淺析板坯微裂紋原因分析及控制

閆辰    孫華云

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東淄博）

1 前言

板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)過程中，板面裂紋是鑄坯的一種主要缺陷，據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄坯各類缺陷中有５０％為裂紋。鑄坯中存在裂紋，會(huì)影響鑄坯的后續(xù)加工以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量，造成廢品。采用金相顯微鏡（OM）及掃描電子顯微鏡（SEM）等儀器對(duì)鑄坯裂紋造成鋼材缺陷的特征及成因進(jìn)行分析。非金屬夾雜物是影響鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要問題，鋼中非金屬夾雜物按其來源分為內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物。向鋼中加入微合金元素（Nb、V、Ti），與N生成氮化物、碳化物和碳氮化物的第二相質(zhì)點(diǎn)沉淀在鋼基體中，可提高鋼的強(qiáng)度、低溫韌性及焊接性能。

2 裂紋成因分析

2.1 典型微裂紋缺陷鋼板的化學(xué)成分

某鋼廠連鑄機(jī)自2010年10月投產(chǎn)之初，在生產(chǎn)此類微合金鋼時(shí)，生產(chǎn)的260mm、320mm厚度鑄坯在軋制后部分鋼板表面出現(xiàn)大量微裂紋，無法進(jìn)行鋼板修磨挽救，嚴(yán)重影響了合同交付兌現(xiàn)。為了查明鋼板表面微裂紋產(chǎn)生原因，選取典型微裂紋缺陷鋼板在裂紋處取樣，進(jìn)行分析。

本試驗(yàn)選取的典型缺陷鋼板鋼種牌號(hào)以X代替，其化學(xué)成分如表1所示。

表1  典型缺陷鋼種S355的化學(xué)成分

2.2 鋼板表面裂紋宏觀和微觀形貌特征及分析

鋼板表面微裂紋主要分布在距鋼板兩側(cè)距邊部約100mm~300mm的區(qū)間內(nèi)，呈帶狀分布，裂紋形狀不規(guī)范、縫隙細(xì)小、長(zhǎng)度不連續(xù)、形態(tài)凌亂，如圖1所示。

對(duì)鋼板表面微裂紋取樣做電鏡分析，如圖2所示。裂紋周邊未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物，裂紋周邊存在內(nèi)氧化所造成的脫碳區(qū)，靠近表面附近區(qū)域存在氧化斑點(diǎn)，初步分析表明裂紋來源于鑄坯。

2.3 鑄坯表面裂紋宏觀和微觀形貌特征及分析

由鋼板裂紋組織分析結(jié)果，裂紋可能源于鑄坯，所以對(duì)同爐次鑄坯進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)過鑄坯表面熱酸蝕檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)鋼板上裂紋集中出現(xiàn)位置，在鑄坯上確實(shí)存在細(xì)小凌亂，長(zhǎng)度不連續(xù)的微裂紋，如圖3所示。對(duì)鑄坯相應(yīng)位置進(jìn)行火焰清理“扒皮”，“扒皮”后鑄坯表面顯現(xiàn)出明顯的微裂紋，如圖4所示。對(duì)熱酸蝕后的鑄坯取樣，利用磨床由鑄坯表面向內(nèi)部逐層銑削，發(fā)現(xiàn)裂紋深度可達(dá)4mm~5mm。

在經(jīng)熱酸蝕后發(fā)現(xiàn)表面微裂紋缺陷的鑄坯上取樣，利用金相顯微鏡對(duì)裂紋缺陷試樣的厚度方向截面和自表面磨削2mm處的表層裂紋作組織形貌檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如下：由圖5所示的裂紋厚度方向截面的組織形貌可知，該處裂紋由鑄坯表面向內(nèi)部延伸約5.74mm，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物；裂紋具有沿晶斷裂的形貌特征，如圖5中白色箭頭所指的網(wǎng)狀鐵素體即為原鑄態(tài)奧氏體晶界。圖6所示為距鑄坯表面2mm處的表層裂紋的組織形貌，其中由（a）至（c）為逐步放大圖像，亦表明裂紋特征是沿晶斷裂型的。

