熱軋圓鋼皮下“裂紋”形成原因分析及改進措施

包石磊，劉和家

（1．天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團有限公司，天津300352；2.鋼鐵研究總院華東分院江蘇223000）

0 引言

隨著我國連鑄比的不斷提高，國內(nèi)采用連鑄方坯或矩形坯軋制圓鋼的廠家越來越多。經(jīng)走訪調(diào)查了解，某些鋼廠采用連鑄方坯或矩形坯軋制圓鋼時，經(jīng)常會出現(xiàn)表面和近表面皮下裂紋，嚴重的甚至被降級或判廢，引起較大損失。本文重點針對某鋼廠采用連鑄方坯軋制圓鋼產(chǎn)生的類似問題進行分析研究，通過圓鋼皮下“裂紋”的宏觀和微觀形貌的觀察和判斷，發(fā)現(xiàn)了引起該“裂紋”的深層次原因，并提出了一系列的改進措施。

1 熱軋圓鋼生產(chǎn)流程及其工藝要點

1.1 熱軋圓鋼生產(chǎn)流程

某鋼廠生產(chǎn)熱軋圓鋼工藝流程如下：100 噸頂?shù)讖痛礚D 轉(zhuǎn)爐→100 噸LF 鋼包精煉爐→100 噸VD 真空脫氣爐→方坯/矩形坯連鑄機→側(cè)進側(cè)出步進梁式加熱爐→三輥往復式軋機→短應力連軋機組→鋼材鋸切分定尺→鋼材緩冷。利用該工藝流程生產(chǎn)的連鑄坯主要規(guī)格有：F150 mm×150 mm、F180 mm×220 mm、F260 mm×300 mm 等方坯和矩形坯。連鑄坯采用熱裝或冷裝加熱后直接軋制圓鋼，熱軋圓鋼主要鋼種有：20、45、40Cr、20CrMnTiH、42Cr－MoA、GCr15 等優(yōu)特鋼種，圓鋼的主要規(guī)格為φ20 mm～φ120 mm。

1.2 熱軋圓鋼生產(chǎn)工藝要點

熱軋圓鋼生產(chǎn)的主要工藝要點有：轉(zhuǎn)爐采用高拉補吹杜絕鋼水過氧化、出鋼過程采用擋渣錐擋渣杜絕下渣、出鋼采用Al 餅+電石復合脫氧劑脫氧與專用精煉渣渣洗、精煉過程造高堿度渣（終渣堿度R：3～5）、長時間白渣操作、軟吹氬去除夾雜物、連鑄采用整體水口保護澆注。

采用上述工藝生產(chǎn)出的優(yōu)特鋼鋼水純凈度高，磷、硫含量不大于0.015%，產(chǎn)品質(zhì)量指標遠遠優(yōu)于國標的要求。

2 圓鋼“裂紋”形貌觀察與分析

2.1 圓鋼“裂紋”斷面低倍觀察與分析

2.1.1 “裂紋”斷面低倍形貌

在生產(chǎn)40Cr 圓鋼時，質(zhì)量檢測人員在進行常規(guī)熱酸洗低倍檢查時發(fā)現(xiàn)，圓鋼橫截面靠近表面的位置存在細小“裂紋”，質(zhì)檢人員將該缺陷判定為“內(nèi)裂”，產(chǎn)品判為降級品，“內(nèi)裂”嚴重的做判廢處理。后經(jīng)仔細檢查發(fā)現(xiàn)，在碳素結(jié)構(gòu)鋼（20、45）、合金結(jié)構(gòu)鋼（20Cr、40Cr）、齒輪鋼（20CrMnTiH）、鉻鉬鋼（42CrMoA、B7）、軸承鋼（GCr15）等鋼種熱軋圓鋼酸洗檢查過程中，同樣在圓鋼表面和近表面發(fā)現(xiàn)類似缺陷，“裂紋”呈一條或多條平行態(tài)分布，或模糊不明顯或清晰，長度多在0.5～3.0 mm?！傲鸭y”低倍形貌如圖1 所示。

經(jīng)大量調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)“裂紋”缺陷的圓鋼均為連鑄方坯和矩形坯所軋制。當一個試片上存在兩條或以上了“裂紋”時，“裂紋”表現(xiàn)出近乎90°或180°角的位向分布特征。

2.1.2 “裂紋”宏觀分析

為進一步認識該“裂紋”缺陷真實特征，筆者選擇典型試片采用普通放大鏡放大觀察，低倍“裂紋”實質(zhì)上由一系列斷續(xù)分布的微小孔洞組成的，孔洞及周邊區(qū)域因鹽酸腐蝕原因顏色明顯暗于周邊區(qū)域，具體特征如圖2 所示。由于鋼材表面經(jīng)過50～70攝氏度熱鹽酸長時間腐蝕，材料中某些夾雜物或夾渣在熱腐蝕作用下同基體脫離脫落而形成孔洞。一些數(shù)量較為密集、排列呈線性規(guī)律的孔洞在目視下被判定為“裂紋”。

從碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、鉻鉬鋼等各鋼種熱軋圓鋼均存在類似問題，可以推斷，這種缺陷與鋼種、材質(zhì)和生產(chǎn)工藝無直接必然的聯(lián)系。為找到形成這種“裂紋”的更深層次原因，需對缺陷位置進行縱向磨制金相樣進行高倍分析。

