軋制條件對消除特厚鋼板中心偏析和中心疏松的影響

盧軍輝， 吳戰(zhàn)芳， 仇圣桃， 干 勇

(鋼鐵研究總院連鑄技術(shù)國家工程研究中心， 北京 100081)

中國通常將厚度大于60 mm以上的鋼板稱為特厚板，其特點是高技術(shù)、高附加值，目前采用連鑄特厚板坯生產(chǎn)特厚鋼板已經(jīng)成為工廠提高生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品競爭力的手段[1-8]，但連鑄坯本身的中心偏析和中心疏松在軋制過程通常會“遺傳”至特厚鋼板中，造成鋼板探傷不合[9]。為消除鋼板內(nèi)部缺陷，通常將壓下比作為軋制過程的重要參數(shù)。Pierce[10]認為壓下比要大于4才能得到合格產(chǎn)品；田川壽俊等[11]也同樣進行了軋制實驗，認為壓下比達到2.7以上就可以消除中心偏析和中心疏松；岡山豊等[12]、平城正等[13]提出壓下比達到2即可得到合格的特厚鋼板；Kosmider等[14]提出壓下比大于1.7可以使柱狀晶破碎，大于3.3可以消除內(nèi)部缺陷；Hofmaier[15]提出采用板坯生產(chǎn)需達到4～5的壓下比；Halliday[16]認為需達到4～8才能使柱狀晶破碎；高立福[17]采用300 mm厚板坯生產(chǎn)出了200 mm厚鋼板，壓下比只有1.5。但是可以想到，壓下比變得越大，中心偏析和中心疏松就越扁平化，但未必能完全消除中心偏析和中心疏松，且已有報道，即使壓下比達到4.28，仍然會出現(xiàn)探傷不合[18-19]。因此，對特厚板心部質(zhì)量改善的軋制工藝目前沒有一致的看法，采用的控制壓下比的軋制工藝不能完全消除連鑄坯中心偏析和中心疏松的遺傳影響。現(xiàn)通過對比試驗探討消除中心偏析和中心疏松的軋制工藝，解決現(xiàn)階段生產(chǎn)特厚板過程中普遍存在的心部偏析、疏松缺陷等質(zhì)量問題，從而為工業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量特厚鋼板提供理論及技術(shù)支持。

1 試驗材料及過程

考慮目前軋鋼廠執(zhí)行的大壓下比，采用415 mm連鑄坯生產(chǎn)100 mm厚鋼板，連鑄坯化學成分分別為0.15%C、1.00%Mn、0.24%Si、1.06%Cr、1.45%Ni、0.48%Mo、0.023%Nb、0.052%V、0.013%Ti，P、S、Als按殘余元素控制，其余成分為Fe。按照不同的軋制工藝分別軋制了2塊鋼板，軋制條件如表1、表2所示，傳統(tǒng)方法軋制粗軋開軋溫度為1 076 ℃，粗軋終軋溫度為1 000 ℃，精軋開軋溫度為990 ℃，精軋終軋溫度為1 016 ℃。新型方法軋制粗軋開軋溫度為1 027 ℃，粗軋終軋溫度為968 ℃，精軋開軋溫度為946 ℃，精軋終軋溫度為926 ℃。新型方法軋制道次減少的同時由于軋制速度的降低，并不影響生產(chǎn)效率。

表1 100 mm厚鋼板傳統(tǒng)方法軋制Table 1 Traditional rolling pass schedule of 100 mm thick steel plate

表2 100 mm厚鋼板新型方法軋制Table 2 New rolling pass schedule of 100 mm thick steel plate

采用PXUT-350C型全數(shù)字智能超聲波探傷儀，以2.5 MHzφ20直探頭AVG法對鋼板進行超聲波探傷，以考察內(nèi)部質(zhì)量是否滿足《厚鋼板超聲檢測方法》(GB/T 2970—2016)要求。

對軋后鋼板按照GB/T 2975—2018的方法取橫截面試樣進行機加工，按照GBT 226—2015 的方法進行低倍組織分析，觀察中心偏析和中心疏松；從中心部位沿軋制方向取金相試樣，分別在200#、320#、600#、800#、1200#砂紙上進行90°交叉研磨，隨后在絲綢拋光布上噴金剛石研磨膏進行拋光，按照GB/T 13298—2015的試驗方法，采用4%硝酸酒精溶液對試樣進行顯微組織觀察，評價中心組織形態(tài)和夾雜物形貌；同時采用日立4 300掃描電鏡對中心部位進行線掃描，以觀察成分偏析情況；采用EDAX能譜儀，對心部出現(xiàn)的夾雜物進行成分確定，以了解其來源。

