45號鋼厚板表面邊裂原因分析與控制

黃道昌 嚴 敏 楊治爭 黃大軍

(1.寶武集團鄂城鋼鐵公司 湖北 鄂州：430080；2.寶鋼股份中央研究院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080)

45號鋼屬于優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼，具備良好的冷熱加工性能和綜合機械性能，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。鄂鋼4300mm寬厚板產(chǎn)線是國內(nèi)重要的寬厚板生產(chǎn)基地，也是45號鋼厚板主要產(chǎn)線之一，主要規(guī)格集中于30～120mm厚板，主要應(yīng)用于機械、模具制造等行業(yè)。

表面邊部裂紋是厚板常見表面缺陷之一[1-2]，鄂鋼基于130t轉(zhuǎn)爐冶煉—爐外精煉—RH處理—板坯連鑄—4300mm軋機軋制流程生產(chǎn)45號鋼，過程可控、性能良好。但是，45號鋼表面質(zhì)量問題并未完全解決，特別是鋼板表面邊部裂紋缺陷比較明顯且有多發(fā)性特點，需要切邊交貨，對鋼板的成材率和生產(chǎn)效率均造成顯著影響。針對45號鋼表面邊部裂紋缺陷開展了系列取樣檢測和針對性的優(yōu)化工作。

1 45號鋼厚板邊裂現(xiàn)狀分析

45號鋼均通過鄂鋼單流厚板坯鑄機生產(chǎn)，實際生產(chǎn)中，200mm、250mm、300mm等厚度規(guī)格的板坯，軋后鋼板表面均出現(xiàn)一定比例的邊部裂紋，不規(guī)則的裂紋分布于距鋼板表面0～5cm的范圍內(nèi)，距離邊部越近，缺陷越嚴重。從長度方向上看，單塊鋼板表面基本是沿軋制方向連續(xù)分布。此類缺陷將直接影響鋼板的寬度定尺，必須切邊交貨。不同厚度鋼板的邊裂發(fā)生率如圖1所示。

從圖1可以看出，統(tǒng)計的6個月中，不同規(guī)格的板坯，軋后裂紋發(fā)生率月均基本都在3%以上，且隨著鑄坯厚度增加，缺陷發(fā)生率有增加趨勢。鋼板出現(xiàn)邊部裂紋后，成材料明顯下降，對鋼種和產(chǎn)線的總體效益都產(chǎn)生較明顯影響。

2 邊裂缺陷原因分析

2.1 取樣分析

取45號鋼成品缺陷試樣，進行鋼板典型部位、鑄坯對應(yīng)部位取樣分析。其中成品鋼板缺陷試樣1件，鑄坯試樣3件，分切、打磨、拋光后進行金相分析。鋼板缺陷宏觀及金相分析結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 鋼板角部缺陷宏觀形貌

圖3 鋼板角裂沿邊部向中部的擴展特征

圖4 鋼板裂紋周圍密布的氧化圓點

從圖2看出，45號鋼缺陷試樣裂紋貫穿鋼板角部，打磨后裂紋有沿邊部向鋼板中部擴展延伸的特征，無明顯方向性，總體嚴重程度較強、裂紋尺寸較大。從圖3～圖4可以看出，裂紋內(nèi)部有連續(xù)性的氧化物存在，緊鄰裂紋附近有明顯的脫碳特征，近裂紋區(qū)域的組織由正?；w部位的鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榧冭F素體，裂紋周圍區(qū)域分布大量的、明顯的氧化圓點。

大量、嚴重的氧化圓點只能在長時間高溫過程中出現(xiàn)，因此，可以確認裂紋在鑄坯進入加熱爐之前已經(jīng)存在，即連鑄工序是裂紋產(chǎn)生的根源[3-4]。

由于有表面氧化層覆蓋，板坯表面角部裂紋缺陷在生產(chǎn)狀態(tài)下并不十分明顯，需經(jīng)過酸洗，去除表面氧化層后才能顯示，通過去除氧化層并取樣打磨、拋光、腐蝕，獲得的板坯的表面缺陷特征如圖5～圖8所示。

圖5 250mm厚板坯窄面裂紋宏觀形貌

圖6 250mm板坯邊部沿原奧氏體晶界開裂

圖7 300mm板坯裂紋區(qū)域嚴重氧化脫碳特征

圖8 300mm厚板坯由裂紋隔離的不同區(qū)域不同結(jié)晶特征

從圖5～圖8，可以看出以下幾點：

(1)45號鋼成品鋼板表面邊部裂紋起源于連鑄工序，主要分布于板坯窄邊。

(2)鑄坯的裂紋缺陷特征基本一致，即裂紋沿原奧氏體晶界裂開并擴展。裂紋區(qū)域多有脫碳特征，如果裂紋在最為敏感的二冷矯直區(qū)開始出現(xiàn)，此區(qū)域的溫度和時間條件，不足以出現(xiàn)明顯的脫碳特征，可以認為裂紋起源于高溫區(qū)域，即結(jié)晶器內(nèi)[3]，而脫碳特征隨著板坯厚度增加嚴重程度也隨之遞進。

