喻建林 呂瑞國 唐小勇 劉 濤

(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司）

0 前言

65Mn、51CrV4中高碳彈簧鋼帶主要用于制造膜片彈簧、剎車片、鋸片、鏈條等，工藝流程長且復(fù)雜，需經(jīng)過熱軋、冷軋、沖壓、熱處理等多道工序處理，對產(chǎn)品表面質(zhì)量有著十分嚴(yán)格的要求[1]。65Mn、51CrV4中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶的生產(chǎn)工藝流程是：鐵水脫硫→210 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉脫硫→RH精煉→連鑄→板坯加熱→粗除鱗→粗軋→精除鱗→精軋→層冷→卷取→檢驗→入庫。在開發(fā)初期，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面頻繁出現(xiàn)翹皮缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)交貨，給生產(chǎn)和銷售帶來了負(fù)面影響。筆者旨在分析中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷產(chǎn)生原因，提出改進(jìn)措施，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提升產(chǎn)品質(zhì)量提供有力依據(jù)[2-4]。

1 翹皮缺陷形貌

翹皮缺陷主要分為兩種，一種是嚴(yán)重翹皮，另一種是邊部翹皮。

嚴(yán)重翹皮沿軋制方向呈直線狀、斷續(xù)性分布，長度不一；翹皮根部與基體相連；呈舌狀分布；翹皮開口較嚴(yán)重；在長度方向和橫向方向均為無規(guī)律性分布，主要發(fā)生在65Mn鋼種，如圖1所示。

邊部翹皮沿軋制方向呈直線狀、連續(xù)性分布；翹皮根部與基體相連，呈翻皮狀；翹皮開口較輕微；主要分布在距離鋼帶邊部40 mm以內(nèi)，規(guī)律性較明顯，主要發(fā)生在51CrV4鋼種，如圖2所示。

2 檢測分析

為進(jìn)一步探究嚴(yán)重翹皮及邊部翹皮這兩種缺陷的形成機理，在實驗室運用DMIRM型金相顯微鏡及QVANTA400掃描電鏡對翹皮缺陷試樣進(jìn)行了檢測分析[5-6]。

2.1 嚴(yán)重翹皮試樣檢測

沿著軋制方向?qū)?yán)重翹皮缺陷中剖，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕?？梢园l(fā)現(xiàn)，翹皮深度為1.30 mm，翹皮根部存在氧化和脫碳現(xiàn)象；翹皮表皮組織、根部組織及基體組織一致，均為珠光體+鐵素體，如圖3所示。將嚴(yán)重翹皮沿開口方向輕輕掀起，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在較多的黑色顆粒；能譜分析結(jié)果表明，這些黑色顆粒主要含有Fe、O、Mg、Si、Ca等化學(xué)元素，如圖4所示。對連鑄板坯進(jìn)行低倍組織檢測，低倍試驗分別采用冷酸浸蝕和熱酸浸蝕兩種方法。冷酸浸蝕是采用飽和苦味酸溶液浸蝕5 min，熱酸浸蝕是在酸液濃度為20%、酸液溫度為75 ℃的熱酸中浸蝕15 min。連鑄板坯低倍組織如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，距離連鑄板坯上表面10～30 mm處存在多條輕微中間裂紋，距離連鑄板坯上表面50～70 mm處存在嚴(yán)重中間裂紋。

圖1 嚴(yán)重翹皮

圖2 邊部翹皮

圖3 嚴(yán)重翹皮金相組織

圖4 掃描電鏡形貌及能譜成分分析

圖5 連鑄板坯

2.2 邊部翹皮試樣檢測

沿著軋制方向?qū)⑦叢柯N皮缺陷中剖，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，可以發(fā)現(xiàn)，翹皮深度為0.4 mm，翹皮根部未發(fā)現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象；翹皮表皮組織、根部組織及基體組織一致，均為珠光體組織，如圖6所示。將邊部翹皮沿開口方向輕輕掀起，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在較多的白色小顆粒，能譜分析結(jié)果表明這些白色顆粒主要含有Fe、O等化學(xué)元素，主要成分是Fe2O3、Fe3O4，如圖7所示。邊部翹皮沿軋制方向呈直線狀、連續(xù)性分布；且分布在距離鋼帶邊部40 mm以內(nèi)。

