由于分層缺陷引起熱軋帶鋼性能異常情況分析及控制

趙英東，董 鵬，高 梅，杜艷波

（唐山瑞豐鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，河北 063303）

0 引言

某鋼鐵集團(tuán)有限公司軋鋼廠生產(chǎn)Q235 牌號帶鋼產(chǎn)品，用于制管用途，成品帶鋼需檢測屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和彎曲性能，檢測合格后方能出售。企業(yè)在使用SHT4305 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對成品Q235 帶鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)檢測過程中，因出現(xiàn)分層情況，造成試樣提前開裂，斷后伸長率未滿足國標(biāo)要求；另外在使用BW-300 板材連續(xù)彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)過程中，也因出現(xiàn)分層情況，造成試樣出現(xiàn)開裂。問題出現(xiàn)后繼續(xù)取樣進(jìn)行復(fù)檢，分層未再出現(xiàn)，產(chǎn)品性能合格，滿足國標(biāo)要求。隨后對出現(xiàn)分層的兩個(gè)樣品進(jìn)行成分分析，成分滿足國標(biāo)要求。分層會造成帶鋼折疊、邊裂等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)生產(chǎn)事故，造成堆鋼，影響產(chǎn)線生產(chǎn)效率。出廠檢驗(yàn)若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)分層缺陷，會影響下游客戶的使用，易出現(xiàn)焊接不良等情況，造成質(zhì)量異議，影響客戶滿意度。

為減少因分層缺陷帶來的危害，查明帶鋼性能分析過程中出現(xiàn)分層的主要原因，在拉伸試驗(yàn)分層和冷彎試驗(yàn)分層缺陷部位截取試樣，對其進(jìn)行化學(xué)成分、宏觀形貌、金相組織、掃描電鏡以及能譜分析。本文結(jié)合分層試樣檢測結(jié)果，對帶鋼分層缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并有針對性地提出了工藝改進(jìn)措施。

1 樣品分層缺陷宏觀形貌

圖1 為拉伸試驗(yàn)開裂樣品宏觀形貌，該樣品斷后伸長率24.5%，未滿足國標(biāo)要求。圖2 為冷彎試驗(yàn)開裂樣品宏觀形貌，該樣品冷彎試驗(yàn)不合格。

圖1 拉伸試驗(yàn)開裂樣品宏觀形貌

圖2 冷彎試驗(yàn)開裂樣品宏觀形貌

2 樣品分層缺陷分析

2.1 樣品化學(xué)成分檢測

使用8860 光譜儀對上述兩個(gè)出現(xiàn)分層的樣品進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1 所示。由表1 可以看出兩個(gè)樣品化學(xué)成分滿足國標(biāo)要求。

表1 化學(xué)成分檢測情況

2.2 Q235帶鋼拉伸試驗(yàn)分層分析

2.2.1 金相分析

拉伸試驗(yàn)分層缺陷部位采用金相切割機(jī)加工，將取好的缺陷位置使用自動雙頭鑲嵌機(jī)進(jìn)行熱鑲嵌，鑲嵌好的樣品先由較粗的砂帶進(jìn)行打磨，再以400目、800目、1200目及2000目的砂紙由粗到細(xì)進(jìn)行研磨，研磨好的試樣在拋光機(jī)上用2.5μm 拋光劑進(jìn)行拋光。金相組織采用4%硝酸酒精溶液對樣品進(jìn)行腐蝕3～5s，隨后迅速用清水清洗樣品表面，再使用酒精清洗后吹干。將制作好的金相試樣置于蔡司金相顯微鏡下觀測，發(fā)現(xiàn)在缺陷處表層存在增碳現(xiàn)象（見圖3），與基體組織鐵素體＋珠光體（見圖4）有明顯差別。

圖3 缺陷處表層存在增碳現(xiàn)象

圖4 冷彎試驗(yàn)分層正常位置

2.2.2 掃描電鏡及能譜分析

分層位置使用金相切割機(jī)切成小塊狀，將切割好的樣品放在裝有酒精的燒杯內(nèi)，使用超聲波對樣品表面進(jìn)行清洗，燒杯內(nèi)取出樣品后吹干，將加工好的樣品置于蔡司掃描電子顯微鏡的樣品倉內(nèi)，使用牛津X 射線能譜儀行分析，發(fā)現(xiàn)分層區(qū)域內(nèi)均存在Na、Mg、Al、Si、Ca、Mn、F、O 和Fe 元素（見圖5、圖6），個(gè)別區(qū)域存在少量Zr元素。

