中厚板邊部裂紋控制

王登惠

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院,河南 鄭州 450016)

邊部裂紋是中厚板常見的一種表面缺陷,造成鋼板邊裂的原因較為復雜,煉鋼及軋鋼工藝均對鋼板邊裂有重要的影響。據統計,由于成分設計及生產工藝不當造成的鋼板邊裂發生率甚至能夠高達17.6%[1],邊裂板通常需要進行切邊處理,降低了成材率,嚴重影響生產效率,增加生產成本;另外有一些用戶由于使用需要,對鋼板寬度有較嚴格的要求,不允許對鋼板進行切邊,鋼板邊部缺陷就會影響其使用性能。本文通過分析國內外學者有關鋼板邊部質量影響因素的相關研究,重點對鋼水成分、連鑄工藝、軋制工藝等造成邊部裂紋的各種影響因素進行分析論述,提出相應的預防措施,為減少中厚板邊部缺陷,保證中厚板表面質量,提供重要的理論及實踐基礎。

1 鋼水成分的影響

低合金中厚板所采用的鋼水中主要含有C、S、P、N元素以及Al、Nb、V、Ti等合金元素。這些化學元素對鋼板邊部的質量影響主要表現為連鑄坯高溫力學性能的變化,鋼的熱塑性降低,易導致鑄坯角橫裂等邊部缺陷發生。

1.1 碳含量

當鋼中碳含量在0.08-0.16wt.%時,鋼液的凝固處于包晶區,發生包晶相變,同時伴隨有0.38%的體積收縮,此時會導致坯殼與結晶器銅板脫離形成氣隙,氣隙的導熱效果差,導出熱流降低,坯殼變薄,在表面形成凹陷。凹陷處冷卻和凝固速度比其它部位慢,另外具有包晶點成分的鋼奧氏體單相化溫度最高,具有較大的初生γ晶粒,這兩方面因素使奧氏體晶粒粗化,對裂紋敏感性強,并且在熱應力和鋼水靜壓力作用下,在凹陷薄弱處造成應力集中,導致鋼的脆性增加,易產生縱裂或角部橫裂紋[2-3]。

1.2 硫含量

S在鋼中一般屬于有害元素,隨鋼中硫含量的增加,低溫脆性區的脆性谷寬度加大,谷底變深,鋼的高溫延塑性變差[4-8],這是由于硫在晶界的偏析及(Mn, Fe) S在奧氏體晶界析出,硫偏析降低比表面能,(Mn,Fe)S析出物與基體的結合力因硫的偏析而下降,促進晶界滑移。晶界的應力集中使得(Mn,Fe)S與晶界間形成孔隙,導致更大的應力集中,擴展成為晶界裂紋。另外,晶界微孔的形成與長大過程也因硫的偏析而加速,最終導致微裂紋的形成[9]。

1.3 Al、N 含量

鋼中氮含量對鋼的高溫塑性有明顯的影響,隨著鋼中氮含量的提高鋼高溫塑性轉變溫度也相應提高,脆性谷向更低值發展,鋼的裂紋敏感性提高[10]。

鋁是強脫氧劑,鋁能細化晶粒,改善薄板深沖性能,但鋁對鋼的高溫熱塑性也有不利影響,隨著酸溶Al含量增加,鋼的高溫塑性轉變溫度升高,脆性谷R.A值降低,鋼的高溫裂紋敏感性增加。

鋼在1100℃保溫幾小時,很難在奧氏體中發現AlN析出物,而在700-800℃時的鐵素體中,AlN析出僅需要幾分鐘。研究發現,AlN在均勻奧氏體中的開始析出溫度在1061℃左右,但由于AlN在奧氏體中的析出動力學較緩慢,隨溫度降低造成的Al和N在鋼中的過飽和會造成AlN在低溫爆發式形核[11]。AlN的最快析出溫度為815℃,隨著溫度的降低,析出物的形核速率增加,第二相粒子細化,對鋼的塑性影響更加顯著。目前低碳鋼中鋁、氮含量一般的控制要求為:ωAls=0.02-0.04wt.%,ω[N]<40×10-6。

