連鑄坯表面缺陷在圓鋼軋制過(guò)程中的演變規(guī)律研究

劉明遠(yuǎn)

（河鋼宣鋼技術(shù)中心，河北 張家口075100）

1 前 言

河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司2014年建成投產(chǎn)一條高速棒材生產(chǎn)線(xiàn)，產(chǎn)品規(guī)格為Φ20～70 mm，使用坯料尺寸為165 mm×165 mm×12 000 mm，鋼種包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、齒輪鋼等。對(duì)于優(yōu)特鋼圓鋼產(chǎn)品，下游用戶(hù)加工工藝多樣，對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，圓鋼表面缺陷將直接導(dǎo)致鍛造開(kāi)裂、車(chē)削裂紋及穿管外折等。圓鋼產(chǎn)品表面缺陷形成原因復(fù)雜，經(jīng)過(guò)近年來(lái)質(zhì)量提升攻關(guān)及相應(yīng)研究表明，產(chǎn)品表面缺陷主要來(lái)源于鋼坯。鋼坯表面常見(jiàn)的缺陷有裂紋、結(jié)疤、渣溝、劃傷等，若鑄坯表面缺陷較為嚴(yán)重，軋制后有可能遺傳到圓鋼產(chǎn)品表面，影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了合理確定鋼坯檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，控制圓鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量，因此十分有必要對(duì)鑄坯表面缺陷在圓鋼軋制過(guò)程的演變規(guī)律進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 鑄坯劃傷、渣溝及結(jié)疤試驗(yàn)

對(duì)鑄坯表面缺陷進(jìn)行分類(lèi)、確認(rèn)，測(cè)量缺陷深度、寬度、長(zhǎng)度以及其位置，軋后利用體積守恒定理計(jì)算缺陷對(duì)應(yīng)位置，取樣后進(jìn)行酸洗、頂鍛及金相檢測(cè)，以跟蹤缺陷在軋后產(chǎn)品表現(xiàn)的形貌，從而得出鑄坯各類(lèi)表面缺陷在現(xiàn)有軋制工藝下的演變規(guī)律，制定新的鑄坯檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。選定10 支斷面尺寸為165 mm×165 mm 的表面缺陷方坯，涉及鋼種包括GCr15、9SiCr、45#，軋制規(guī)格為Φ20、Φ40、Φ60 mm，主要缺陷類(lèi)型包括劃傷、渣溝、結(jié)疤，其缺陷類(lèi)型及尺寸如表1所示。

2.2 鑄坯裂紋試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取45#鋼連鑄方坯2支，斷面尺寸為165 mm×165 mm。利用修磨機(jī)對(duì)鋼坯表面進(jìn)行修磨，確認(rèn)試驗(yàn)鋼坯表面質(zhì)量良好后，在其中1支方坯尾部0.5 m處人工預(yù)制縱裂紋1條，寬度1 mm、深度5 mm；距頭部2 m處預(yù)制寬度1 mm、深度2 mm縱裂紋1條。在另一支鋼坯尾部0.5 m處人工預(yù)制橫裂紋1條，寬度1 mm、深度5 mm；距頭部2 m處預(yù)制寬度1 mm、深度2 mm橫裂紋1條。將鋼坯在加熱爐加熱后，經(jīng)高壓水除磷、粗軋、中軋和精軋軋制，最終軋制成Φ40 mm規(guī)格圓鋼。按照提前計(jì)算好的缺陷位置做好倍尺成品標(biāo)記并取樣，檢測(cè)裂紋形貌和深度變化。

表1 方坯缺陷類(lèi)型及尺寸

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 劃傷缺陷分析

本次選定劃傷鋼坯按照深度可分為兩類(lèi)：深度＜2 mm；深度≥2 mm。按照理論計(jì)算的缺陷位置進(jìn)行取樣、酸洗、頂鍛試驗(yàn)，試樣a1、a4 未發(fā)現(xiàn)表面缺陷；a2試樣酸洗后表面存在淺裂紋，頂鍛后未開(kāi)裂；a3、a5 試樣酸洗后表面可見(jiàn)淺裂紋，頂鍛后試樣表面開(kāi)裂深度較淺；a6 酸洗試樣表面可見(jiàn)明顯裂紋，頂鍛后試樣裂紋呈開(kāi)口狀，且具有一定深度，如圖1所示。

