祝桂合，蔣雪軍

（濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司 科技質(zhì)量部，山東 濟(jì)南250101）

1 前言

在鋼鐵廠，鋼板表面缺陷是個(gè)跨界課題。各種形狀的裂紋缺陷發(fā)生時(shí)，軋鋼工程師往往認(rèn)為是連鑄坯固有缺陷遺傳，而不加深入分析；煉鋼工程師認(rèn)為缺陷不一定都遺傳自連鑄坯，也可能是再加熱及軋制機(jī)械變形過程存在參數(shù)不當(dāng)而撕裂產(chǎn)生。

2005年以后，在我國(guó)中厚板工業(yè)由大變強(qiáng)的過程中，各主力鋼廠迅速開發(fā)了大量各種低合金高強(qiáng)度鋼及合金鋼，通過控制成分，調(diào)整軋制及控冷參數(shù)，1 200 MPa級(jí)甚至以上級(jí)別高強(qiáng)鋼相繼開發(fā)成功，大型油罐用鋼、X80、X100等為代表的各種高等級(jí)鋼種已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。期間，各鋼廠普遍遇到的棘手問題，便是鋼板表面出現(xiàn)的大縱裂、網(wǎng)裂、橫裂、山峰裂、密集發(fā)紋裂等裂紋缺陷。有些缺陷較淺，可以機(jī)械修磨；有些缺陷較深，直接判為廢品。對(duì)于有些高級(jí)用戶，鋼板表面不允許修磨痕跡。因此，這些裂紋問題必須加以消除。

筆者帶領(lǐng)攻關(guān)組對(duì)上述裂紋進(jìn)行了長(zhǎng)期深入研究，既探索了機(jī)理，也分析了來源，并在實(shí)踐中找到了控制方法，目前，徹底消除了這些缺陷隱患。通過實(shí)驗(yàn)室研究，總結(jié)論述了依據(jù)氧化物圓點(diǎn)及脫碳層等現(xiàn)象查找鋼板表面裂紋來源的觀點(diǎn)［1］。本研究仍運(yùn)用該觀點(diǎn)分析鋼板表面網(wǎng)狀裂紋來源，并簡(jiǎn)述控制方法及實(shí)踐結(jié)果。

2 網(wǎng)狀裂紋形貌特征及分析

發(fā)生于連鑄坯表面的網(wǎng)狀裂紋，亦稱為龜裂或星裂［2］。發(fā)生于鋼板表面的網(wǎng)狀裂紋沒有統(tǒng)一名稱，筆者認(rèn)為也可稱為龜裂或星裂。通常網(wǎng)裂比較淺顯，距鋼板表面0.4～1 mm以內(nèi)（見圖1）。也有較深且很發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀裂紋（見圖2），這種裂紋因其外圍成橢圓簇狀，故亦稱馬蜂窩狀裂紋。有時(shí)，因該種裂紋既寬且深，會(huì)誤解為過燒龜裂。

圖2 AH32鋼板表面網(wǎng)裂（馬蜂窩）照片

筆者的韓國(guó)同行對(duì)上述SM490A鋼板表面星裂進(jìn)行電鏡分析發(fā)現(xiàn)，裂紋底部存在Fe的氧化物（見圖3）及Ca、Al的氧化物（見圖4）。據(jù)此認(rèn)為此裂紋可能是軋制過程產(chǎn)生，原因是除鱗及軋輥參數(shù)不當(dāng)引起。但是，筆者認(rèn)為，其忽視了氧化物圓點(diǎn)現(xiàn)象（圖4）和保護(hù)渣成分的存在，圖5為圖1b裂紋成分掃描結(jié)果，圖中A處為Fe氧化物，B處為Ca、Al氧化物，是保護(hù)渣成分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果［1］，可以推斷其裂紋來源自連鑄坯，并且Ca、Al氧化物恰好是保護(hù)渣成分，證明連鑄階段裂紋已經(jīng)形成。

圖3 圖1a之電鏡分析結(jié)果

圖4 圖1b之電鏡分析結(jié)果

圖5 圖1b裂紋成分掃描結(jié)果

氧化物圓點(diǎn)是重要的信號(hào)。筆者在攻關(guān)早期階段沒有重視利用這一信號(hào)判斷裂紋來源，走了一些彎路。通常，對(duì)于網(wǎng)裂，大家首先會(huì)想到Cu的作用，把目光集中在結(jié)晶器銅板以及Cu元素富集上。有文獻(xiàn)對(duì)此類裂紋有詳盡描述［2］。如圖6所示，對(duì)圖2鋼板嚴(yán)重網(wǎng)裂（馬蜂窩）進(jìn)行電鏡掃描，很容易就發(fā)現(xiàn)了高純度的Cu質(zhì)點(diǎn)存在。由此，筆者制定了嚴(yán)格的結(jié)晶器使用管理規(guī)定。雖然大大減少了該類缺陷，但并沒有完全消失。后來，筆者重新審視氧化物圓點(diǎn)帶來的信息，著眼點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大至保護(hù)渣及鋼水質(zhì)量，最終徹底消除了該類缺陷。