1.4 鈮、釩、鈦等合金元素

鈮、釩、鈦等合金元素對板坯角橫裂存在較大的影響,這些元素通常以碳氮化物的形式析出,微合金鋼塑性較差與鋼中的細小析出物有關,高溫下,當奧氏體晶界滑移時,細小析出物釘扎晶界,造成微孔洞的形成從而促使裂紋的擴展[3]。

當鋼中加入0.02-0.05%的Nb,在冷卻過程中Nb以Nb(CN),NbC,NbN等形式析出,這些析出物在提高鋼強度的同時也同時會嚴重惡化鋼的熱塑性,使脆性谷加寬,RA值降低。

V對鋼熱塑性的影響與Nb類似,但當鋼中氮含量小于0.005%時,釩對橫裂紋的影響較小,當氮含量達到0.008-0.012%時,釩對橫裂的敏感性提高。文獻[12]研究認為隨著[V]、[N]含量的提高,鋼的高溫延塑性逐漸降低,即[V]×[N]增大則脆性谷寬度增加,RA值下降。當[V]×[N]大于1.2×10-8時,其對鋼坯角橫裂的影響超過含鈮鋼([Nb]=0.028%)。

因此,為了提高中厚板的邊部質量,應使用優質鐵水以及含殘余元素量較低的廢鋼,將鋼中S、P等有害元素控制在一個較低的范圍內。同時,控制鋼水成分,特別是微量元素在連鑄過程中的析出。并且改善鋼水可澆性,減少N元素含量,控制其與Al、Nb、V等元素形成的第二相粒子尺寸及分布,從而提高鋼的高溫塑性,減少邊部缺陷的發生。

2 連鑄工藝的影響

連鑄方面,由于澆注溫度、結晶器液面波動、連鑄保護渣以及二冷制度等工藝參數控制不當均可能引起板坯邊緣出現角橫裂、皮下氣泡、夾渣以及微裂紋等鑄坯缺陷,導致在隨后的軋制過程中板材出現對應的邊部缺陷。

2.1 保護渣

保護渣對板坯邊部表面質量的影響,主要取決于彎月面的保溫能力、保護渣膜的傳熱能力和潤滑性能。當采用結晶溫度低、玻璃化特性好的保護渣渣膜,能夠減小拉坯過程中鑄坯受到的摩擦阻力;凝固冷卻強度過高易導致坯殼傳熱不均勻而誘發裂紋缺陷,此時采用結晶溫度高的渣膜,可降低坯殼向結晶器壁傳熱的熱流密度,減少因坯殼厚度不均導致的缺陷,但這種結晶溫度高的保護渣渣膜對坯殼的摩擦阻力大,較大的摩擦力也可能導致邊部裂紋的產生和擴展。如何協調鑄坯傳熱與潤滑的矛盾,是多年來國內外連鑄保護渣研究的重點。

2.2 過熱度

鋼水在結晶器內凝固過程中釋放的熱量主要包括:鋼水過熱、凝固潛熱以及坯殼顯熱三部分。根據冶煉的鋼種不同,應合理的選擇澆注溫度,如澆鑄溫度高則鋼水過熱大,導致鋼水凝固推遲、坯殼厚度減薄、坯殼平均溫度升高等問題。在應力不變的情況下,由于坯殼溫度向鋼的第Ⅰ脆性區移動,則板坯表面裂紋傾向增加。另外,如果澆注溫度偏高,過熱度增大,容易造成結晶器液面波動和拉速變化,難以達到穩態澆注,使鑄坯表面微裂紋及皮下氣泡的發生率提高[13]。

2.3 拉速

連鑄機拉速的高低直接影響坯殼的傳熱量。通常拉速過低時,浸入式水口流出的鋼水向上分流減弱,導致保護渣也會因溫度較低而熔化不良,同時初生坯殼厚且不均勻,振痕較深,并且鑄坯在二冷區受到的冷卻越強,易出現表面裂紋;如果拉速過高,在一定的過熱度水平下,結晶器鋼水凝固推遲,坯殼減薄、坯殼表面平均溫度升高,在應力不變的情況下,由于坯殼整體溫度向鋼的第Ⅰ脆性區移動,導致鑄坯容易出現高溫裂紋[14]。