圖6 邊部翹皮金相組織

圖7 掃描電鏡形?貌及能譜成分分析

3 檢測結(jié)果討論與分析

3.1 嚴(yán)重翹皮分析

結(jié)合實驗檢測結(jié)果分析得知，在DMIRM型金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重翹皮的表層組織、根部組織和基體組織一致，這說明嚴(yán)重翹皮和基體是一體的，可以排除翹皮是外來異物壓入所造成的。翹皮根部出現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象，這說明連鑄板坯在高溫加熱前內(nèi)部已存在裂紋缺陷，裂紋是由連鑄板坯帶入的。利用QVANTA400掃描電鏡對翹皮內(nèi)部進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在較多的黑色顆粒，其主要化學(xué)元素為Fe、O、Mg、Si、Ca等，這與連鑄生產(chǎn)時所使用的中碳鋼保護(hù)渣的化學(xué)成分相似。對連鑄板坯分別進(jìn)行冷酸浸蝕和熱酸浸蝕，均發(fā)現(xiàn)連鑄板坯內(nèi)部存在嚴(yán)重的中間裂紋缺陷。研究結(jié)果表明：嚴(yán)重翹皮的產(chǎn)生和連鑄板坯存在中間裂紋之間有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)連鑄板坯在澆鑄過程中產(chǎn)生中間裂紋，該缺陷會在熱軋軋制過程中發(fā)生破裂、延伸，并最終在鋼帶表面形成嚴(yán)重翹皮缺陷。研究指出，帶液芯的連鑄板坯在連鑄機內(nèi)運行過程中，鑄坯液相穴凝固前沿承受的應(yīng)力和應(yīng)變超過其臨界值是產(chǎn)生中間裂紋的根本原因[7-8]。帶液芯的連鑄板坯在連鑄機內(nèi)運行過程中所承受的力主要包括鋼水靜壓力、彎曲應(yīng)力、矯直應(yīng)力、熱應(yīng)力、導(dǎo)輥不對中產(chǎn)生的附件應(yīng)力等，這些應(yīng)變相互疊加超過其臨界應(yīng)變值時就會在固液界面產(chǎn)生裂紋。過程為：

對生產(chǎn)過程進(jìn)行追溯，鋼水過熱度控制在33～38 ℃；二冷水噴嘴堵塞較嚴(yán)重，冷卻不均勻；鑄機輥縫精度偏差達(dá)到1.1～2.0 mm，尤其是0段、1段、2段。中高碳彈簧鋼連鑄板坯在該異常條件下進(jìn)行澆鑄，由于彈簧鋼屬于中高碳合金鋼，所以脆性溫度IF值高，裂紋敏感性較強。這就導(dǎo)致連鑄板坯在連鑄機內(nèi)運行過程中反復(fù)回溫和鼓肚，在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生了較大的相變和熱應(yīng)力；在鑄坯固液界面形成了較大的張應(yīng)力。在這些應(yīng)力相互疊加作用下，其應(yīng)力和應(yīng)變之和已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鑄坯所能承受的臨界應(yīng)力值和臨界應(yīng)變值，這就使得鑄坯在凝固脆性區(qū)產(chǎn)生裂紋，并沿柱狀晶界面進(jìn)一步擴展，最終導(dǎo)致中間裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)連鑄板坯內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的中間裂紋時，鑄坯經(jīng)過高溫加熱及熱軋軋制，內(nèi)部的中間裂紋無法進(jìn)行愈合，且會在熱軋軋制過程中發(fā)生破裂、延伸，進(jìn)而在鋼帶表面形成嚴(yán)重翹皮。

綜合上述分析可以得出，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶嚴(yán)重翹皮的產(chǎn)生是由連鑄板坯存在的中間裂紋在熱軋軋制過程中發(fā)生破裂所引起的。造成連鑄板坯內(nèi)部出現(xiàn)中間裂紋的原因是鋼水過熱度偏高，鑄機輥縫精度差以及二冷水冷卻不均勻等因素疊加產(chǎn)生的。

3.2 邊部翹皮分析

結(jié)合實驗檢測結(jié)果分析得知，在DMIRM型金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)邊部翹皮的表層組織、根部組織和基體組織一致，這說明邊部翹皮和基體是一體的，可以排除外來異物壓入所造成的。翹皮根部未出現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象，且在QVANTA400掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在的白色顆粒主要成分是Fe2O3、Fe3O4。從邊部翹皮形貌來看，沿軋制方向呈直線狀、連續(xù)性分布；且分布在距離鋼帶邊部40 mm以內(nèi)。初步分析邊部翹皮缺陷是在熱軋軋制過程中產(chǎn)生的。

板坯在立輥中軋制屬于高溫變形。變形無法深入到板坯寬度的中間區(qū)域，使得邊部隆起，斷面呈狗骨狀。這是由于立輥側(cè)壓變形時，邊部延伸大，中間延伸小，中間部位對邊部產(chǎn)生壓應(yīng)力[9]。在立輥減寬過程中，金屬流動十分不均勻，減寬量只有一小部分轉(zhuǎn)化為軋件的延伸，而其余大部分轉(zhuǎn)化為軋件厚度的增加，這就使得軋件斷面呈現(xiàn)狗骨狀。同時由于軋件在熱軋過程中邊部冷卻較快，塑性變差，立輥側(cè)壓時，沿著板坯邊部會形成微裂紋，加之邊部金屬流動所產(chǎn)生的壓力，使得邊部金屬流動到板坯表面，從而造成邊部翹皮的發(fā)生。

對生產(chǎn)過程進(jìn)行追溯，中高碳彈簧鋼熱軋卷板寬度規(guī)格是1 050 mm，對應(yīng)的連鑄板坯寬度規(guī)格為1 100 mm，減寬量是50 mm；粗軋道次采用3+3軋制策略，E1第一道次側(cè)壓量設(shè)定值是40 mm。由于彈簧鋼屬于中高碳合金鋼，所以其脆性大，裂紋敏感性強。在立輥側(cè)壓時，在軋輥冷卻水的作用下，板坯邊部冷卻加劇，塑形變差，加之E1第一道次側(cè)壓量達(dá)到40 mm，導(dǎo)致板坯邊部在側(cè)壓時產(chǎn)生微裂紋，邊部金屬在其流動所產(chǎn)生的壓力作用下流動到板坯表面，形成疊軋，從而造成邊部翹皮的產(chǎn)生。