同時(shí)利用電子探針掃描電鏡對(duì)圖7中裂紋附近區(qū)域及裂紋擴(kuò)展前端區(qū)域做了微區(qū)合金元素分布的面掃描，未發(fā)現(xiàn)Cu、As、Sn、Si、Mn、S等可能形成低熔點(diǎn)聚集物的合金元素的偏析特征，因此可排除結(jié)晶器銅板刮損滲銅和鋼水中存在殘余有害元素（Cu、As、Sn）導(dǎo)致裂紋形成的可能性。

由以上的金相組織分析表明，裂紋具有沿晶斷裂的特征，并且由裂紋兩側(cè)以裂紋壁為形核位置向原奧氏體晶粒內(nèi)部長(zhǎng)大的類似柱狀晶形貌及具有相同晶體取向的鐵素體晶粒形貌，可判斷裂紋應(yīng)該不是形成于鐵素體+奧氏體兩相區(qū)，裂紋很可能是在奧氏體的低溫區(qū)域形成并沿粗大的柱狀?yuàn)W氏體晶界擴(kuò)展向皮下延伸。

2.4 第III脆性區(qū)的溫度范圍

亞共析鋼高溫第III脆性區(qū)包括低溫奧氏體區(qū)域和奧氏體+鐵素體兩相區(qū)的高溫區(qū)域，其脆性機(jī)制為在低溫奧氏體區(qū)由于微合金元素（Nb、V、Ti和Al）碳氮化物在晶界的富化析出弱化了晶界及附近區(qū)域，變形時(shí)裂紋易于在析出粒子與基體界面形成；而當(dāng)溫度繼續(xù)降低，在奧氏體晶界形成膜狀鐵素體時(shí)，由于兩相強(qiáng)度不同，變形時(shí)應(yīng)力主要集中在鐵素體中，由于變形的協(xié)調(diào)性，裂紋已在兩相界面處形成。

與第III脆性區(qū)最為相關(guān)的是連鑄矯直段，一旦矯直溫度進(jìn)入第III脆性區(qū)溫度范圍，在其矯直的彎曲變形中表面將受到較大程度的拉應(yīng)力，表面裂紋即沿原奧氏體晶界形成。通過文獻(xiàn)查閱找到和表1中S355鋼種相似的鋼種的第III脆性區(qū)。以40%端面收縮率計(jì)第III脆性區(qū)范圍為750~900℃，以60%端面收縮率計(jì)第III脆性區(qū)上限溫度為960℃。

通過Thermocalc軟件對(duì)鋼種X進(jìn)行了平衡相變溫度和析出物析出溫度計(jì)算（N含量以50ppm計(jì)），計(jì)算結(jié)果表明：以平衡條件下NbC的固溶積公式lg[Nb]·[C]=2.96-7510/T 計(jì)算，950℃時(shí)鋼種X約有83.22%Nb以NbC粒子析出。當(dāng)然，這是在平衡條件下NbC的析出特征，在連鑄的實(shí)際生產(chǎn)的低冷速和低應(yīng)變條件連續(xù)過程中，NbC的析出程度與理論計(jì)算值有較大的差異，有文獻(xiàn)表明NbC應(yīng)變誘導(dǎo)析出最快的溫度區(qū)間約在900℃附近。由此，也表明矯直的溫度應(yīng)高于NbC的快速析出區(qū)域。鑄坯進(jìn)入矯直段的溫度應(yīng)大于第III脆性區(qū)的上限溫度，950℃附近較為合適且工藝上可達(dá)到。如調(diào)高矯直溫度至約950℃，可降低二冷段的冷卻強(qiáng)度。

3工藝調(diào)整改進(jìn)

