王成建（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

近年來(lái)，市場(chǎng)對(duì)棒材圓鋼表面質(zhì)量要求的日益提高，對(duì)圓鋼表面質(zhì)量的控制要求逐漸加強(qiáng)。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱天鋼）棒材廠逐步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的形勢(shì)，使圓鋼品種鋼的生產(chǎn)比例提高到20%以上。隨著對(duì)圓鋼表面質(zhì)量的認(rèn)知程度迅速增長(zhǎng)，在圓鋼生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是品種圓鋼的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)圓鋼表面存在不同程度的成簇裂紋，造成下游客戶在穿管過(guò)程中出現(xiàn)翹皮、折疊、鍛打開(kāi)裂等質(zhì)量缺陷，影響了品種鋼的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)拓展。

圓鋼表面成簇裂紋屬于一種黑皮狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，需要在生產(chǎn)過(guò)程中持續(xù)跟進(jìn)表面酸洗或者熱頂鍛才能有效檢測(cè)出來(lái)，因此在整個(gè)工藝流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了具有針對(duì)性的取樣化驗(yàn)及對(duì)比分析，最終確定了天鋼棒材圓鋼表面成簇裂紋的形成原因，并進(jìn)行了工藝優(yōu)化，徹底消除了圓鋼表面成簇裂紋。

1 成簇裂紋的形貌

天鋼棒材生產(chǎn)圓鋼規(guī)格為Ф16～75 mm，主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括普碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、穿管用鋼、軸承鋼、彈簧鋼等[1]。在生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是在開(kāi)發(fā)品種鋼的檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分爐次在表面酸洗和熱頂鍛后存在程度不等的裂紋。裂紋沿軋制方向縱向延伸貫穿整個(gè)試樣，呈現(xiàn)簇狀形貌，大部分缺陷對(duì)稱分布在圓鋼的兩側(cè)，少量為四簇或者一簇，如圖1所示。相同鋼種的情況下，規(guī)格越大，成簇裂紋的開(kāi)裂程度越嚴(yán)重。鋼種的合金含量越高，成簇裂紋越明顯，一般普碳鋼較少發(fā)現(xiàn)或者開(kāi)裂程度很輕，含Cr、Mo合金的鋼種開(kāi)裂程度最為嚴(yán)重。因此，成簇裂紋具有一定的鋼種敏感性和規(guī)格敏感性。

圖1 35CrMo圓鋼表面成簇裂紋

圓鋼表面成簇裂紋對(duì)下游客戶在穿管、鍛打過(guò)程中會(huì)造成程度不同的開(kāi)裂、折疊、翹皮等質(zhì)量缺陷，尤其是品種圓鋼的使用要求非常嚴(yán)格，還會(huì)造成最終成品件的探傷不合格，是圓鋼開(kāi)發(fā)中需要解決的一類(lèi)非常重要的質(zhì)量問(wèn)題。為此，天鋼棒材根據(jù)成簇裂紋的特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的機(jī)理研究和生產(chǎn)試驗(yàn)，最終確定了成簇裂紋的成因機(jī)理，并從孔型設(shè)計(jì)和軋制噸位等入手，制定了工藝優(yōu)化措施，徹底解決了圓鋼表面成簇裂紋的質(zhì)量缺陷。

2 成簇裂紋成因機(jī)理分析

為了確認(rèn)成簇裂紋的產(chǎn)生環(huán)節(jié)和成因分析，對(duì)典型的樣品進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，并進(jìn)行了生產(chǎn)軋卡試驗(yàn)和跟蹤分析大數(shù)據(jù)對(duì)比，尤其是積累軋槽噸位的過(guò)鋼量分析，為制定合理的軋制噸位提供了可靠的參考價(jià)值。

2.1 金相組織檢驗(yàn)

通過(guò)金相顯微鏡對(duì)典型試樣進(jìn)行高倍分析，成簇裂紋具有一定的傾斜角度，深度為0.05～0.40 mm，少量深度達(dá)到0.60 mm。表面呈現(xiàn)多條開(kāi)裂形貌比較粗糙不平，大部分裂紋根部圓滑，少量根部具有一定的分叉，存在少量氧化鐵皮，伴有很輕的脫碳，如圖2所示。