2.4 二冷強度及矯直溫度

第Ⅲ脆性溫度區的低熱塑性現象主要是在小于10-2/s的低應變速率下出現,與連鑄中彎曲矯直過程應變速率相近。一般第Ⅲ脆性區可分為奧氏體單相區的脆化和γ+α兩相區的脆化兩部分。

在奧氏體單相區時,微合金元素對熱塑性的影響最為嚴重。所以裂紋開始形成和發展的主要原因是氮化物和碳氮化物在奧氏體晶界和表面凹陷處的析出[15]。由于鑄坯在矯直過程中內弧受附加的拉應力,外弧受壓應力,因此多數的角部橫裂紋出現在板坯的內弧面上。另外含Nb鋼共析轉變推遲,第三脆性溫度區向低溫區域延伸[16],如果二冷強度過大導致板坯溫過低,鑄坯中的碳氮化物在奧氏體晶界析出,使板坯塑性降低,易產生沿晶界分布的裂紋。為防止AlN等碳氮化物的析出,連鑄坯應在高溫奧氏體區進行矯直。

當鑄坯角部溫度在γ+α兩相區時,沿奧氏體晶界形成的先共析鐵素體是引起塑性下降的另外一個重要原因。當鑄坯溫度下降至Ar3溫度以下時,沿奧氏體晶界會析出先共析鐵素體,若冷卻強度不大,先共析鐵素體有足夠的時間形成沿奧氏體晶界的膜狀先共析鐵素體,厚度約 10-30μm,層片狀鐵素體膜在高溫下阻隔了奧氏體基體的連續性。另外,由于鐵素體強度只有奧氏體的25%左右,沿奧氏體晶界產生的膜狀鐵素體容易產生應變集中[17-20]。當應變超過晶界上鐵素體所能承受的極限時,首先在鐵素體中生成小的空洞,隨著應變的繼續存在,空洞聚合長大,引起晶界滑移,從而產生沿晶界擴展的橫裂紋。因此在連鑄過程中,需要嚴格控制二冷段冷卻水的冷卻強度,減少鑄坯角部晶界的先共析鐵素體膜,從而消除或減少邊部質量缺陷的關鍵因素。

3 軋制工藝對邊部質量的影響

軋制過程中,軋件邊部溫度過低或張力設定過大;軋輥調整或輥型與板型配合不好使鋼板邊部延伸不平均;立輥側壓量不合理或精軋、卷取的側導板開口小以及冷卻水或除鱗水使用不當等因素也可能導致邊裂等缺陷的產生。另外,由于連鑄坯上出現的裂紋,在后續的軋制過程中可能進一步擴展并且遺傳給軋制產品,但在合理的軋制條件下,連鑄板坯上的表面裂紋也可能逐漸閉合,甚至在熱軋塑性變形條件下得到完全消失。

軋制過程中,中厚板材邊部的不均勻變形以及邊部冷卻速度過快出現的過冷組織是造成邊部裂紋的主要影響因素。

文獻[21]研究認為:通過減小橫軋展寬量,提高板坯加熱均勻性(減少出爐板坯上下面溫差),保證道次壓下量,優化配輥等方式,可以有效的減小軋件邊部的不均勻變形,從而降低中厚板邊裂的發生率。

渝海良等[22]通過對軋制過程中軋件裂紋和夾雜物演變行為研究發現:在軋制變形區的后滑區入口處軋件表面受壓應力,此時能夠促使裂紋閉合;而在前滑區出口出現拉應力,又促使裂紋擴展。當壓下量較大、裂紋表面氧化污染很輕且裂紋較淺時,表面裂紋可能發生愈合。并且,當總壓下率一定時,壓下道次數量減少,即道次壓下量增加,裂紋愈合程度提高。