由圖2可看出，兩類(lèi)鑄坯劃傷經(jīng)軋制后存在較明顯的區(qū)別：劃傷深度＜2 mm 沒(méi)有導(dǎo)致明顯的圓鋼表面裂紋，這是由于鑄坯表面在加熱爐內(nèi)被氧化，經(jīng)高壓水除鱗后使得部分缺陷被消除，同時(shí)在后序的軋制變形過(guò)程中逐漸軋合消除，不會(huì)對(duì)后續(xù)加工造成明顯的影響；劃傷深度＞2 mm 會(huì)導(dǎo)致圓鋼表面出現(xiàn)裂紋，對(duì)試樣進(jìn)行1/3頂鍛后，試樣出現(xiàn)開(kāi)裂，且隨著規(guī)格增大，開(kāi)裂越明顯，同時(shí)對(duì)酸洗試樣進(jìn)行進(jìn)項(xiàng)檢測(cè)，裂紋形貌如圖2所示。

圖1 鑄坯劃傷對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷

圖2 圓鋼表面裂紋的金相組織100×

在100 倍顯微鏡下觀測(cè)，裂紋處存在脫碳現(xiàn)象，無(wú)延伸，底部較為圓鈍。

通過(guò)跟蹤劃傷鑄坯在軋制過(guò)程中的變化，結(jié)合不同規(guī)格圓鋼表面形貌變化，連鑄坯劃傷缺陷在軋制過(guò)程中變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 軋制過(guò)程中劃傷變化規(guī)律示意圖

通過(guò)高溫氧化和后續(xù)的軋機(jī)平-立交替軋制，軋件的截面積逐漸減小，缺陷深度也隨之降低，最終劃傷缺陷暴露在軋材表面，初始深度＜2 mm 的劃傷缺陷會(huì)消失在鋼材表面。

3.2 渣溝缺陷分析

選取2支表面渣溝深度不同的鋼坯進(jìn)行軋制。9SiCr 缺陷鑄坯，渣溝長(zhǎng)度約為2 m，深度最深處約為5 mm。GCr15缺陷鑄坯，深度1 mm，長(zhǎng)度約1 m。同樣軋制Φ60 mm 規(guī)格穿管用鋼，對(duì)成品及穿管效果進(jìn)行跟蹤。成品酸洗后發(fā)現(xiàn)試樣存在缺陷如圖4所示。取缺陷部位進(jìn)行電鏡、金相分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 鑄坯渣溝對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷

圖5 渣溝坯圓鋼表面裂紋電鏡、金相分析

渣溝鑄坯軋制后裂紋內(nèi)部殘留有氧化鐵皮及大量夾雜物，脫碳嚴(yán)重，且向鋼材基體延伸。有研究表明［1-4］，鑄坯渣溝缺陷必然伴生裂紋及夾雜，鑄坯軋制后由于產(chǎn)品表面氧化鐵皮覆蓋不易發(fā)現(xiàn)，出廠后造成用戶(hù)穿管外折缺陷，影響正常使用，因此必須進(jìn)行鑄坯修磨后方可軋制。

3.3 表面結(jié)疤分析

選取形貌較為類(lèi)似的結(jié)疤缺陷鋼坯2支，分別軋制Φ20、Φ60 mm規(guī)格圓鋼，從理論計(jì)算位置截取試樣，并進(jìn)行頂鍛、酸洗、金相檢測(cè)。從圖6、圖7金相分析表明，裂紋處無(wú)夾雜，裂紋底部無(wú)延伸，但因軋制規(guī)格存在差異，導(dǎo)致裂紋深度不同。對(duì)于內(nèi)部無(wú)夾雜的鑄坯表面結(jié)疤在軋制過(guò)程中變化規(guī)律如圖8所示，缺陷在軋制過(guò)程中沿軋制方向上逐漸被拉長(zhǎng)，深度變淺，隨著軋制道次增多，結(jié)疤底部被軋制表面，直至消失。