圖2 35CrMo成簇裂紋金相形貌

2.2 氧化鐵皮壓入對(duì)比試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)金相組織檢驗(yàn)成簇裂紋存在少量的氧化鐵皮，針對(duì)氧化鐵皮壓入分別進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)比。采取人為3支坯料,關(guān)閉水除鱗完全保留加熱氧化鐵皮進(jìn)行軋制，將3支除鱗效果優(yōu)良的坯料對(duì)比成品，以及粗軋半成品圓鋼表面成簇裂紋形貌。發(fā)現(xiàn)兩組試驗(yàn)樣品均存在表面成簇裂紋，裂紋形貌和數(shù)量沒(méi)有根本性的差異。說(shuō)明成簇裂紋不是圓鋼表面氧化鐵皮殘留造成，高倍檢驗(yàn)裂紋處中少量氧化鐵皮屬于軋制過(guò)程中二次生成的氧化鐵皮。

2.3 方坯角部裂紋對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)圓鋼具有四角對(duì)稱性的宏觀形貌，懷疑是由于方坯四個(gè)角缺陷造成。因此將2支12 m，20#鋼方坯分別打磨掉6 m長(zhǎng)的四角，深度為5 mm，另外6 m予以保留，分別對(duì)照相應(yīng)的圓鋼試驗(yàn)驗(yàn)證方坯四角對(duì)圓鋼裂紋的影響。針對(duì)試驗(yàn)方坯，分別截取6架后坯料頭、坯料尾、圓鋼頭、圓鋼尾共8支試樣，分別做表面酸浸、熱頂鍛試驗(yàn)。2支坯料均發(fā)現(xiàn)修磨與未修磨6架后頭尾、圓鋼頭尾沒(méi)有根本性差異，均發(fā)現(xiàn)成對(duì)稱性四簇裂紋。說(shuō)明方鋼4個(gè)角不是圓鋼表面裂紋形成的原因，成簇裂紋的對(duì)稱特性是由軋制環(huán)節(jié)的對(duì)稱性造成的。

2.4 軋制規(guī)格對(duì)比分析

對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的成簇裂紋，按照規(guī)格大小進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表1所示。小于Ф40 mm以下規(guī)格，出現(xiàn)成簇裂紋的比例最少，開(kāi)裂程度也最輕，僅存在成簇裂紋的痕跡。Ф42~55 mm規(guī)格，出現(xiàn)成簇裂紋的比例逐漸增加，開(kāi)裂程度逐漸加重，單比較細(xì)小。Ф58~75 mm規(guī)格，出現(xiàn)成簇裂紋的比例最大，開(kāi)裂程度也最嚴(yán)重。規(guī)格越小，表面質(zhì)量越好，說(shuō)明成簇裂紋在初軋階段產(chǎn)生，在隨后的軋制過(guò)程中不具備擴(kuò)展特性，隨著軋制而延長(zhǎng)，深度減小，最后予以消除。大規(guī)格壓縮量小，在初軋形成的缺陷難以完全消除，最終留下痕跡。

表1 成簇裂紋按照規(guī)格統(tǒng)計(jì)比例

2.5 軋制品種對(duì)比分析

通過(guò)分析總結(jié)普碳鋼20#，合金鋼20Cr、35Cr－Mo、40Mn2，穿管用鋼 12Cr1MoVG、15CrMoG 等鋼種的成簇裂紋開(kāi)裂比例和開(kāi)裂程度,可以發(fā)現(xiàn)，普碳鋼的開(kāi)裂比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于合金鋼。含有Cr、Mo等合金的鋼種，成簇裂紋的比例和開(kāi)裂程度最為嚴(yán)重。說(shuō)明成簇裂紋的形成對(duì)于鋼種具有敏感性，這與鋼種在軋制變形過(guò)程中的金屬流動(dòng)特性有直接關(guān)系。

2.6 軋卡試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)前期的生產(chǎn)試驗(yàn)，可以斷定成簇裂紋的形成在粗軋階段產(chǎn)生。為進(jìn)一步驗(yàn)證成簇裂紋產(chǎn)生的架次，進(jìn)行了軋卡試驗(yàn)，即人為主動(dòng)停機(jī)，使鋼件停留在軋機(jī)里面，可以最大程度地還原軋件在各個(gè)機(jī)架的表面形貌，以此確定是哪架軋槽產(chǎn)生的成簇裂紋。

