E級船板馬蜂窩裂紋的原因分析及改進

張明國

（山東鋼鐵股份有限公司 濟南分公司，山東 濟南250101）

0 前言

表面裂紋是濟鋼船板生產過程中較為常見的缺陷。鋼板表面的裂紋缺陷種類很多，如大縱裂、小縱裂、橫裂、網裂等，馬蜂窩裂紋雖不是非常普遍的一種但是其開裂嚴重無法修磨可直接導致鋼板的降級甚至判廢，影響到生產計劃執行和訂單的交付，增加質量損失。因此，研究馬蜂窩裂紋的形成原因，針對性地采取措施加以控制，對實現船板的連續穩定生產和提高產品效益都有重要意義。

1 裂紋宏觀形貌

通過觀察E3船板的兩處馬蜂窩裂紋宏觀形貌，分布很不規律，一般開口較大，裂紋長度較小。

2 裂紋微觀特征

2.1 成分檢驗

對E級船板個別鋼板表面出現的馬蜂窩現場取下樣品，利用鋸床把帶有缺陷的鋼板切割成小樣品，然后利用自動研磨拋光設備進行拋光處理，把研磨拋光處理后的樣品利用直讀光譜儀進行成分檢測，檢測結果表明，根據爐號查詢煉鋼過程的熔煉成分與化驗室光譜分析成分對比二者基本一致，說明裂紋附近成分無異常變化。

2.2 試樣金相分析

在鋼板馬蜂窩裂紋處沿軋制方向剖開，對平行于軋制方向的橫截面機械研磨拋光腐蝕后，進行金相組織觀察，E3船板的金相組織為鐵素體+珠光體組織，珠光體呈帶狀分布。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可以觀察到嚴重的脫碳區，而裂紋的另一側僅在裂紋的附近存在輕微脫碳，可以觀察到少量的珠光體組織。裂紋開口內充滿灰色的氧化物。觀察另一較深的馬蜂窩裂紋及其周圍的金相組織形貌，裂紋兩側的組織存在較輕微的脫碳，而且兩側組織形貌存在很明顯的差異，裂紋近表面一側的珠光體組織彌散分布，鐵素體晶粒呈等軸狀，有長大跡象；而在裂紋另一側的基體中，珠光體成明顯的帶狀分布，裂紋開口和裂紋擴展方向均平行于帶狀珠光體組織的分布方向。

2.3 試樣掃描電鏡分析

對試樣的裂紋處及裂紋周圍進行掃描電鏡分析和能譜分析。可以看到裂紋及其附近位置均有顆粒性物質存在。對顆粒進行能譜分析表明，這些顆粒性物質主要為含Si和Mn的氧化物顆粒。此外，對比可以發現裂紋附近處的氧化顆粒密度和尺寸都明顯高于裂紋處。

二次氧化顆粒的形成必須具備三個條件：一是材料在高溫狀態，對鋼來說應該在900℃以上；二是基體首先脫碳，并且有氧的氛圍；三是必須有較長的時間，如果時間較短，即使在高溫下，也只能在表層生成氧化鐵皮，而不能在氧化鐵皮的下面再生成二次氧化顆粒[1-2]。具體反應過程為：在高溫加熱過程中，裂紋表面氧化皮發生還原反應，氧化鐵中的氧被置換出來，基體中的碳會和置換出的氧或者外部滲入的氧發生反應，生成二氧化碳或者一氧化碳氣體，造成基體脫碳，這時爐內的氧含量極低，存在一個相對缺氧的環境，脫碳后基體中的Si和Mn會優先和少量的氧發生反應，生成二次氧化顆粒。二次氧化顆粒的生成是一個比較緩慢的過程，需要有充足的時間，另外周圍的氧含量不能太高，否則會在表面迅速生成氧化鐵保護膜，阻止氧氣的進入，不能產生二次氧化顆粒。

3 分析與討論

根據兩不同裂紋處的金相組織形貌可觀察到在裂紋的近表面一側有嚴重的脫碳區，且開口處存在嚴重脫碳現象，應該是鑄坯中存在的裂紋。如果是軋制中的開裂，裂紋周圍脫碳層應該只存在于裂紋表層。裂紋兩側組織形貌存在明顯的差異，裂紋近表面一側的珠光體組織彌散分布，而裂紋另一側存在完整的帶狀組織形貌，且裂紋開口和擴展方向與帶狀珠光體組織近似平行，這說明在帶狀組織形成之前，裂紋已經存在。正是由于早就存在的裂紋，改變了軋制過程中裂紋處組織的受力狀態，裂紋開口處不再受平行于軋制方向的拉應力，因而近表面的帶狀組織不明顯；若是軋制中的開裂，軋制中帶狀組織已經存在，裂紋開口處的帶狀組織與裂紋應該是近似垂直關系，而不是所觀察到的近似平行關系。

由裂紋處及裂紋周圍掃描電鏡和能譜分析觀察到裂紋周圍大量二次氧化顆粒存在，雖然軋制溫度較高，但持續時間較短，不具備生成皮下二次氧化顆粒的條件，軋制過程中鋼板的表面迅速產生氧化鐵保護膜，不會在軋制過程產生大量二次氧化顆粒。

經以上分析可知：E級船板馬蜂窩裂紋并不是在軋制過程中產生的，而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渣成分，該裂紋的產生可能有兩種：一是在結晶器內產生非常細微的裂紋，或者以氣泡的形式存在[3]，沒有卷入保護渣，經過軋鋼加熱爐內的高溫加熱后，形成大量脆性的二次氧化顆粒和裂紋內氧化鐵皮，在軋制過程中裂紋不能焊合，反而開口擴展增大；二是有可能在澆鑄后的冷卻過程中產生的熱裂紋。

4 改進措施

1）強化精煉手段，進一步控制鋼中O、N、H等氣體含量。從來源上控制好H的進入，保證所用原材料烘干后使用，強化LF、VD、連鑄等各環節的保護澆注，避免吸氣。

2）避免連鑄過程的非穩態澆注，非穩態鑄坯做好下線試清工作。

3）強化連鑄過程控制，避免噴嘴堵塞，使鑄坯過冷均勻。

4）確保證良好的鑄機設備運行狀態，加強彎曲段、矯直段的維護，保證對弧和開口度。

5 結語

E級船板馬蜂窩裂紋并不是在軋制過程中產生的，而是在鑄坯中早已存在。連鑄板坯已經存在皮下氣泡或者微小裂紋，加熱后形成脆性的二次氧化顆粒在后來的軋制過程中，缺陷區不能參與同步變形，裂紋不但不能軋合，反而開口擴展增大，最終形成馬蜂窩狀的裂紋。通過強化對連鑄、精煉的過程控制，獲得了高質量的連鑄坯，將濟鋼馬蜂窩裂紋由原來的1.2%降低到了0.3%，大大減少了表面質量不合格補產造成的工藝成本，為E級船板的及時交付提供了保障。

［1］許慶太,魏伯,趙曉飛,等.鋼板表面縱向裂紋的金相檢驗和分析[J].理化檢驗·物理分冊,2006,42(12)：634-635.

［2］彭凱,劉雅政,謝彬.硅鋼裂紋處氧化圓點及脫硅現象的實驗研究[J].北京科技大學學報,2007,29(11)：1087-1090.

［3］肖寄光,王福明.連鑄坯中氣泡產生原因分析及判斷方法[J].寬厚板,2006,12(2)：32.