綜合上述分析，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮是在熱軋粗軋過程中產(chǎn)生的，導(dǎo)致卷板邊部翹皮形成的原因是減寬量大（減寬量=連鑄板坯寬度-熱軋卷板寬度），粗軋軋制道次設(shè)置不合理，E1單道次側(cè)壓量偏大以及邊部冷卻加劇、塑形變差等因素疊加產(chǎn)生的。

4 改進(jìn)措施

對中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷分析及成因探討，提出了針對性工藝優(yōu)化改進(jìn)措施[10-12]。

4.1 嚴(yán)重翹皮改進(jìn)措施

如何控制連鑄板坯產(chǎn)生中間裂紋是解決中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶出現(xiàn)嚴(yán)重翹皮的主要方法。針對連鑄板坯中間裂紋的控制，主要從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化：

（1）生產(chǎn)前對連鑄機輥縫精度進(jìn)行確認(rèn)，規(guī)定輥縫偏差控制在±0.5 mm以內(nèi)才可以正常生產(chǎn)。若輥縫偏差超過該規(guī)定值，必須對輥縫精度進(jìn)行校對，確認(rèn)合格后才可以生產(chǎn)。

（2）生產(chǎn)前檢查二冷水噴嘴堵塞及軸承間隙漏水情況，對異常的二冷水噴嘴及漏水的二冷段，必須進(jìn)行更換，確保二冷段輥子中部不出現(xiàn)漏水情況。

（3）對鋼水過熱度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保開澆第1爐控制在20～30 ℃，其他爐次控制在10～20 ℃。嚴(yán)禁高溫澆注。

4.2 邊部翹皮控制措施

針對在粗軋過程中中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶形成邊部翹皮的產(chǎn)生原因及機理分析，為更好地控制解決中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮的產(chǎn)生，主要從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化：

（1）合理設(shè)計連鑄板坯寬度，保證減寬量≤30 mm（減寬量=連鑄板坯寬度-熱軋卷板寬度）。

（2）針對客戶品種規(guī)格多、品種規(guī)格跨度大、生產(chǎn)組織困難的合同，與客戶做好技術(shù)溝通、協(xié)商，合理設(shè)計連鑄坯規(guī)格。

（3）優(yōu)化粗軋軋制策略。增加粗軋軋制道次，將3+3軋制道次改為3+5軋制道次；適量分配各道次側(cè)壓量，減少單道次側(cè)壓量，尤其是要將粗軋第一道次側(cè)壓量控制在20 mm以內(nèi)，避免邊部產(chǎn)生微裂紋。

（4）生產(chǎn)前檢查立輥區(qū)域軋輥冷卻水噴嘴常開情況，對異常的噴嘴，必須進(jìn)行更換，避免板坯邊部冷卻加劇。

5 改進(jìn)效果

現(xiàn)場跟蹤反饋，采用工藝優(yōu)化改進(jìn)措施后，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷得到了有效控制。對優(yōu)化后的連鑄板坯采用飽和苦味酸溶液進(jìn)行冷酸浸蝕，低倍組織如圖8所示，在鑄坯內(nèi)部未見中間裂紋缺陷，鑄坯質(zhì)量良好；中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面未出現(xiàn)嚴(yán)重翹皮及邊部翹皮缺陷，如圖9所示,表面質(zhì)量良好。中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶經(jīng)下游用戶進(jìn)行冷軋、沖壓及熱處理等多道工序加工，表面質(zhì)量光潔，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)越良好，得到了客戶認(rèn)可。

6 結(jié)論

圖8 優(yōu)化后鑄坯低倍組織

圖9熱卷表面質(zhì)量

（1）中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面嚴(yán)重翹皮缺陷是由于連鑄板坯存在中間裂紋所引起的。中間裂紋在熱軋軋制過程中發(fā)生破裂、延伸，從而在鋼帶表面形成嚴(yán)重翹皮。鋼水過熱度偏高，鑄機輥縫精度差以及二冷水冷卻不均勻等是導(dǎo)致連鑄板坯形成中間裂紋的根本原因。

（2）中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮缺陷是連鑄板坯在熱軋粗軋過程中所產(chǎn)生的。減寬量偏大、立輥側(cè)壓不合理以及邊部塑性變差等是導(dǎo)致熱軋鋼帶邊部翹皮形成的主要原因。

（3）通過在煉鋼工序和軋鋼工序采取改進(jìn)措施，鑄坯中間裂紋得到控制，有效防止了鋼帶嚴(yán)重翹皮和邊部翹皮缺陷的產(chǎn)生，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶經(jīng)下游用戶加工驗證，產(chǎn)品質(zhì)量良好，得到了用戶的認(rèn)可。