3 非Cu致網(wǎng)裂分析

3.1 裂紋形貌特征

筆者研究了E級(jí)船板發(fā)生的網(wǎng)裂缺陷（馬蜂窩），圖7為E船板的兩處馬蜂窩裂紋形貌，馬蜂窩裂紋分布很不規(guī)律，一般開口較大，裂紋長(zhǎng)度較小。

把馬蜂窩裂紋鋼板沿軋向剖開，對(duì)平行于軋向的橫截面進(jìn)行機(jī)械研磨拋光腐蝕后，進(jìn)行金相觀察，圖8為不同裂紋處的金相組織形貌。E船板的金相組織為鐵素體＋珠光體組織，珠光體呈帶狀分布（圖中黑色組織為珠光體，白色為鐵素體）。馬蜂窩裂紋開口較大，由表面成喇叭狀向里延伸，在裂紋近表面的一側(cè)，可以觀察到明顯的脫碳區(qū)，而裂紋的另一側(cè)脫碳較輕，只是在裂紋的附近存在脫碳，可以觀察到少量的珠光體組織。裂紋內(nèi)充滿灰色的氧化物。

譜圖譜圖1譜圖2譜圖3譜圖4最大最小在狀態(tài)0是是是是29.57 9.40 Mn 1.05 0.98 26.41 29.57 9.40 1.26 1.26 0.98 Fe 68.48 78.24 93.24 71.49 93.24 68.48 Cu 0.90 11.37 6.76 0.84 11.37 0.84總的100 100 100 100 100 100

譜圖譜圖1譜圖2譜圖3譜圖4譜圖5譜圖6譜圖7譜圖8譜圖9譜圖10最大最小在狀態(tài)0是是是是是是是是是是35.65 31.74 34.12 40.34 18.54 14.14 6.32 18.84 8.61 22.50 40.34 6.32 Si 1.00 Ca 0.92 Mn 0.47 Cu 0.89 0.270.89 0.46 0.257.31 1.13 0.29 1.00 0.27 0.16 0.42 0.92 0.16 0.40 0.34 0.56 0.89 0.34 Fe 60.96 64.76 64.77 66.25 55.93 43.97 31.81 52.23 35.20 55.80 66.25 31.81 0.95 3.22 7.31 0.89總的99.88 96.51 100.05 106.58 74.93 65.68 39.26 71.46 45.26 82.80

圖6 馬蜂窩裂紋中發(fā)現(xiàn)的Cu元素質(zhì)點(diǎn)

圖7 E船板表面馬蜂窩裂紋宏觀形貌

圖9為一較深的馬蜂窩裂紋處的組織形貌，在沿裂紋兩邊的組織存在較輕微的脫碳，但裂紋兩側(cè)的組織存在很明顯的差異，近表面處的珠光體組織彌散分布，鐵素體晶粒呈等軸狀，有長(zhǎng)大跡象；而在裂紋另一側(cè)的基體中，珠光體成明顯的帶狀分布，裂紋開口和裂紋擴(kuò)展方向均平行于帶狀珠光體的方向。

圖8 E船板鋼馬蜂窩裂紋的金相組織

圖9 E船板馬蜂窩裂紋附近的金相組織

圖10為圖9中馬蜂窩裂紋掃描電鏡分析，由局部放大分析可以看出，在裂紋周圍基體中存在二次氧化顆粒，能譜分析表明，這些氧化物主要為含Si和Mn的氧化顆粒。圖11為圖8b中馬蜂窩裂紋二次氧化顆粒形貌與分析，圖12為另一處馬蜂窩裂紋周圍的二次氧化顆粒形貌與分析，由圖11和圖12可以看出，由于這兩處裂紋較淺，開口較大，裂紋周圍二次氧化顆粒密度和尺寸都明顯高于圖10。