文獻[23]認為板坯的角部在軋制過程中始終處于低溫和高應力應變狀態,平軋道次中軋件發生寬展和翻平,窄面金屬受到較大的拉應力作用,最終流動到軋件上表面,越靠近軋件上表面的金屬越容易發生翻平現象,同時強烈的拉應力狀態有可能誘發各種缺陷的產生;而使用立軋軋制,保持角部金屬處于壓應力狀態,避免了角部金屬在軋制過程中處于不利的拉應力狀態從而減少邊部缺陷的發生率,改善和提高了帶鋼的邊部質量。

葛新建等[24]研究認為,連鑄坯在加熱爐內加熱后經出爐除鱗,邊部溫降最大,鋼中氮化物在坯料邊部晶界處析出,導致坯料邊部塑性降低。另外板坯兩端在粗軋機間軋制時處于失張狀態,板坯兩端失張導致兩端的金屬沿軋制方向流動的趨勢減弱,而沿寬度方向流動的趨勢增強,如果粗軋立輥側壓量不足,則對坯料邊部質量的改善有限,特別是坯料頭部和尾部,容易產生邊裂缺陷。

雖然采用立輥軋制,并保證一定的側壓量能夠減少邊部缺陷的發生率,改善和提高了鋼板的邊部質量。但如果道次側壓量過大也會對邊部質量產生不利的影響。宋耀華等[33]研究發現:鋼坯采用立輥軋制時,如果側壓量為35mm,其邊裂發生率是未采用立輥軋制的邊裂發生率的一倍以上。認為通過控制和增加立軋道次,減少道次側壓量(側壓量≤30mm),降低側邊隆起量,并在精軋階段減少裂紋敏感鋼在脆性溫度區的道次壓下量才能夠減少邊裂的發生率。

4 預防措施

造成中厚板邊部缺陷的原因較為復雜,鋼的化學成分及煉鋼、軋鋼工藝均對其有著重要的影響,為了提高中厚板的邊部質量,應采取以下措施:

1.精選原材料,使用優質鐵水以及含殘余元素量較低的廢鋼,盡可能減少鋼中S、P等有害元素含量。

2.控制鋼水成分特別是微量元素在連鑄過程中的析出。鋼水中碳含量應盡量避開包晶區;控制Mn/S>40;保持Ca/Al>0.10,改善鋼水可澆性;控制N元素含量<0.004wt.%,減輕其與Al、Nb、V等元素形成的第二相粒狀在奧氏體晶界的析出,從而提高鋼的高溫塑性。

3.根據不同鋼種,選用成分適當的保護渣,適度提高保護渣的結晶溫度、降低粘度,使其保溫性能、傳熱性能和潤滑性能更符合對應板坯的澆注要求。

4.控制鋼水過熱度、選擇合適的振動曲線,控制結晶器液面波動,穩定拉速,從而減小振痕深度,并避免鋼水卷渣;掌握不同鋼種對應的結晶器倒錐度、熱流比和拉速對其邊部裂紋的敏感程度;在不漏鋼的前提下,合理控制二冷段角部冷卻方式,避免脆性區矯直或提高鑄坯角部熱塑性。

5.適當減少粗軋除鱗和軋輥冷卻水量,提高板坯邊角部溫度,優化軋制壓下制度。增加軋制時的道次壓下量,將粗軋立輥道次側壓量控制在10-30mm之間,降低軋制過程中的不均勻變形程度,從而提高軋件的邊部質量。

5 結語

對于中厚板,邊部缺陷是影響其表面質量的一個關鍵因素。本文通過分析國內外學者有關鋼板邊部質量影響因素的相關研究,明確了造成中厚板邊部缺陷的各種因素,但造成鋼板邊部缺陷的原因較為復雜,煉鋼及軋鋼工藝均對其有重要的影響。如何根據具體的邊部缺陷形貌,找到相應造成缺陷的各種主要影響因素,并通過一種或幾種切實可行的改善方法,在不影響鋼板其它方面性能的條件下,減少或杜絕邊部缺陷的再次發生,應成為今后相關研究的主要方向。

[1] 陳偉, 蘇鶴州. 熱軋板卷邊裂成因淺析及控制[J]. 鋼鐵釩鈦. 2008, 29(2): 67-72.

