于 洋，高 磊，鐘莉莉，馬小軍，景 鶴，王尊呈

(鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山 114021)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，作為下游工序的原材料熱軋帶鋼強度要求愈來愈高，熱軋帶鋼領(lǐng)域成分設(shè)計微合金化日益普及，在熱軋鋼帶強度提高的同時，也帶來鋼帶表面邊部質(zhì)量惡化，這與下游客戶日益提高成材率、減少工序、改進(jìn)工藝、提高效率形成鮮明矛盾。本文通過多年生產(chǎn)實踐和理論研究，分析帶鋼表面缺陷的形成原因及演變規(guī)律，并加以有效控制。

1 高強熱軋帶鋼表面缺陷種類

經(jīng)過多年生產(chǎn)和實踐總結(jié)，高強熱軋帶鋼表面邊部缺陷共計有四種典型狀態(tài)：邊部翹皮、邊部縱裂、邊線、邊部橫裂，具體形貌見圖1～4。缺陷位置均位于熱軋帶鋼邊部的上下表面20～50 mm范圍內(nèi)，經(jīng)常存在于上表面的單側(cè)或雙側(cè)，有時也存在于下表面的單側(cè)或雙側(cè)，也就是說在鋼帶的上下表面的邊部的4個位置均有出現(xiàn)，上表面概率大一些。

邊部翹皮、邊部縱裂是鑄坯角部橫裂和縱裂經(jīng)過軋制演變的，邊線、邊部橫裂是在軋鋼工序表現(xiàn)出來的。邊線為鑄坯角部溫度低，經(jīng)過立輥和水平輥翻平寬展后形成的，橫裂是軋制變形過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料熱塑性引起的開裂。

由于企業(yè)高強鋼比例增加，鋼帶邊部缺陷成為企業(yè)不可忽視的難題，圖5為高強鋼連續(xù)3年發(fā)生缺陷概率圖。

圖1 邊部翹皮

圖2 邊部縱裂

圖3 邊線

圖4 邊部橫裂

圖5 高強鋼發(fā)生缺陷概率圖

由于熱軋帶鋼表面邊部缺陷發(fā)生概率最高達(dá)10%左右，在高溫、高速軋制工藝條件下，缺陷不能被100%發(fā)現(xiàn)，極易影響下游客戶的生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，為此各冶金工廠均投入一定技術(shù)力量解決此類問題。

2 高強帶鋼典型表面邊部缺陷連鑄工序原因分析

帶鋼邊部表面缺陷來源主要為連鑄坯的縱向和橫向裂紋，其次為軋鋼過程鋼帶邊部變形應(yīng)力超過材料塑性能力導(dǎo)致。連鑄過程能夠產(chǎn)生鑄坯縱裂和橫裂的原因有鋼種的內(nèi)在原因，也有工藝條件的外在原因。由于高強鋼的一些特殊性能指標(biāo)要求，對材料化學(xué)成分有特殊要求，為了提高強度和韌性往往需要在材料中添加一定數(shù)量的C、Mn、Nb、V、Ti，這些成分的加入通常引起相變過程改變和材料塑性降低，由于鑄坯邊角部溫度低進(jìn)一步惡化材料塑性，導(dǎo)致容易出現(xiàn)邊角部縱橫裂[1]。

2.1 化學(xué)成分對鑄坯邊角部缺陷影響

鋼中碳含量對連鑄坯表面縱裂的影響主要體現(xiàn)在鋼水凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)，當(dāng)碳含量在包晶區(qū)時，鋼水的凝固收縮不僅有熱收縮，還有相變產(chǎn)生的體積收縮，其在凝固點附近體積收縮率大，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，坯殼與結(jié)晶器壁之間產(chǎn)生較大的空隙，導(dǎo)致坯殼表面凹陷加深，凹陷處增加裂紋出現(xiàn)的幾率。Mn、S對連鑄坯裂紋產(chǎn)生也有影響，S能與Fe形成低熔點(985℃)熱脆性共晶體，并在晶界析出，使鋼的延伸率顯著降低。由于Mn與S的親合力大于Fe與S的親合力，在凝固時形成MnS，MnS熔點比FeS高得多，可以改善鋼的熱塑性。高強鋼中的Nb、V、Ti含量對連鑄坯裂紋有顯著影響，連鑄過程中， Nb、V和Ti均能與N結(jié)合，形成細(xì)小顆粒，對連鑄坯裂紋產(chǎn)生和擴展有一定的促進(jìn)作用，碳氮化物在鑄坯冷卻過程中沿晶界析出成為應(yīng)力集中源并形成微孔，微孔聚合形成細(xì)小裂紋，在矯直拉力作用下裂紋擴展，形成鑄坯邊角部裂紋。

