論中厚板表面片狀開(kāi)裂原因及控制策略

蘇 波

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)鋼材市場(chǎng)越來(lái)越規(guī)范。尤其是生產(chǎn)工藝的提升，使市場(chǎng)上鋼材的種類(lèi)越來(lái)越齊全，各種不同型號(hào)、不同用途的鋼材層出不窮。在各種類(lèi)型的鋼材中，中厚板是一種非常常見(jiàn)的鋼鐵材料之一。它以其自身優(yōu)良的性能、良好的韌性、較高的強(qiáng)度、以及理想的可焊接性，在我國(guó)許多領(lǐng)域被廣泛采用。但與此同時(shí)，作為一種帶狀板材，在中厚板各種不同用途的加工好在再生產(chǎn)過(guò)程中，也具備了一些其它板材具有的質(zhì)量通病。

對(duì)中厚板在我國(guó)工業(yè)應(yīng)用情況的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，中厚板表面裂紋屬于一種常見(jiàn)現(xiàn)象。其具體表現(xiàn)形式有很多，比如角部橫裂、微裂紋、縱裂等等，而且隨著此現(xiàn)象發(fā)生頻率不斷提高，已經(jīng)引起了相關(guān)人員的重視。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在中厚板軋制過(guò)程中，如果出現(xiàn)片狀開(kāi)裂現(xiàn)象，則鋼板將被判定為報(bào)廢產(chǎn)品，而且此缺陷與中厚板軋制厚度有直接關(guān)系，軋制厚度越薄，發(fā)現(xiàn)難度越高，增加了質(zhì)檢人員的工作難度。為解決此現(xiàn)象，研究人員借助光學(xué)顯微鏡、掃面電鏡等設(shè)備展開(kāi)了具體研究，總結(jié)了中厚板表面片狀開(kāi)裂原因，并結(jié)合研究結(jié)果制定了具體解決方案，以提高工作質(zhì)量，控制項(xiàng)目成本。

1 中厚板片狀開(kāi)裂的外貌特征和有關(guān)因素分析

1.1 中厚板表面裂紋的分類(lèi)

中厚板作為一種的常見(jiàn)的帶狀板材，厚度一般為4.5mm ～10mm，寬度尺寸一般在1800mmmm ～2500mm 之間，而長(zhǎng)度尺寸通常大于6M。通常維持在6000mm ～12000mm 之間，有的甚至長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于12000mm。因此，其表面質(zhì)量對(duì)其自身強(qiáng)度等各種性能的影響，要遠(yuǎn)大于一般鋼材。在中厚板的各種表面質(zhì)量通病中，其表面裂紋是其中危害程度較大的一種。

若表面裂紋較淺，同時(shí)分布范圍較小，并處于中厚板邊部等對(duì)其質(zhì)量影響不大的區(qū)域。則將鋼板輕微打磨、處理后，并不影響中厚板按生產(chǎn)規(guī)格的正常使用；若中厚板表面裂紋較深，且分布范圍廣泛，則對(duì)中厚板打磨、處理后，必須對(duì)鋼板規(guī)格進(jìn)行降級(jí)，然后才能重新利用。甚至嚴(yán)重者還可能造成鋼材直接報(bào)廢。

對(duì)中厚板表面裂紋的成因進(jìn)行研究分析可以發(fā)現(xiàn)，造成中厚板表面裂紋產(chǎn)生的原因是多種多樣，但同時(shí)又很難進(jìn)行量化來(lái)直接分類(lèi)。因此，對(duì)中厚板表面裂紋的種類(lèi)，通常是按照其表面裂紋的外貌特征和分布位置來(lái)進(jìn)行劃分。一般可分為橫裂、縱裂、邊部裂紋、微裂紋、和星狀裂紋等。不同種類(lèi)和分布區(qū)域的裂紋，其對(duì)鋼板質(zhì)量的危害程度并不相同。

1.2 中厚板片狀開(kāi)裂的外貌特征

本文所討論的片狀開(kāi)裂，也屬于中厚板表面裂紋的一種。對(duì)鋼板所發(fā)生裂紋的實(shí)際情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其中普鋼、低合金發(fā)生裂紋情況較多。但是此情況與鋼種類(lèi)型沒(méi)有直接聯(lián)系，而且具有較高的隨機(jī)性。對(duì)裂紋類(lèi)型、形狀、尺寸、分布特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，中厚板所出現(xiàn)裂紋屬于帶狀裂紋，出現(xiàn)在中厚板1/4 到1/3 位置，長(zhǎng)度方向并不固定。具體形態(tài)會(huì)受到中厚板軋制厚度影響，厚度越薄，片狀區(qū)域范圍越廣，裂紋程度也越淺，如圖1 所示。除此之外，還可能呈現(xiàn)為微裂紋形式，在實(shí)際工作中，工作人員無(wú)法做出準(zhǔn)確判斷的原因在于他們的判斷會(huì)受到外界因素的干擾，比如大型夾雜物、夾渣等等。