二次氧化顆粒的形成必須具備3個(gè)條件：一是材料在高溫狀態(tài)，文獻(xiàn)資料［3］認(rèn)為在半固熔狀態(tài)，對(duì)鋼來說應(yīng)該在900℃以上；二是基體首先脫碳，并且有氧的氛圍；三是必須有較長(zhǎng)的時(shí)間，如果時(shí)間較短，即使在高溫下，也只能在表皮生成氧化鐵，而不能在氧化鐵皮的下面再生成二次氧化顆粒。具體反應(yīng)過程為：在高溫加熱過程中，裂紋表面氧化皮發(fā)生還原反應(yīng)，氧化鐵中的氧被置換出來，基體中的碳會(huì)和置換出的氧或者外部滲入的氧發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳或者一氧化碳?xì)怏w，造成基體脫碳，這時(shí)爐內(nèi)的氧含量極低，存在一個(gè)相對(duì)缺氧的環(huán)境，脫碳后基體中的Si和Mn會(huì)優(yōu)先和少量的氧發(fā)生反應(yīng)，生成二次氧化顆粒。二次氧化顆粒的生成是一個(gè)比較緩慢的過程，需要有充足的時(shí)間，另外周圍的氧含量不能太高，否則會(huì)在表面迅速生成氧化鐵保護(hù)膜，阻止氧氣的進(jìn)入，從而不能產(chǎn)生二次氧化顆粒，這也是在軋鋼過程中，雖然粗軋和精軋溫度較高，但持續(xù)時(shí)間較短，不具備生成皮下二次氧化顆粒的條件，另外在軋制過程中鋼板的表面迅速產(chǎn)生氧化鐵保護(hù)膜，因此在表面氧化鐵皮的下面沒有發(fā)現(xiàn)二次氧化顆粒存在，這也可以間接證明二次氧化顆粒不是在軋制過程中產(chǎn)生的。

圖10 圖9中裂紋處二次氧化顆粒形貌和能譜分析

圖11 圖8b中裂紋的二次氧化顆粒及其成分分析

圖12 另一處馬蜂窩裂紋周圍組織、二次氧化顆粒形貌及成分分析

由上述E級(jí)船板馬蜂窩裂紋周圍組織形貌特征及二次氧化顆粒分析結(jié)果表明，該爐次馬蜂窩裂紋不是在軋鋼過程中產(chǎn)生的，是在鑄坯中就存在裂紋。

第一點(diǎn)證明是近表層裂紋開口處存在嚴(yán)重脫碳，這種脫碳深度遠(yuǎn)高于表面脫碳層深度，如果是軋制中開裂，裂紋周圍脫碳層僅在裂紋表層存在。

第二點(diǎn)證明是裂紋上下表層帶狀組織形貌明顯不一致，近表層帶狀組織不明顯，而裂紋另一邊存在完整的帶狀組織形貌，且在裂紋開口處，帶狀珠光體組織與裂紋開口方向近似平行，這說明在帶狀組織形成之前，裂紋已經(jīng)存在。因?yàn)轭A(yù)先存在的裂紋，改變了軋制過程中裂紋處的受力狀態(tài)，裂紋的上面開口處不再受平行軋向的拉應(yīng)力，而是自由端，這樣上表面的帶狀組織不明顯；如果是軋制中開裂，軋制中帶狀組織已經(jīng)存在，這樣在裂紋開口處的帶狀組織與裂紋是近似垂直關(guān)系，而不是觀察到的近似平行關(guān)系。

第三點(diǎn)證明就是裂紋周圍大量二次氧化顆粒存在，文獻(xiàn)［1］已經(jīng)說明二次氧化顆粒存在的必備條件。

這3點(diǎn)證明，該馬蜂窩裂紋不是在軋制過程中產(chǎn)生的，是在鑄坯中早已存在。由于在裂紋開口處并沒有觀察到保護(hù)渣成分，該裂紋的產(chǎn)生可能有兩種情形：一是在澆鑄過程中，裂紋很小，或者以氣泡的形式存在，沒有卷入保護(hù)渣，經(jīng)過爐內(nèi)的高溫加熱后，形成大量脆性的二次氧化顆粒和裂紋氧化鐵皮，在后來的軋制過程中，裂紋不但不能軋合，反而開口擴(kuò)展增大，二是有可能在澆鑄后的冷卻過程中產(chǎn)生的熱裂紋。

3.2 進(jìn)一步的驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)

針對(duì)熱裂紋，筆者做了進(jìn)一步的驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)。將同一澆次連鑄坯分別熱送和冷送軋制，統(tǒng)計(jì)其產(chǎn)生網(wǎng)裂的指數(shù)，結(jié)果兩者差距達(dá)到49倍。