2.2 連鑄工藝對連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生的影響

中間包鋼水過熱度對連鑄坯裂紋產(chǎn)生影響，過熱度高，連鑄坯柱狀晶粗大，生成的坯殼薄，加劇了晶間裂紋產(chǎn)生。保護渣對連鑄坯裂紋產(chǎn)生的影響，用高熔點、高粘度、高堿度的保護渣，可減少結(jié)晶器彎月面熱流量，對易粘結(jié)漏鋼的鋼種宜選用低熔點、低粘度、低堿度的保護渣。

浸入式水口深度及結(jié)晶器液面波動對連鑄坯裂紋也有影響，浸入式水口插入過深，裂紋指數(shù)增加，因為從兩個側(cè)孔出來的鋼水帶到彎月面上的熱量不足，使保護渣不能均勻熔化；浸入式水口的插入深度過淺，使液面波動大，將阻礙液渣均勻流入結(jié)晶器與坯殼之間的空隙，導(dǎo)致坯殼凝固不均勻，引起表面裂紋[2]。

結(jié)晶器液面波動與裂紋的產(chǎn)生有著密切關(guān)系，結(jié)晶器液面波動較大時，造成液渣層厚薄不均勻，液渣不能均勻的流入空隙，造成傳熱不均和傳熱變化，導(dǎo)致裂紋發(fā)生。結(jié)晶器材質(zhì)、錐度、冷卻強度對連鑄坯裂紋產(chǎn)生也有影響，連鑄結(jié)晶器是寬面基本平行、窄面帶有倒錐度的寬窄面銅板和結(jié)晶器足輥構(gòu)成的組合式結(jié)晶器，結(jié)晶器在澆鑄過程中，由于長時間受熱應(yīng)力和外力的作用，難免會使結(jié)晶器銅板和足輥發(fā)生磨損、變形或位移，達(dá)不到連鑄工藝要求，使初生坯殼在結(jié)晶器中的成長受到阻礙或坯殼受到損傷，從而導(dǎo)致連鑄坯邊裂缺陷。

連鑄過程二冷強度對連鑄坯裂紋產(chǎn)生的影響最直接，二冷水量的控制是連鑄坯質(zhì)量控制的重要工藝參數(shù)之一，如果過度增大二冷冷卻能力，會造成連鑄坯表面溫降較快，斷面內(nèi)溫度梯度增大，使坯殼薄處應(yīng)力集中，若超過極限即發(fā)生裂紋。

拉速對連鑄坯裂紋產(chǎn)生一定程度影響，拉速波動大會造成結(jié)晶器熱流波動大，加劇熱應(yīng)力，同時結(jié)晶器熱流的變化有特定的滯后時間，由此造成結(jié)晶器溫度的滯后，影響坯殼厚度不均勻，在薄弱處易產(chǎn)生裂紋；拉速的提高，結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度減薄，坯殼溫度也高，使得坯殼的斷裂強度降低，容易出現(xiàn)裂紋。拉速太低會導(dǎo)致坯溫過低而破壞鑄機精度，出現(xiàn)各類裂紋[3]。

可見高強帶鋼邊部的裂紋與連鑄工藝設(shè)備有關(guān)，例如過熱度、保護渣、水口深度、液面波動、連鑄各段設(shè)備精度、連鑄坯冷卻、拉速波動。減少鑄坯邊部缺陷，要做好以上各項工作，并最優(yōu)化各項因素。

3 軋制過程連鑄坯表面裂紋演變行為

由上述分析可知，由于多種原因連鑄坯表面可能會產(chǎn)生裂紋。對于有嚴(yán)重表面裂紋的鑄坯，一般需要進(jìn)行清理才能進(jìn)行軋制。然而，有些裂紋沒有被發(fā)現(xiàn)和清理，其在軋制過程的演變?nèi)缦隆?/p>

單道次軋制過程，當(dāng)裂紋通過前滑區(qū)和后滑區(qū)階段軋件表面會交替出現(xiàn)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，壓應(yīng)力有利于軋件表面裂紋閉合，而拉應(yīng)力則可能導(dǎo)致軋件表面裂紋發(fā)生擴展。多道次軋制也就是重復(fù)上述軋制過程。因此實際生產(chǎn)過程中，連鑄板坯表面裂紋可能在軋制過程中消失、殘留、擴大，見圖6所示。軋制焊合、展平均在鋼帶表面不產(chǎn)生影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷，未展平是鑄坯缺陷的改善，重皮是鑄坯缺陷的惡化。

軋制工藝對改善鑄坯先天帶來的缺陷也相當(dāng)重要，一些缺陷可以通過改善軋制工藝進(jìn)行修繕和軋制焊合、展平。

4 軋制過程產(chǎn)生裂紋缺陷分析

軋制過程也和連鑄過程一樣，由于材料本身的塑性原因，當(dāng)材料在軋制變形時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料的斷裂強度，材料就會在鋼帶表面出現(xiàn)裂紋，該裂紋在以后軋制的過程中表現(xiàn)為各類缺陷形態(tài)，典型的就像前面提到的線狀和橫裂紋。軋制過程中產(chǎn)生軋制拉裂與材料成分、塑性、單道次軋制變形量、軋制溫度、加熱工藝、水系統(tǒng)控制有關(guān)?，F(xiàn)代冶金行業(yè)通過實踐摸索已經(jīng)掌握了煉鋼和軋鋼工序裂紋缺陷的各類檢驗和區(qū)分方法，同時對各類缺陷制定分級標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地指導(dǎo)各行業(yè)用戶對裂紋缺陷規(guī)避使用。