2.2 圓鋼“裂紋”縱向高倍觀察與分析

圖1 “裂紋”低倍形貌

圖2 “裂紋”放大形貌

2.2.1 “裂紋”縱向高倍形貌

選擇多個上述典型“裂紋”缺陷樣品，垂直“裂紋”方向切割并磨制高倍試樣。利用光學顯微鏡對“裂紋”縱向附近位置進行多次磨制、多次觀察發(fā)現(xiàn)，在縱向試樣缺陷位置附近存在一條或多條“帶狀”偏析條，而在“帶狀”偏析條橫截面位置端則對應著一個孔洞?！傲鸭y”縱向形貌及“偏析帶”形貌如圖3所示。

圖3 “裂紋”縱向形貌及“偏析帶”形貌

2.2.2 “裂紋”微觀分析

從上述低倍與高倍“裂紋”分析看出，“裂紋”處縱向位置上對應著一定長度（毫米級）且非常細小的“帶狀”組織。對“帶狀”組織進一步仔細觀察分析，發(fā)現(xiàn)“帶狀”組織中間均有斷續(xù)或連續(xù)存在的細小硫化物夾雜物，筆者推測，所謂“帶狀”偏析組織正是由這些硫化物夾雜物先期析出或偏聚導致的。

由此可見，低倍鋼材上腐蝕出現(xiàn)的“裂紋”跟較為密集的硫化物夾雜物有直接對應關(guān)系。這些孔洞則是硫化物在熱酸洗腐蝕的作用下剝落而形成的，也就是孔洞實際為硫化物被熱鹽酸腐蝕而脫落形成的痕跡。

2.3 連鑄坯低倍質(zhì)量評價與追溯

為進一步追溯并證實“裂紋”缺陷產(chǎn)生的深層次原因，筆者重點加大了連鑄坯低倍質(zhì)量的酸洗比對檢查。經(jīng)過重點跟蹤發(fā)現(xiàn)，碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、鉻鉬鋼等多鋼種連鑄坯存在臨近或?qū)欠植嫉慕遣苛鸭y，這與圓鋼“裂紋”呈現(xiàn)90°或180°分布有驚人的對應關(guān)系，如圖4、圖5 所示。同時發(fā)現(xiàn)，大多缺陷發(fā)生處鑄坯的角部存在凹陷或尺寸不良等尺寸問題。

圖4 連鑄方坯對角線-角部裂紋

圖5 方坯兩對角部裂紋放大圖

從圖4、圖5 可以看出，鋼坯上存在角部裂紋，裂紋處角部存在一定凹陷或鑄坯尺寸變形。分析認為鑄坯存在冷卻不均，角部因存在凹陷或噴嘴間距與噴射角設(shè)計存在欠缺，扇形段設(shè)備精度不良等，導致角部冷卻較慢，硫化物偏聚程度加大等綜合因素影響，在應力作用下形成角部裂紋。

3 “裂紋”缺陷成因分析與改進措施

3.1 “裂紋”缺陷成因分析

綜合碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼、鉻鉬鋼等多鋼種低倍“裂紋”的分析，得出以下結(jié)論：

（1）“裂紋”處縱向位置上對應著一定長度且細小的“硫化物”偏析；

（2）較密集分布的硫化物經(jīng)熱腐蝕后，形成一系列間距較小、線性排列的不連續(xù)孔洞，表觀判斷為“裂紋”；

（3）從“裂紋”位向統(tǒng)計分析看，“裂紋”與方坯角部裂紋有對應關(guān)系；

（4）方坯角部裂紋形成與連鑄足輥冷卻不均、噴嘴噴射角較小有直接的關(guān)系，同時鋼水硫含量較高對角部裂紋形成也有一定的促進作用；

3.2 避免“裂紋”缺陷的改進措施

通過對鋼材“裂紋”缺陷的深入分析探究以及產(chǎn)生原因的分析，有針對性制定以下改進措施：

（1）提高煉鋼精煉脫硫效果，進一步降低鋼中硫含量，有效減少因“硫化物”偏析富集引發(fā)“裂紋”出現(xiàn)的比例和嚴重程度；

（2）適當增大F150 mm×150 mm、F180 mm×220 mm 和F260 mm×300 mm 斷面方坯足輥段冷卻強度，足輥段配水比例在原來基礎(chǔ)上提高10～15%；

（3）調(diào)整和優(yōu)化二冷段噴嘴的噴射方向和噴射角，保證角部冷卻效果，定期檢查噴嘴與鑄坯質(zhì)檢位置，杜絕鑄坯角部冷卻不均與冷卻不良現(xiàn)象發(fā)生；

（4）提高二冷室扇形段設(shè)備精度，建立足輥、扇形段各段輥排列精度校核制度，定期做好支撐輥潤滑保養(yǎng)，杜絕死輥與嚴重偏離現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過對圓鋼“裂紋”缺陷宏觀及微觀的觀察與分析，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了圓鋼“裂紋”缺陷成因，并制定了改進措施。生產(chǎn)實踐表明本文對圓鋼“裂紋”缺陷成因分析準確，改進措施科學有效。經(jīng)后期質(zhì)量檢驗人員跟蹤與反饋，熱軋圓鋼低倍質(zhì)量明顯改善，酸洗試樣上類似“裂紋”缺陷的現(xiàn)象比例大幅減少，嚴重程度明顯降低，未在發(fā)生因此類缺陷而判廢的現(xiàn)象。