筆者所在地區(qū)，每年3月和7月會(huì)有顯著的氣候變化。其對(duì)連鑄坯以及鋼板裂紋產(chǎn)生某種外在關(guān)聯(lián)影響，即每到3月和7月，出現(xiàn)裂紋異常敏感期，集中爆發(fā)裂紋缺陷。2008年3月16日，現(xiàn)場(chǎng)軋制時(shí)連續(xù)出現(xiàn)鋼板裂紋，隨即組織了冷熱送（含溫送）對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)3個(gè)爐號(hào)（7509662、7509663、7509994）的連鑄坯按澆注順序分單雙號(hào)進(jìn)行軋制對(duì)比，單序號(hào)在線熱送軋制，雙序號(hào)下線冷卻48 h再上線軋制。7509665爐號(hào)整爐熱送軋制。7509666、7509667爐號(hào)下線冷卻至600℃以下時(shí)溫送再加熱軋制。7509668爐號(hào)部分溫送軋制，部分冷送軋制。對(duì)比結(jié)果見表1。統(tǒng)計(jì)表明，鑄坯熱送軋制鋼板裂紋率高達(dá)36.4%，溫送裂紋率為零，冷送裂紋率為0.74%。

表1的結(jié)果說明鋼板裂紋來源于加熱過程，即Al、Ti、Nb、C的N化物引起的晶界熱脆性裂紋［2］。但是，對(duì)裂紋進(jìn)行的微觀分析，發(fā)現(xiàn)該批次無論熱送或冷送軋制，鋼板表面出現(xiàn)的無論是網(wǎng)裂還是小縱裂，均伴有前述氧化物圓點(diǎn)及脫碳現(xiàn)象。這說明，在高溫連鑄坯冷卻階段，已經(jīng)存在晶界熱脆性裂紋。熱送軋制時(shí)，裂紋更容易得到擴(kuò)展或者暴露，冷送時(shí)能夠得到較好抑制，并且由于加熱時(shí)間更長(zhǎng)，部分輕微裂紋會(huì)燒淺延平而近似消失。筆者對(duì)該批次連鑄坯進(jìn)行了表面扒皮檢查，在皮下0～1 mm深度內(nèi)找到了微裂紋（2～5 mm），而且在更深的深度（扒皮2 mm后）后裂紋消失，這就證明了筆者的判斷。

表1 不同溫度下裝爐軋制裂紋率對(duì)比

根據(jù)上述分析結(jié)果，采取的控制措施除結(jié)晶器及二冷段弱冷、改進(jìn)保護(hù)渣、恒拉速澆注、高溫矯直等之外，更加注意控制連鑄坯熱送溫度控制，即含Nb等裂紋敏感元素的低合金鋼裝入加熱爐時(shí)避開第三脆性溫度區(qū)間，實(shí)行冷裝或者緩冷控溫后裝爐。目前，濟(jì)鋼各鋼板產(chǎn)線平均裂紋缺陷產(chǎn)生比率已經(jīng)穩(wěn)定控制在0.1%以下，有的產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了0.01%以下。

熱裝溫度對(duì)鋼板裂紋率的影響規(guī)律筆者已經(jīng)做過專門論述［4］，簡(jiǎn)言之，熱履歷對(duì)連鑄坯及鋼板表面裂紋產(chǎn)生概率及程度有較大影響，需根據(jù)各鋼種熱態(tài)特性制定其熱裝制度。

4 結(jié)語

通過分析鋼板裂紋處氧化物圓點(diǎn)及脫碳程度，能夠較容易地找出產(chǎn)生裂紋的工序或時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而查找生成之原因及采取針對(duì)性解決措施。鋼板網(wǎng)裂根據(jù)其產(chǎn)生的根源及其時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同，其表現(xiàn)形式及程度有較大差異，需依據(jù)裂紋周圍微觀分析仔細(xì)勘驗(yàn)。

［1］ 祝桂合，萬友堂，張繼明，等.鋼板表面裂紋及氧化物圓點(diǎn)形成條件模擬試驗(yàn)［J］.山東冶金，2012，34（2）：30-33.

［2］ 蔡開科.連鑄坯質(zhì)量控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：231.

［3］ 董金剛，虞敵衛(wèi).板坯開裂原因分析［J］.寶鋼技術(shù)，2000（4）：20-23.

［4］ 祝桂合，趙乾，馬興云，等，含Nb低合金鋼熱履歷對(duì)鑄坯及軋后鋼板的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)（英文版），2008，15：694.