2 試驗結(jié)果

2.1 超聲波探傷結(jié)果

超聲波探傷結(jié)果顯示，采用傳統(tǒng)方法軋制得到的鋼板中長度超出80 mm的地方有2處，綜合判定探傷不合格。采用新型方法軋制得到的鋼板中心無缺陷，綜合判定探傷合格。

2.2 低倍結(jié)果

圖1所示為兩種軋制方法得到的低倍組織照片。由圖1(a)可知，采用傳統(tǒng)方法軋制的鋼板，柱狀晶和三角區(qū)的組織比較明顯，且中心偏析和中心疏松較嚴重，能清晰地看到連貫的中心偏析線，通過低倍組織評級得到偏析的級別約為1.5級，中心疏松約0.5級，鑄態(tài)組織遺傳到了鋼板中，在低倍狀態(tài)下目視明顯。由圖1可知，采用新型方法軋制的鋼板，中心偏析和中心疏松均得到了消除，低倍組織均勻，無裂紋和縮孔，軋鋼過程很好的消除了鑄態(tài)組織。

圖1 100 mm厚試驗鋼板低倍照片F(xiàn)ig.1 Macrostructure of 100 mm thick steel plate

2.3 鋼板金相組織

圖2所示為鋼板橫向中心1/2板厚處的金相組織，組織狀態(tài)均為鐵素體加珠光體。由圖2(a)可知，采用傳統(tǒng)方法軋制鋼板中心部位偏析嚴重，帶狀組織明顯，且偏析線連續(xù)，疏松仍然存在，有碳偏聚現(xiàn)象，對其進行晶粒度評級約7級。由圖2(b)可知，采用新型方法軋制中心偏析雖然沒有完全消除，但中心疏松已經(jīng)沒有，且中心偏析明顯得到減輕，偏析線已不連貫，無碳偏聚，對其進行晶粒度評級約10級。

圖2 試驗鋼板橫向中心1/2板厚處金相組織Fig.2 Microstructure of 1/2 plate thickness in transverse center of steel plate

2.4 掃描電鏡結(jié)果

對兩種方法得到的鋼板進行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖3、圖4所示，其中圖3采用600倍放大觀察，圖4采用2 000倍放大觀察，這是因為圖4中偏析的尺寸明細小于圖3，圖3中中心偏析線明顯，在偏析線附近有大量不規(guī)則的夾雜物存在，主要為氧化鋁、硅酸鹽和MnS，有P和S的偏聚現(xiàn)象。而圖4中偏析線不明顯，僅有個別夾雜物存在，主要為硅酸鹽和MnS，有P和S的偏聚現(xiàn)象。由圖3和圖4能譜可知，傳統(tǒng)方法軋制得到的厚鋼板，中心偏析物的成分更加復雜，氧化物夾雜比例更多。

圖3 采用傳統(tǒng)方法軋制生產(chǎn)鋼板橫向中心1/2板厚處掃描電鏡及能譜分析結(jié)果Fig.3 SEM and EDS analysis results of steel plate produced by traditional rolling method

圖4 采用新型軋制方法生產(chǎn)鋼板橫向中心1/2板厚處掃描電鏡及能譜分析結(jié)果Fig.4 SEM and EDS analysis results of steel plate produced by new rolling method

由于Al2O3夾雜物硬度高，但脆性大，故在軋鋼過程容易碎裂成帶棱角的小顆粒。玻璃質(zhì)的硅酸鹽在高溫軋制過程容易變形延伸。大多數(shù)鈣鋁酸鹽夾雜為球形，受壓不易變形。硫化物夾雜大多在軋鋼過程被延伸成條狀。因此，大多數(shù)夾雜物具備了受壓變形的條件，也即具備了消除中心偏析和中心疏松的前提條件。

3 討論

目前對軋制工藝研究較多的包括形變誘導相變[20-21]、雙相區(qū)軋制法[22-23]、多方向軋制法[24]等，其實質(zhì)都是在低溫時采用大應變、高應變速率，以獲得等軸細晶的鐵素體組織，提高鋼板綜合性能。假設軋制材料為剛塑性材料，因此不考慮材料特性對壓合的影響，由于奧村直樹[25]推導的消除疏松和中心偏析的公式里有3個試驗常數(shù)，而該常數(shù)對不同條件試驗結(jié)果可能不一致，故本文借用趙德文等[26]采用三角形速度場推導的結(jié)果進行討論，結(jié)果為