材料本身成分和塑性對軋制裂紋有影響，圖7列出高強微合金強化鋼塑性變化曲線?？梢钥闯鰺崴苄郧€在750～800 ℃時材料斷面收縮率最低為36%，在此溫度區(qū)間軋制極易達(dá)到材料的塑性極限，造成鋼帶表面拉裂。

圖7 高強鋼熱塑性曲線

材料壓下率對鋼板表面拉裂也有影響，軋制過程出現(xiàn)表面拉裂的變形機理是由于鋼板表面金屬與軋輥之間存在瞬間粘合區(qū)域，在壓下量增加的情況下，同一材料在相同軋制溫度條件下會達(dá)到臨界壓下量，臨界壓下量既是壓下量達(dá)到一定程度鋼帶表面與軋輥之間粘合力在鋼帶表面產(chǎn)生的剪切力超過材料的剪切強度，鋼帶表面出現(xiàn)裂口，材料出現(xiàn)拉裂情況的往往在壓下率最大的連軋機第一架軋機發(fā)生。在實際生產(chǎn)中為了控制拉裂出現(xiàn)往往通過改變中間坯厚度來改善，表1是管線鋼X70某規(guī)格產(chǎn)品各軋機實際壓下量調(diào)整后摸索出臨界壓下量對應(yīng)表格。

通過表1可以得到該規(guī)格高強鋼軋制時出現(xiàn)表面拉裂的臨界壓下量為8.42 mm，因此為了避免表面拉裂的發(fā)生，單機架絕對壓下量要低于8.42 mm。

表1 X70臨界壓下量表

注：裂紋缺陷數(shù)字越大代表缺陷程度越嚴(yán)重，0代表表面沒有拉裂。

5 軋制過程裂紋缺陷金相解剖檢驗

對鋼板表面拉裂缺陷進(jìn)行測量，結(jié)果見表2，可見拉裂后形成的裂紋缺陷垂直于鋼帶軋制方向，裂紋表面長度4.90～8.74 mm，裂紋根部長度0.62～1.27 mm，裂紋深度1.10～1.96 mm。

鋼帶表面典型拉裂缺陷見圖9，對該裂紋缺陷進(jìn)行解剖分析，裂紋橫截面拋光和腐蝕情況，見圖10、圖11，可見拉裂方向與軋制方向相同，在腐蝕后的金相照片上明顯可見軋制的流線痕跡。對裂縫處進(jìn)行能譜分析(見圖12)，化學(xué)成分主要為氧和鐵(見圖13)。

低倍、解剖、能譜分析，裂紋兩側(cè)有流線痕跡，能譜分析為氧化物，具備了軋制裂紋缺陷特征，充分證明高強鋼軋制溫度和壓下量是必須重點控制的工藝參數(shù)。

表2 裂紋檢測結(jié)果

圖9 缺陷形貌圖

圖10 裂紋拋光形貌圖

圖11 裂紋腐蝕形貌軋制痕跡

圖12 裂紋能譜分析點

圖13 裂紋能譜成分分析

6 結(jié)論

(1)邊部典型缺陷有邊部翹皮、邊部縱裂、邊線、邊部橫裂。其中邊部翹皮、邊部縱裂屬連鑄工序產(chǎn)生缺陷，邊線屬鑄坯角部在軋制過程表現(xiàn)出來的，邊部橫裂屬軋鋼工序拉裂產(chǎn)生的。

(2)連鑄工序鑄坯角部產(chǎn)生裂紋與鑄坯化學(xué)成分、連鑄工藝有關(guān)。合理設(shè)計鋼種的化學(xué)成分和保護渣成分、水口深度、結(jié)晶器椎度、拉速、冷卻速度等能夠有效規(guī)避鑄坯邊角部缺陷的發(fā)生。連鑄工序產(chǎn)生鑄坯邊角部缺陷在軋鋼工序絕大部分會得到減輕和修復(fù)，也有嚴(yán)重的缺陷在后續(xù)的軋制過程暴露。

(3)軋鋼過程產(chǎn)生的邊線和橫向拉裂原因與材料本身塑性有關(guān)，均是在低溫條件下壓下量達(dá)到帶鋼塑性極限出現(xiàn)的拉裂。可以通過優(yōu)化調(diào)整各軋機實際壓下量予以改進(jìn)。軋鋼工序產(chǎn)生的拉裂缺陷在解剖檢驗中具備流線痕跡和能譜分析只有鐵和氧成分明顯特點。