(3)鑄坯的裂紋兩側(cè)或者不同分割區(qū)域，組織結(jié)晶特征有明顯差異，說明裂紋應(yīng)早于等軸晶和柱狀晶形成之前已經(jīng)存在，即在高溫區(qū)域內(nèi)已存在微裂紋，一冷水和二冷水對裂紋兩側(cè)或不同微區(qū)域的冷卻效果有差異，造成了區(qū)域結(jié)晶特征的明顯差異，這再次驗證了裂紋起源于結(jié)晶器內(nèi)的結(jié)論。

由以上分析得出結(jié)論，45號鋼鑄坯裂紋起源于結(jié)晶器內(nèi)的初生坯殼厚薄不均導(dǎo)致的微細裂紋，在拉矯機的作用下，坯殼在結(jié)晶器內(nèi)或剛出結(jié)晶器時發(fā)生撕裂、沿晶界微細裂紋的擴展，最終形成宏觀可見的鑄坯表面裂紋。這些裂紋在加熱爐中進一步擴展惡化，經(jīng)軋制后形成鋼板表面邊部缺陷。

2.2 裂紋機理分析

在結(jié)晶器中，影響初生坯殼生成及生長的主要是冷卻制度、保護渣的物化性能以及結(jié)晶器振動參數(shù)等。在45號鋼長期生產(chǎn)實踐中，振動參數(shù)都是保持穩(wěn)定的，因此，裂紋缺陷發(fā)生率的波動與振動參數(shù)關(guān)系不大，更可能與保護渣性能和一冷制度有關(guān)。而保護渣性能與結(jié)晶器熱流密度直接相關(guān)，寬板坯不同區(qū)域的熱流密度如表1所示。

表1 不同斷面45號鋼結(jié)晶器內(nèi)的熱流密度情況

從表1可見，結(jié)晶器窄面和寬面的熱流密度相差較大，可知結(jié)晶器內(nèi)不同區(qū)域的保護渣層厚度有顯著差異，而且，隨著斷面尺寸增加，熱流密度的波動越大，窄面的保護渣層厚度相對越薄。保護渣理化指標與行業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)線對比結(jié)果如表2所示。

表2 不同產(chǎn)線保護渣性能對比

從表2可以看出，鄂鋼寬板坯產(chǎn)線生產(chǎn)45號鋼時，所使用的兩種保護渣熔點和粘度均較同類產(chǎn)線高，其結(jié)果是結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)渣膜厚度偏大，渣的流動性較差，結(jié)晶器內(nèi)的潤滑狀況不佳、傳熱不均，從而引起初生坯殼不同區(qū)域厚度不均，在拉坯過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生微裂紋，繼而在二冷區(qū)發(fā)展為窄面的多發(fā)性裂紋。

3 優(yōu)化措施

如前所述，通過取樣分析確定了結(jié)晶器是裂紋的起源環(huán)節(jié)，結(jié)晶器保護渣的熔點和粘度等性能指標難以滿足要求。因此，基于保護渣性能對其進行了一定的優(yōu)化，如表3所示。

表3 45號鋼板坯保護渣優(yōu)化方案

除了優(yōu)化保護渣性能以外，還進行了以下優(yōu)化：

(1)成品厚度≥50mm的鋼液需進行精煉再連鑄。

(2)提高典拉率，減少拉速波動對結(jié)晶器內(nèi)溫度場的影響。

(3)加大結(jié)晶器窄面冷卻水量，減小窄面和大面的熱流密度差異，避免角部應(yīng)力集中，進一步降低裂紋傾向性。

(4)將矯直段鑄坯表面溫度目標值從900℃調(diào)整至915℃，減少不同區(qū)域溫度梯度。

4 實施效果

基于以上方案，在45號鋼連鑄生產(chǎn)中開展正交試驗，共進行4輪、8澆次、67爐鋼的試驗，軋制完成534塊各規(guī)格鋼板，總體邊部缺陷情況改善明顯，所有規(guī)格板坯及對應(yīng)鋼板的邊裂發(fā)生率都有所下降，且出現(xiàn)缺陷的鋼板裂紋距離邊部更近、程度更輕，切邊量相應(yīng)更少。

兩種優(yōu)化的保護渣LC2和XB2使用時，軋后鋼板邊部裂紋發(fā)生率平均在1%以內(nèi)，隨著鑄坯尺寸增加，裂紋發(fā)生率有增加的趨勢，而在300mm×2200mm最大規(guī)格鑄坯生產(chǎn)過程中，雖然裂紋發(fā)生率略高，但使用優(yōu)化后的保護渣XB2，邊裂紋發(fā)生率也可控制在1.2%以內(nèi)，略優(yōu)于保護渣LC2使用時1.5%發(fā)生率的水平。對于其他規(guī)格鑄坯，兩種保護渣使用效果相當(dāng)。

5 結(jié)論

(1)45號鋼厚板表面邊部裂紋起源于連鑄工序，根源在結(jié)晶器內(nèi)。

(2)保護渣粘度、熔點過高，引起結(jié)晶器內(nèi)坯殼生成不均，進而發(fā)生撕裂，是造成45號鋼板坯窄面裂、進而形成軋后鋼板表面邊部裂紋的根本原因。

(3)通過降低結(jié)晶器保護渣粘度和熔點，可使成品邊部裂紋發(fā)生率平均控制在1%以內(nèi)。