(1)

(2)

式(2)中：R為軋輥半徑，mm，ΔH為道次壓下量，mm。

(3)

式(3)中：H為軋前試樣厚度，mm；h為軋后試樣厚度，mm。各參數(shù)示意圖如圖5所示。

圖5 軋制過程參數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of rolling process parameters

奧村直樹等[25]、中尾仁二等[27]、平井信恒[28]均研究了軋制溫度對消除鋼板中心偏析和中心疏松的影響，得到一致結(jié)論，即軋制溫度對消除鋼板中心偏析和中心疏松基本沒有影響。

3.1 粗軋道次壓下量對中心偏析和中心疏松的影響

軋制過程粗軋的主要任務是開坯壓縮，為保證精軋機組的終軋溫度，應盡可能地提高粗軋機組軋后溫度。這就要求應盡可能提高粗軋的開軋溫度，同時盡可能減少粗軋過程溫降。

性能方面，粗軋對奧氏體組織的效果表現(xiàn)在通過各個軋制道次的再結(jié)晶逐漸的細化晶粒，軋制前的結(jié)晶晶粒越細，再結(jié)晶后的奧氏體晶粒越細。

根據(jù)Ouchi等[29]給出的式(4)，計算Ar3溫度為875 ℃，因此，由于兩種軋制方法溫度均高于1 000 ℃，軋制過程處于自發(fā)再結(jié)晶區(qū)，鋼板主要發(fā)生奧氏體再結(jié)晶變形，隨后才進入兩相區(qū)變形。

Ar3=910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-

55Ni-80Mo-0.35(t-8)

(4)

采用傳統(tǒng)方法軋制，粗軋過程累計壓下率63.9%，采用新型軋制方法，粗軋過程累計壓下量為56.6%，各個道次壓下率如圖6所示。從圖6可知，雖然采用新型軋制方法粗軋過程累計壓下量沒有傳統(tǒng)方法軋制大，但幾乎所有道次的單道次壓下量均大于傳統(tǒng)方法，因此，軋制過程中，軋后變形的奧氏體沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，奧氏體晶粒變得扁平，形成位錯、變形帶和胞狀組織等狀態(tài)的應變積累奧氏體，同時為增加鐵素體形核位置和形核率創(chuàng)造條件。隨著形核位置的增多和分散，鐵素體晶粒變得更加細小[30]，對消除中心偏析和中心疏松更加有利。

圖6 粗軋道次壓下率Fig.6 Reduction rate of roughing pass

采用式(1)方法考察形狀比，如圖7所示，可知兩種軋制方法中均有2道次大于臨界形狀比0.518，但新型軋制方法形狀比穩(wěn)步增加，傳統(tǒng)軋制方法中間形狀比經(jīng)歷了上升-下降-再上升的過程，這可以認為是新型軋制方法對應變積累奧氏體有疊加效應，而傳統(tǒng)軋制方法卻沒有此效應，該疊加效應對消除中心偏析和中心疏松更加有利。

圖7 粗軋道次形狀比Fig.7 Pass shape ratio of rough rolling

3.2 精軋道次壓下量對中心偏析和中心疏松的影響

精軋軋制規(guī)程的壓下制度、速度制度和溫度制度是精軋的核心要素，重中之重是壓下量的確定。常規(guī)做法是把壓下量盡量集中在前幾道次，后幾道次用來保證板型、厚度精度及表面質(zhì)量。本次試驗中，采用傳統(tǒng)方法軋制的精軋累計變形量為32.93%，采用新型軋制方法的精軋累計變形量為44.4%，各個道次壓下率如圖8所示。從圖8可知，盡管傳統(tǒng)方法軋制精軋道次壓下率比新型方法大，但是由于精軋道次太少，軋制時間太短，考慮軋制過程溫度，傳統(tǒng)方法軋制處于自發(fā)再結(jié)晶，而新型軋制方法處于未再結(jié)晶區(qū)，總變形量的增大，使奧氏體晶粒中滑移帶和位錯密度增多、有效晶界面積增大[31]，有利于鐵素體形核，且此區(qū)域的多道次軋制引起的變形量對晶粒細化可以起到疊加作用。