圖6 c1鑄坯缺陷對(duì)應(yīng)圓鋼缺陷

圖7 c2鑄坯缺陷對(duì)應(yīng)圓鋼缺陷

圖8 軋制過(guò)程中鑄坯表面結(jié)疤變化規(guī)律

3.4 鑄坯裂紋分析

試驗(yàn)鑄坯軋制后在成品對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行取樣，未發(fā)現(xiàn)鑄坯頭部預(yù)制裂紋對(duì)應(yīng)缺陷，鑄坯尾部對(duì)應(yīng)成品表面可見(jiàn)明顯裂紋存在。經(jīng)過(guò)觀察確認(rèn)為，5 mm深預(yù)制裂紋經(jīng)軋制后遺傳裂紋，其形貌見(jiàn)圖9。

圖9 鑄坯深裂紋對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷

將以上試樣制成金相試樣并觀測(cè)微觀形貌（見(jiàn)圖10），縱裂紋和表面呈接近垂直狀態(tài)，根部尖銳，趨于閉合；橫裂紋與表面呈一定角度，底部不規(guī)則，內(nèi)部存在氧化鐵皮；兩處裂紋均在加熱過(guò)程發(fā)生脫碳現(xiàn)象并遺傳至成品。

圖10 鑄坯深裂紋對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷微觀形貌100×

喻海良等認(rèn)為裂紋在軋制過(guò)程中同時(shí)受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用，壓應(yīng)力使裂紋趨于閉合，拉應(yīng)力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展［5］。軋制過(guò)程中鑄坯表面裂紋情況分為以下3種情況：

①軋制時(shí)，裂紋處金屬處于壓應(yīng)力狀況，裂紋會(huì)逐漸閉合，裂紋邊部發(fā)生接觸，當(dāng)裂紋邊部未發(fā)生氧化時(shí)，在高溫下產(chǎn)生原子遷移，實(shí)現(xiàn)了局部區(qū)域的裂紋軋合，隨著軋制道次的增多，裂紋會(huì)完全閉合，如圖11a 所示。②若在壓應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋末端只發(fā)生了部分冶金結(jié)合，而未閉合部分裂紋軋制過(guò)程中被“拉開(kāi)”，隨著軋制道次增多，裂紋表面演變?yōu)檐埐谋砻?，而裂紋末端則發(fā)生冶金結(jié)合，這兩種情況都可使裂紋發(fā)生軋合，如圖11b 所示。③若裂紋表面所受的拉應(yīng)力將裂紋完全拉開(kāi)，隨著軋制道次的增加，裂紋有可能完全演變?yōu)檐埐谋砻?，或進(jìn)一步擴(kuò)展，保留在成品上，影響產(chǎn)品質(zhì)量，如圖11c所示［6］。

圖11 軋制過(guò)程中鑄坯表面裂紋演變機(jī)制

4 結(jié) 論

4.1 鑄坯表面劃傷的深度遺傳性較強(qiáng)，而寬度影響則不明顯，劃傷缺陷在加熱時(shí)會(huì)被氧化消失，危害程度減輕；劃傷深度一定時(shí)，成品表面裂紋會(huì)隨著變形量的增加而減小。劃傷深度＞2 mm時(shí)會(huì)在圓鋼表面留下一定深度的裂紋。

4.2 鑄坯渣溝缺陷遺傳性較強(qiáng)，同時(shí)渣溝處會(huì)伴生內(nèi)部裂紋及夾雜物，軋制后形成折疊缺陷，被氧化鐵皮覆蓋后不易檢驗(yàn)，影響下游用戶(hù)加工，需清除缺陷后軋制。

4.3 對(duì)于內(nèi)部無(wú)夾雜的表面結(jié)疤，在軋制過(guò)程中缺陷在軋制方向上逐漸被拉長(zhǎng)，隨著軋制道次增多，結(jié)疤深度變淺。軋制不同規(guī)格圓鋼時(shí)對(duì)鑄坯表面結(jié)疤深度要求不同，軋制規(guī)格越大，對(duì)鑄坯表面質(zhì)量要求越嚴(yán)格。

4.4 鑄坯裂紋會(huì)在圓鋼軋制過(guò)程產(chǎn)生對(duì)應(yīng)缺陷，但裂紋深度＜2 mm時(shí)會(huì)被氧化消失。深度裂紋根據(jù)其氧化及受力情況其演變機(jī)制不同。