通過(guò)各個(gè)機(jī)架后中間坯酸浸檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，1～3架軋機(jī)后中間坯沒(méi)有相關(guān)的表面缺陷；4-6架軋機(jī)后中間坯，在4架后中間坯形成可見(jiàn)的四簇對(duì)稱的裂紋；5～6架軋機(jī)后中間坯形成明顯的對(duì)稱的成簇裂紋，并且與4架中間坯有完全對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體形貌如圖3所示?？梢耘袛鄨A鋼成簇裂紋形成的工序就是在4～6架軋機(jī)，重點(diǎn)是在4架軋機(jī)。4架后中間坯設(shè)計(jì)孔型為105 mm圓形，但在中間坯形成寬度很大的耳子，耳子兩側(cè)存在兩條光亮帶，伴隨一定程度的凹陷，此處圓鋼的變形很不均勻，說(shuō)明此處金屬流動(dòng)并未圓滑過(guò)渡?？梢苑治龅贸?，4架金屬變形不均勻是造成成簇裂紋的主要原因，3架的孔型設(shè)計(jì)存在缺陷，這種中間凹，兩邊尖的孔型設(shè)計(jì)造成料型在4架金屬流動(dòng)障礙，形成成簇裂紋，而且對(duì)4架的軋槽磨損嚴(yán)重不均勻也是形成成簇裂紋的主要原因，如圖4所示。

圖3 四架中間坯表面成簇裂紋

圖4 四架軋槽磨損形貌

圖5 3架孔型優(yōu)化

3 改進(jìn)措施

3.1 3架孔型設(shè)計(jì)優(yōu)化

3架來(lái)料的料型造成軋件在4架金屬發(fā)生流動(dòng)障礙，最終形成成簇裂紋。3架孔型設(shè)計(jì)中R角的設(shè)定值為10°，有利于提高中間坯由二架箱型料型進(jìn)入三架時(shí)的穩(wěn)定性，減少倒鋼的危險(xiǎn)，但會(huì)造成角部金屬流動(dòng)障礙，尤其是對(duì)于高合金品種鋼表現(xiàn)更為明顯。因此需對(duì)3架孔型設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，增加金屬角部的圓滑過(guò)渡，增加R角的設(shè)定值為35°，很大程度地減少了金屬流動(dòng)障礙，提高了中間坯變形的均勻性，并且緩解了4架軋槽的磨損不均勻。3架孔型設(shè)計(jì)優(yōu)化如圖5所示[2]。

3.2 軋槽過(guò)鋼量?jī)?yōu)化

成簇裂紋的形成與軋槽的磨損程度，尤其是不均勻磨損有很大關(guān)系，軋制圓鋼單槽過(guò)鋼量的制定就顯得尤為重要，因此對(duì)粗軋軋制噸位進(jìn)行了減量調(diào)整，如表2所示。

表2 粗軋軋槽噸位優(yōu)化

4 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)的機(jī)理研究和生產(chǎn)跟蹤數(shù)據(jù)分析，尤其是通過(guò)軋卡試驗(yàn)，對(duì)比各機(jī)架中間軋件的表面質(zhì)量情況，查找出天鋼棒材圓鋼表面成簇裂紋的形成機(jī)理。由于3架孔型設(shè)計(jì)角部R值為10°，造成金屬流動(dòng)障礙形成應(yīng)力集中，對(duì)4架軋槽磨損不均勻，在鋼件表面形成不均勻裂紋后，經(jīng)軋制形成圓鋼表面成簇裂紋。通過(guò)重新設(shè)計(jì)3架孔型，將角部R值優(yōu)化為35°，大幅提高了中間坯的金屬流動(dòng)性，減少了應(yīng)力集中，提高了軋槽磨損均勻性；通過(guò)重新修訂粗軋單槽過(guò)鋼量，從根本上解決了天鋼棒材熱軋圓鋼表面成簇裂紋問(wèn)題，為天鋼棒材開(kāi)發(fā)品種圓鋼提供了強(qiáng)有力質(zhì)量保障。