圖1 中厚板開(kāi)裂情況示意圖

1.3 中厚板表面開(kāi)裂的有關(guān)因素分析

1.3.1 鋼種合金元素的影響

根據(jù)鋼材的化學(xué)成分及其自身的特征可知，鋼材本身的各種性能，與其組織結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種元素及其含量的大小，具有直接性的關(guān)系。尤其都是對(duì)于中厚板來(lái)說(shuō)，其自身的力學(xué)性能和各種工藝性能的優(yōu)劣，都與其化學(xué)成分中的C 元素的含量息息相關(guān)。而根據(jù)生產(chǎn)工藝，及中厚板自身性能的要求，在中厚板軋制過(guò)程中，其內(nèi)碳元素的含量一般都是維持在0.09%～0.18%之間。而在這個(gè)區(qū)間之內(nèi)，受C 元素含量的影響，鋼板對(duì)表面裂紋的產(chǎn)生較為敏感。再加上一些微合金鋼中通常都需要加入微量的Nb（鈮）元素。而Nb（鈮）元素的加入，雖然能夠大幅度的改善鋼板本身的機(jī)械性能，但也使中厚板表面開(kāi)裂的幾率大大增加，中厚板較多的出現(xiàn)表面裂紋現(xiàn)象。

1.3.2 鋼坯成品厚度的影響

在中厚板軋制過(guò)程中，其表面裂紋的出現(xiàn)，除了與其自身的化學(xué)成分有關(guān)系外，還與其軋制鋼坯的厚度具有直接影響。研究表明，當(dāng)鋼坯成品的厚度在小于20mm 時(shí)，其表面出現(xiàn)的裂紋指數(shù)為0.32；當(dāng)鋼坯成品的厚度在大于20mm，而小于40mm時(shí)，中厚板表面裂紋指數(shù)為2.98。是小于20mm 時(shí)的9.3 倍，并且隨著中厚板厚度的增加，其表面裂紋指數(shù)也隨之呈線性增大的趨勢(shì)；當(dāng)鋼坯成品的厚度在大于40mm 時(shí)，其表面出現(xiàn)的裂紋指數(shù)為11.25，是小于20mm 時(shí)的35.1 倍，并且隨著鋼坯成品厚度的增加，裂紋指數(shù)呈線性增加的關(guān)系。由此可以看出，中厚板表面產(chǎn)生裂紋的幾率，與軋制鋼坯成品的厚度，即鋼坯的軋制壓縮比具有很大的關(guān)系。

2 裂紋形成原因分析

2.1 化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)表明，中厚板中的化學(xué)成分根據(jù)其含量主要分為三種，即基礎(chǔ)元素、常存元素以及各種微量元素。其中基礎(chǔ)元素為Fe和C 元素；常存元素包括Si、N、S、Mn 等；微量元素包括Nb和Ti 等。在本文中，筆者以中厚板中的A32 鋼種為例，通過(guò)對(duì)鋼板本身的化學(xué)元素進(jìn)行具體分析。根據(jù)不同元素對(duì)中厚板性能的影響，研究中厚板表面出現(xiàn)的片狀裂紋產(chǎn)生的可能的原因。下表1 為所選擇A32 中厚板內(nèi)部化學(xué)成分內(nèi)控目標(biāo)值。

表1 中厚板化學(xué)成分

2.2 宏觀特征分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)A32 中厚板軋制過(guò)程中產(chǎn)生表面裂紋的概率，然后與其它鋼種的中厚板進(jìn)行對(duì)比分析，由此可知，通常情況下，出現(xiàn)裂紋情況的中厚板的厚度在10mm ～100mm 之間，且鋼板厚度越厚，表面產(chǎn)生裂紋的幾率也隨之增大，同時(shí)裂紋形成的深度也隨之加深。此外，還有一些如Q345EN、316LN、718/304L 等含鈮中碳合金鋼，軋制過(guò)程中也會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生表面開(kāi)裂現(xiàn)象。當(dāng)這些類(lèi)型的中厚板表面出現(xiàn)裂紋缺陷時(shí)，裂紋缺陷出現(xiàn)點(diǎn)位多處于鋼板兩側(cè)，與鋼板邊緣擁有100mm ～300mm之間左右的距離。同時(shí)這些裂紋主要存在兩種形狀，分別是“W”型或“M”型。所出現(xiàn)裂紋連續(xù)性較低，而且非常雜亂，沒(méi)有規(guī)律，非常小。