圖8 精軋道次壓下率Fig.8 Reduction rate of finishing pass

采用式(1)方法考察形狀比，如圖9所示，可知兩種軋制方法中幾乎所有道次均大于臨界形狀比0.518,新型軋制方法除最后一道次外所有道次均滿足臨界變形條件，傳統(tǒng)方法軋制均滿足臨界變形條件，但累計變形量太小，道次太少，變形時間太短，以致沒有足夠的時間來消除中心偏析和中心疏松。可見除了累計變形量需要大，還需要足夠的時間來消除中心偏析和中心疏松。

圖9 精軋道次形狀比Fig.9 Shape ratio of finishing pass

3.3 軋制速度對中心偏析和中心疏松的影響

軋制速度即軋輥的圓周速度，直接決定著軋機的產(chǎn)量，軋制速度越高，產(chǎn)量越大。由于熱軋過程中，同時發(fā)生加工硬化、回復和再結(jié)晶現(xiàn)象，隨軋制速度的增加，回復和再結(jié)晶進行的不完全，會使變形抗力提高，這對消除中心偏析和中心疏松不利。根據(jù)前人大量的研究表明，當形狀比滿足0.5～1.0時，軋制產(chǎn)生的壓縮變形可以完全深入到鋼板內(nèi)部，心部變形大于表面變形，徐李軍等[32]、陳連光等[33]已經(jīng)通過實驗證實了該觀點。

傳統(tǒng)方法軋制和新型方法軋制速度對比如圖10、圖11所示，由此可知，粗軋和精軋過程中，傳統(tǒng)方法軋制速度均大于新型方法，因此，傳統(tǒng)方法鋼板與軋輥接觸時間更短一些，軋制產(chǎn)生的壓縮變形向中心滲透的要比新型方法軋制要淺，對消除中心偏析和中心疏松更加不利。

圖10 粗軋過程軋制速度Fig.10 Rolling speed during rough rolling

圖11 精軋過程軋制速度Fig.11 Rolling speed during finishing rolling

中心偏析和中心疏松消除的機理本質(zhì)上是缺陷內(nèi)部之間的接觸點(面)在其界面上的擴散和黏性流動進而消亡的過程，隨著道次壓下量的增大或軋制時間的延長，接觸點(面)附近的擴散和黏性流動被強化，促進了中心偏析和中心疏松的消除，如圖12所示，隨著道次壓下的進行，中心偏析和中心疏松處MnS夾雜物逐漸被拉長，扁平，直至壓合。中心偏析和中心疏松的消除主要受軋制時的應力支配。但是，也有實驗結(jié)果顯示[34]，即使在應力低的輕壓下軋制，通過低速軋制、再加熱軋制、表面冷卻軋制方法仍然可以有效地把疏松缺陷壓著。這些因素之中，低速軋制和再加熱軋制與軋制過程的時間和溫度有關，不能用應力來解釋。在表面冷卻軋制中，變形抗力從心部向表面變高。因此，鋼板表面的壓縮應力在軋輥直徑、材料、長度、壓下量以及摩擦系數(shù)一定時，表面冷卻速度比空冷大。如果假設軋制負荷傳達到心部，那么板厚中心部的壓縮應力同樣是表面冷卻鋼板比空冷鋼板大。因此，即使是輕壓下道次也可得到大的壓縮應力，在鋼板厚度方向中心處得到強壓下軋制的效果。

圖12 中心偏析和中心疏松消除示意圖Fig.12 Schematic diagram of center segregation and center porosity annihilation

另外，應力對擴散及黏性流動的影響還不明確，需待進一步研究，但是隨著應力的增大，可以認為中心偏析和中心疏松的接觸面積和接觸頻率增加了[35]，這是對中心偏析和中心疏松消除有利的方向進行。

4 結(jié)論

對比傳統(tǒng)方法軋制和新型方法軋制得到的 100 mm 厚鋼板結(jié)果，分析了超聲波探傷、低倍組織、金相組織、夾雜物成分，得到以下結(jié)論。

(1)探傷不合的特厚鋼板中心處存在P和S的偏析，間有氧化鋁、硅酸鹽和MnS夾雜物。

(2)粗軋階段新型軋制方法對應變積累奧氏體有疊加效應，該疊加效應對消除中心偏析和中心疏松更加有利。

(3)精軋階段的多道次、長時間軋制有利于奧氏體晶粒中滑移帶和位錯密度增多、有效晶界面積增大，鐵素體形核增多，有利于中心偏析和中心疏松的消除。

(4)形狀比在0.5～1.0時，采用低速率軋制可以增大接觸時間，軋制產(chǎn)生的壓縮變形有足夠時間向中心滲透，有利于消除中心偏析和中心疏松。