3.1鋼水氮含量控制

當(dāng)［N］含量高時(shí)，氮化物的過早析出也會(huì)加劇鑄坯裂紋傾向。通過對(duì)比分析，鋼水N≥50ppm時(shí)，對(duì)鋼板碎裂紋影響尤其嚴(yán)重。通過轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧制度和造渣制度的優(yōu)化、LF 爐脫氧造渣和合金順序改進(jìn)，優(yōu)化不同冶煉階段轉(zhuǎn)爐底吹控制模型、特別是連鑄工序保護(hù)澆鑄等措施，將轉(zhuǎn)爐出鋼后鋼水氮含量控制在28ppm 以內(nèi)、LF + ＲH 過程鋼水增氮穩(wěn)定控制在10ppm 以內(nèi)、連鑄工序鋼水增氮穩(wěn)定控制在5ppm 以內(nèi)、最終連鑄坯中的氮含量控制在45ppm 以內(nèi)。

3.2 降低二次冷卻強(qiáng)度

某鋼廠連鑄機(jī)采用動(dòng)態(tài)二冷模型控制連鑄機(jī)二冷配水。原使用的二次冷卻水冷卻強(qiáng)度太強(qiáng)，造成鑄坯在矯直區(qū)及矯直區(qū)前溫度低�，F(xiàn)優(yōu)化二冷制度，改變二冷配水為弱冷，提高鑄坯矯直溫度，使矯直區(qū)范圍的鑄坯表面溫度提高至950℃以上。如圖8所示。

3.3 邊部水比例及最小水量調(diào)整

鋼板表面碎裂紋主要分布在鋼板兩側(cè)距邊部約100mm ～ 300mm 的區(qū)間內(nèi)，那么就必須努力提高鑄坯邊部溫度。優(yōu)化后部分弧形段邊部水量( 6區(qū)邊部水量) 減少30%，將矯直區(qū)邊部水量( 7 區(qū)和8 區(qū)邊部水量) 減少50%。

3.4鑄坯堆冷時(shí)間和溫度調(diào)整

當(dāng)鑄坯熱送溫度在第三脆性區(qū)時(shí)，鐵素體以膜狀在奧氏體晶界析出，晶界強(qiáng)度低，在加熱熱膨脹作用下，晶界易出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)裂紋較深且裂紋缺口處有脫碳層。晶界有粗大顆粒碳氮化物，增加了晶界的脆性會(huì)加劇這種裂紋。含Nb 鋼鑄坯冷送或?qū)θ霠t鑄坯表面在線冷卻( 鑄坯入爐溫度≤500℃) ，可避開在第三脆性區(qū)下的熱膨脹，減輕鋼板碎裂紋發(fā)生。

3.5效果驗(yàn)證

通過優(yōu)化連鑄二冷工藝、管控鑄坯堆冷時(shí)間和溫度等措施，經(jīng)對(duì)碎裂紋多發(fā)的中碳類含Nb微合金鋼的軋制情況跟蹤，鋼板表面碎裂紋改判率由原來的1.31% 降低至0.45%，中厚板表面碎裂紋改判率有明顯降低

4 結(jié)論

（1）為了降低氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鑄坯角部裂紋的影響。應(yīng)當(dāng)控制好精煉過程的增氮量，是降低鑄坯角部裂紋的關(guān)鍵，精煉過程控制的重點(diǎn)為精煉開始溫度、通電時(shí)間、冶煉周期以及軟吹時(shí)的氬氣強(qiáng)度。

（2）鋼板表面的微裂紋處存在因內(nèi)氧化造成的脫碳層及近表面處的氧化斑點(diǎn)，表明裂紋源于鑄坯表面裂紋。對(duì)鑄坯表面進(jìn)行熱酸蝕及火焰清理“扒皮”檢驗(yàn)，確認(rèn)存在鑄坯表面微裂紋，并且裂紋的分布特征與鋼板表面的特征吻合，裂紋深度約4~5mm左右。

（3）鑄坯表面裂紋附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物聚集；裂紋具有沿晶斷裂的特征，是在奧氏體的低溫區(qū)域形成并沿粗大的柱狀?yuàn)W氏體晶界擴(kuò)展向皮下延伸。

（4）提高鑄坯矯直溫度，避開鋼種的第III脆性區(qū)溫度范圍，對(duì)降低鑄坯表面微裂紋的發(fā)生幾率從而改善鑄坯及后續(xù)軋制鋼板的表面質(zhì)量具有十分顯著的效果。

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