2.3 微觀特征分析

為了了解中厚板產(chǎn)生片狀裂紋原因，以典型裂紋為研究對(duì)象，在其中切取小部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)所獲得實(shí)驗(yàn)材料橫斷面進(jìn)行研磨處理，分析裂紋源，使用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡與透射電鏡完成裂紋源內(nèi)部組織詳細(xì)分析，然后與正常基本組織對(duì)比，通過(guò)比較兩者之間的較大差異性，以此獲得相應(yīng)結(jié)論。

其實(shí)驗(yàn)研究成果如下圖2，圖中（a）、（b）、（c）、（d）四組圖片為實(shí)驗(yàn)所選擇兩組不同的研究素材的金組織——A3 鋼種片狀裂紋缺陷鋼板，鋼板規(guī)格在50mm×800mm×1100mm。其中圖（a）表示裂紋處外貌；圖（b）與圖（c）為不同放大倍數(shù)下的裂紋金相組織；圖（d）為正常體組織。

圖2 A3 金相分析照片

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，樣本的裂紋內(nèi)部存在大量的氧化鐵（FeO3）、少量氧化硅（SiO），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裂紋發(fā)生位置在鑄坯，加熱階段（鑄坯熱軋前）是氧化鐵（FeO3）的主要形成階段。

在正常組織中，二相粒子尺寸與形狀存在較大差異，其中數(shù)量較少的為尺寸較大的星狀二相粒子，其尺寸在500nm 左右。在不同的二相粒子之間或旁邊存在較多數(shù)量細(xì)小粒子、其存在狀態(tài)為零散分布狀態(tài)，其尺寸在0nm ～50nm 之間，借助能譜分析得知，Nb、Ti、C、N 為二相粒子主要組成成分。在裂紋組織中，存在大量的細(xì)小二相粒子，它們出存在狀態(tài)為彌散分布狀態(tài)，其尺寸在10nm ～0nm 之間，借助能譜分析得知，所出現(xiàn)二相粒子均為Nb、Ti、C、N。完成裂紋處與正常組織對(duì)比后可以得到結(jié)論，出相差異與軋制過(guò)程中表層與心部之間的溫度差異存在正相關(guān)關(guān)系，即心部溫度越高出相聚集情況越容易出現(xiàn)，反之，溫度低則會(huì)延緩出相聚集情況，導(dǎo)致出相呈現(xiàn)為彌散、細(xì)小狀態(tài)。

在鑄坯階段與加熱階段，裂紋附近會(huì)出現(xiàn)氧化與脫碳情況。借助透射電鏡可以觀察到NbTi（CN）顆粒，是因?yàn)槠漕w粒較高，證明所選擇實(shí)驗(yàn)類(lèi)型中厚板擁有Nb、Ti、（CN）等化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致此類(lèi)鋼板存在脆性相，增加了裂紋出現(xiàn)可能性。

3 開(kāi)裂問(wèn)題控制方式

3.1 鋼水成分優(yōu)化控制

根據(jù)以上分析可知，當(dāng)中厚板中含有微量元素Nb 時(shí)，在鋼材生產(chǎn)中，雖然Nb 元素的加入可以使鋼材生產(chǎn)工藝更加先進(jìn)和優(yōu)化。且能夠細(xì)化晶粒，阻礙奧氏體晶粒的增大和再生成。同時(shí)還能強(qiáng)化中厚板的韌性和可焊接性，進(jìn)而增強(qiáng)中厚板的機(jī)械性能。但當(dāng)中厚板中Nb 元素含量較多時(shí)，也會(huì)使鋼板形成片狀開(kāi)裂的可能性進(jìn)一步增大。因此，在A32 等中碳合金鋼中厚板加熱生產(chǎn)時(shí)，必須對(duì)鋼水成分控制進(jìn)行優(yōu)化。從而提高微量元素Nb 的加入量控制力度，或直接選擇不添加Nb。如果某些鋼種必須加入Nb 才可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，可以在其中添加0.01%～0.0%的Ti，確保鋼種中的Ti/N＞3.4。

3.2 鋼水氮含量控制

若在生產(chǎn)鋼種過(guò)程中，N 的含量過(guò)高，則氮化物會(huì)過(guò)早析出，增加了鑄坯裂紋的可能性。借助對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼水N含量大于等于50ppm，鋼板極易出現(xiàn)片狀裂紋情況。為解決此類(lèi)問(wèn)題，工作人員應(yīng)優(yōu)化和控制轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧制度、造渣制度、LF 爐脫氧造渣、合金數(shù)序，提高控制各冶煉階段鋼包吹氬流量與壓力的力度，結(jié)合實(shí)際情況制定出具體的連鑄工序保護(hù)措施，以確保鋼水氮含量小于等于30ppm，以確保LF+RH 階段鋼水增氮小于等于10ppm、連鑄工序鋼水增氮小于等于5ppm、最終連鑄坯氮含量小于等于45ppm。