圖5 拉伸試驗(yàn)分層位置形貌

圖6 拉伸試驗(yàn)分層位置成分

2.3 Q235帶鋼彎曲試驗(yàn)分層分析

2.3.1 金相分析

彎曲試驗(yàn)分層缺陷采用金相切割機(jī)切割加工，將取好的缺陷位置使用自動雙頭鑲嵌機(jī)進(jìn)行熱鑲嵌，鑲嵌好的樣品與拉伸試驗(yàn)分層缺陷金相試樣打磨、拋光、腐蝕及清洗處理過程相同。最后將制作好的金相試樣置于蔡司金相顯微鏡下觀測，組織為鐵素體＋珠光體+魏氏組織，存在較多的鐵素體帶并且存在大量長條狀夾雜聚集（見圖7）。

圖7 彎曲試樣金相組織形貌

2.3.2 掃描電鏡及能譜分析

將加工好的樣品置于蔡司掃描電子顯微鏡的樣品倉內(nèi)，使用牛津X 射線能譜儀行分析，發(fā)現(xiàn)灰色區(qū)域內(nèi)均存在Mn、S 和Fe 元素（見圖8、圖9），特征元素表明灰色長條夾雜物為硫化錳。

圖8 彎曲試樣夾雜物形貌

圖9 彎曲試樣夾雜物成分

3 分層缺陷原因分析及解決方法

3.1 分層缺陷原因分析

3.1.1 卷渣因素

通過上文拉伸試驗(yàn)分層缺陷部位能譜分析可知，分層部位存在大面積的Na、Mg、Al、Si、Ca、Mn、F、O和Fe元素的夾雜物。而Q235B生產(chǎn)過程中，連鑄結(jié)晶器內(nèi)常使用保護(hù)渣對鋼水進(jìn)行防護(hù)，阻止鋼液熱量的散失、防止鋼液的二次氧化、凈化鋼液內(nèi)夾雜物。保護(hù)渣主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、F 等，水口一般為Zr-Al 材質(zhì)，這與分層缺陷位置特征元素成分相一致，因此可判定拉伸試驗(yàn)分層缺陷位置有卷渣現(xiàn)象發(fā)生。

Q235B 為Al 脫氧的鎮(zhèn)靜鋼，鋼中含碳量較低，鋼水氧化性較強(qiáng)，水口容易累積絮流物，從而發(fā)生水口堵塞[1]。由此推斷可知，上述卷渣缺陷是由于水口出現(xiàn)絮流物，同時(shí)水口與鋼液、保護(hù)渣長時(shí)間接觸造成損傷，掉入結(jié)晶器內(nèi)，導(dǎo)致液面出現(xiàn)不穩(wěn)定的流動，致使保護(hù)渣被卷入鋼液中，被凝固坯殼的前沿捕捉形成卷渣。存在卷渣的鋼坯經(jīng)過加熱、粗軋、精軋，鋼內(nèi)卷渣被拉長，最終形成內(nèi)部長條狀缺陷，導(dǎo)致帶鋼后期在拉伸試驗(yàn)過程中因受力不均出現(xiàn)分層情況。并且由于保護(hù)渣的含碳量較高，在熱軋前的高溫加熱過程中，對周圍基體起到“滲碳”作用[2]，使微區(qū)碳含量發(fā)生變化，造成增碳現(xiàn)象，才使得缺陷處組織與基體組織鐵素體＋珠光體有明顯差別。

3.1.2 偏析因素

在Q235B 帶鋼彎曲試驗(yàn)分層缺陷樣品檢驗(yàn)中，視場中心異常的鐵素體帶組織中，存在大量的淺灰色細(xì)長條硫化物，這是由于白色鐵素體帶P 含量要高于一般基體，這種P 偏析所造成的鐵素體帶組織稱為鬼線。連鑄冷凝過程中，結(jié)晶內(nèi)中外層鋼液先結(jié)晶，成分比較均勻，而殘液中的P、S 等其他元素含量較多，以至聚集最后凝固的中心部分。

