(2)表面局部過冷，溫差引起內(nèi)應(yīng)力過大，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力足夠大時，可能產(chǎn)生表面微裂紋。

(3)在過冷區(qū)域提前發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，由于鐵素體組織較奧氏體組織塑性差，軋制過程中使微裂紋進一步拓展成裂紋。

(4)通過高壓除鱗箱返水治理后，表面橫裂紋缺陷消失，有效提高表面質(zhì)量。