3.3 優(yōu)化處理指標(biāo)

針對(duì)中厚板鋼坯連鑄過(guò)程中保護(hù)渣含量過(guò)少，使其彎月面失去應(yīng)有的保溫和潤(rùn)滑能力，或者保護(hù)渣熔點(diǎn)和黏度較低，加熱過(guò)程中熔化過(guò)快等原因。造成的中厚板軋制過(guò)程中失去保護(hù)渣的保護(hù)，導(dǎo)致出現(xiàn)的表面開(kāi)裂現(xiàn)象。為降低中厚板出現(xiàn)裂紋情況，可對(duì)渣熔化溫度與黏度進(jìn)行優(yōu)化。避免出現(xiàn)保護(hù)渣含量不足、脫渣等情況，確保在澆鋼階段，保護(hù)渣液渣層厚度在9mm ～13m 之間。

3.4 控制二次冷卻強(qiáng)度

通過(guò)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，目前工作人員所使用連鑄機(jī)再生產(chǎn)二冷配水時(shí)，多依靠機(jī)器自身所攜帶系統(tǒng)，只需要根據(jù)實(shí)際情況在二冷段內(nèi)完成鑄坯表面溫度設(shè)定即可。參考前文分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工作人員應(yīng)將連鑄機(jī)矯直區(qū)域（鑄流長(zhǎng)度16.3m ～19.7m）內(nèi)鑄坯溫度調(diào)整到950℃以上，如圖3 所示。

圖3 調(diào)整前后鑄坯表面溫度曲線設(shè)定

3.5 優(yōu)化邊部水比例與最小水量

通常情況下，中厚板表面裂紋多出現(xiàn)在距離鋼板兩側(cè)，與鋼板兩側(cè)的距離在100mm ～300mm 之間，因此，工作人員應(yīng)高度關(guān)注鑄坯邊部溫度，并對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控。在優(yōu)化工作完成后，中厚板部分弧形段邊部的水量（如6 區(qū)）可以降低30%左右，矯直區(qū)邊部水量，如7 區(qū)、8 區(qū)，可以降低50%左右。其詳細(xì)情況如表2 所示。

表2 中厚板優(yōu)化邊部水比例前后的水量對(duì)比

3.6 優(yōu)化鑄坯堆冷卻時(shí)間與溫度

當(dāng)鑄坯熱送溫度進(jìn)入第三脆性區(qū)后，奧氏體晶附近會(huì)出現(xiàn)鐵素體及膜狀，此時(shí)晶界強(qiáng)度略低，受加熱影響會(huì)出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)狀，會(huì)提高晶界出現(xiàn)裂紋可能性，更嚴(yán)重情況不僅會(huì)進(jìn)一步加深裂紋深度，還會(huì)導(dǎo)致裂紋缺口附近出現(xiàn)脫碳層。晶界內(nèi)部含有粗大顆粒碳化物，會(huì)增加晶界脆性強(qiáng)度，提高裂紋出現(xiàn)可能性。鑄坯入爐溫度不超過(guò)500℃，可以降低第三脆性區(qū)出現(xiàn)熱膨脹情況的概率，降低鋼板出現(xiàn)裂紋可能性。

3.7 其他方法

在實(shí)際工作中，工作人員除了可以借助上述方法降低中厚板表面出現(xiàn)片狀開(kāi)裂情況外，還可以借助如下手段進(jìn)行控制：

（1）潤(rùn)滑：連鑄機(jī)軸承長(zhǎng)期處于磨損狀態(tài)，在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，再加上連鑄機(jī)運(yùn)行過(guò)程發(fā)熱，會(huì)加速潤(rùn)滑油消耗，因此可以調(diào)整軸承內(nèi)部潤(rùn)滑形式，降低輸油管路出現(xiàn)堵塞情況可能性。

（2）冷卻：在工作期間，連鑄機(jī)長(zhǎng)期處于高溫烘烤狀態(tài)，為降低鑄坯表面出現(xiàn)裂紋可能性，應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)冷卻方式進(jìn)行優(yōu)化，將單循環(huán)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑€冷卻，以提高設(shè)備冷卻質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

造成中厚板表面出現(xiàn)片狀裂紋的原因有很多，除本文所闡述設(shè)備原因外，還可能因?yàn)槿藶樵蛞穑虼嗽趯?shí)際工作中，管理人員應(yīng)加強(qiáng)管理，保證工作人員具有積極的工作態(tài)度，并對(duì)其進(jìn)行培訓(xùn)，要求在日常工作中必須嚴(yán)格遵守相關(guān)制度，降低此現(xiàn)象發(fā)生可能性。同時(shí)，還應(yīng)積極引進(jìn)市場(chǎng)中所出現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)與優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，為開(kāi)展后續(xù)工作提供更多思路。