由于中心含P、S 元素較高，此時(shí)S 便形成硫化物類夾雜，它的存在會嚴(yán)重破壞鋼材顯微組織的連續(xù)性，降低鋼的塑性和強(qiáng)度，容易成為裂紋源。P則固溶于基體中，它不易擴(kuò)散，并且有排C 作用，C 熔不進(jìn)去，所以磷固溶體周圍含C量較高，即在富集P區(qū)域的兩側(cè)，分別形成一條與鐵素體白亮帶平行的、較窄的、斷續(xù)的珠光體帶[3]。鋼中存在嚴(yán)重的P偏析組織，會使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，它會促使材料容易發(fā)生內(nèi)裂，同時(shí)會降低材料的力學(xué)性能，這正是彎曲試驗(yàn)過程出現(xiàn)分層的主要原因。

3.2 解決方法

3.2.1 卷渣問題解決方法

（1）加強(qiáng)工藝裝備的點(diǎn)檢及維護(hù)，確保工藝設(shè)備良好運(yùn)行。

（2）連鑄浸入式水口改用內(nèi)裝整體式水口，徹底解決中間包與浸入式水口之間保護(hù)不到位的問題，基本做到鋼水無氧化的保護(hù)澆注，避免水口絮流，同時(shí)合理控制浸入式水口插入深度，減少澆注時(shí)鋼水流動對結(jié)晶器液面的擾動[4]。

（3）單次連澆爐數(shù)控制在一定范圍內(nèi)，可以解決長時(shí)間保護(hù)澆注情況下，耐材侵蝕對鋼水的污染，也可以解決更換水口對卷渣段坯料剔除不到位造成的卷渣殘余。

3.2 偏析問題解決方法

（1）降低鐵水中的P、S 元素含量，可以保證鋼水冶煉過程中的P、S 元素含量的降低，減少連鑄階段凝固于枝晶軸間的P、S 元素和夾雜物的產(chǎn)生，同時(shí)降低P、S元素的偏析程度。

（2）熱軋帶鋼中組織偏析是由于P 元素的富集所致，將鑄坯加熱溫度提高，增加總加熱時(shí)間，可以減輕組織偏析現(xiàn)象的影響[5]。

4 結(jié)語

為查明帶鋼拉伸試驗(yàn)和冷彎試驗(yàn)過程中，試樣出現(xiàn)分層缺陷的原因，在兩種分層試樣的缺陷部位進(jìn)行取樣分析。通過對試樣缺陷部位化學(xué)成分、宏觀形貌、金相組織、掃描電鏡以及能譜分析，明確了結(jié)晶器內(nèi)卷渣和連鑄坯中嚴(yán)重P偏析是導(dǎo)致Q235B帶鋼出現(xiàn)分層缺陷的主要原因。

（1）連鑄澆注過程中，水口損壞和絮流物掉入結(jié)晶器內(nèi)是導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)液面不穩(wěn)定流動及卷渣的主要原因。通過改造連鑄浸入式水口的結(jié)構(gòu)形式、合理控制浸入式水口插入深度和單次連澆爐數(shù)，可以有效降低水口損壞和絮流物掉落造成鋼坯卷渣的頻次。

（2）在連鑄坯凝固時(shí)，鋼液成分不均勻，殘液在鑄坯中部會形成P、S富集區(qū)。P固溶在基體中不易擴(kuò)散，且有排C 作用，所以會形成一條與鐵素體白亮帶平行的珠光體帶。鋼中嚴(yán)重的P 偏析會使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、容易引發(fā)內(nèi)裂、降低材料的力學(xué)性能，造成彎曲試驗(yàn)過程出現(xiàn)分層。通過降低鋼水中的P、S 含量、提高鑄坯軋制過程的加熱溫度，可降低連鑄坯P、S 元素的偏析程度、減輕P 偏析組織對帶鋼力學(xué)性能的影響。