[2] 袁偉霞. 連鑄板卷邊裂紋綜述[J]. 煉鋼, 1997, (5): 47-50.

[3] 朱志遠. 耐候鋼連鑄板坯縱裂機理及控制方法研究[D].北京科技大學學報, 2002.

[4] 王傳雅, 徐凡嫻, 戚正風耐侯鋼的現狀與展望[J]. 熱加工工藝, 1992 (5) : 45-48.

[5] 魯赤. 耐侯鋼的設計與綜合性能研究[J]. 鋼鐵,1993, 28(2):45-49.

[6] 魯赤. 耐侯鋼的設計與其性能研究[J]. 遼寧冶金,1992(3):40-45.

[7] 張文奇等. 金屬腐蝕手冊[M]. 上海, 上海科學技術出版社,1984, 8: 272-273.

[8] 侯文泰, 梁彩鳳.經濟耐侯鋼[J]. 鋼鐵研究學報,1994,6 (2):40-46.

[9] 王傳雅, 戚正風.耐侯鋼的化學成分和性能[J]. 特殊鋼,1997, 18(1):13-19.

[10] 孫彥輝, 趙長亮, 蔡開科等. CSP板卷邊部裂紋影響因素分析[J]. 鋼鐵研究學報, 2007, (19) 4: 39-43.

[11] Mohamed S, Claude E. Contribution of advanced microscopy techniques to nano-precipitates characterization: case of AlN precipitation in low-carbon steel [J]. Acta Mater, 2003, 51:943.

[12] Mintz B, Abushosha R. Influence of Vanadium on Hot Ductility of Steel [J]. Iron and Steelmaking, 1993, 20(6): 445-452.

[13] A Yamauchi, S Itoyama, Y Kishimoto, et al. Cooling Behavior and Slab Surface Quality in Continuous Casting with Alloy 718 Mold [J]. ISIJ International, 2002, 42(10): 1094-1102.

[14] 魏立國, 朱巖, 徐國棟. 寶鋼厚板邊裂成因分析和改善[J]. 寶鋼技術. 2006, (6): 47-50.

[15] E. T. Turkdogan. Causes and Effects of Nitide and Carbonitride Precipitation During Continuous Casting [J]. ISS Transactions, 1990, 11: 39-48.

[16] 李鎮, 姜振生, 郭放等. 連鑄板坯角部橫向裂紋產生的原因及預防措施[J].鞍鋼技術, 2001, (5): 30—32.

[17] 余圣甫, 雷毅, 謝明立等. 晶內鐵素體的形核機理[J].鋼鐵研究學報, 2005, 17(1): 49-52.

[18] H.Mabuchi, R.Uemori, M.Fujioka. The role of Mn depletion in intragranular ferrite transformation in the heat affected zone of welded joints with large heat input in structural steels [J]. ISIJ International. 1996, 36(11):1406-1412.

[19] J.M.Gregg, K.D.H.Bhadeshiah. Solid-state nucleation of acicular ferrite on minerals added to molten steel [J]. Acta Materialia.1997, 45(2):739-748.

[20] J.Shim, J.Byun, Y.Cho, et al.Hot deformation and acicular ferrite microstructure in C-Mn steel containing Ti2O3 inclusions [J]. ISIJ International. 2000, 40(8):819-823.

[21] 張華, 倪紅衛. 中厚板邊裂的形成與控制[J]. 武漢科技大學學報, 2006, 29(3): 217-220.

[22] 渝海良. 軋制過程中軋件裂紋和夾雜物演變行為研究[D]. 博士學位論文, 東北大學, 2008.

[23] 章傳國, 韓靜濤, 劉靖. 立輥調寬熱粗軋過程三維有限元模擬[J]. 塑性工程學報, 2005, 13(1): 74-77.

[24] 葛新建, 王啟, 韓文殿. 熱軋鋼帶邊裂原因分析[J]. 中國冶金. 2008, 18(3): 53-55.