熱軋圓鋼爛邊缺陷成因及控制措施

供稿|吳立紅，李洪增 / WU Li-hong, LI Hong-zeng

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熱軋圓鋼爛邊是較常見的質(zhì)量缺陷。本文采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜等手段對熱軋圓鋼爛邊缺陷進(jìn)行了表面形貌分析，確定了引起其爛邊缺陷的主要原因：較小的爛邊主要是由鋼水脫氧不良、二冷水冷卻不均和角部局部冷卻過強(qiáng)等引起的近表面缺陷在加熱爐中被氧化，再經(jīng)多道次軋制缺陷被暴露和擴(kuò)展而形成；較大的爛邊主要是由于卷渣、原材料水分偏大、結(jié)晶器冷卻條件不良和鋼水中[S]、[O]含量高，[Mn]/[S]比較低等原因造成的。采取了優(yōu)化二冷區(qū)配水、改善連鑄坯冷卻效果、強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝操作、降低鋼水[S]含量等措施，提高鋼水和鑄坯的質(zhì)量，降低了熱軋圓鋼爛邊缺陷的產(chǎn)生，工業(yè)實(shí)踐效果顯著。

圓鋼被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、船舶等行業(yè)，不僅對其組織性能有嚴(yán)格的要求，還要求具有優(yōu)越的表面質(zhì)量。圓鋼一般由連鑄坯經(jīng)初軋、粗軋以及精軋等一系列軋制工藝完成。由于連鑄坯容易存在疏松、裂紋等缺陷，在軋制過程中生產(chǎn)的圓鋼易產(chǎn)生裂紋、劃傷、軋痕等表面缺陷[1]。目前，隨著各行業(yè)對圓鋼表面質(zhì)量的要求越來越高，如何避免圓鋼表面缺陷的產(chǎn)生，已成為熱點(diǎn)問題[2-5]。圓鋼爛邊缺陷是缺陷品中出現(xiàn)率較高的，根據(jù)對其連續(xù)幾個(gè)月的統(tǒng)計(jì)分析，其爛邊率高達(dá)2.04%，然而對圓鋼爛邊缺陷的研究相對較少。

本文采用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)等手段對熱軋圓鋼爛邊缺陷進(jìn)行了表面形貌分析，探討了圓鋼爛邊缺陷的形成原因，并制定了相應(yīng)的控制措施，問題得到解決，為提高圓鋼表面質(zhì)量提供參考。

檢測與分析

缺陷部位宏觀形貌

熱軋圓鋼爛邊缺陷主要類型有兩種：一種為軋材表面出現(xiàn)比較細(xì)密，分布無規(guī)律細(xì)小爛邊(見圖1)；另一種為軋材出現(xiàn)大爛邊(見圖2)。

圖 1 1#小爛邊缺陷試樣形貌

圖 2 2#大爛邊缺陷試樣形貌

1#試樣輕微的缺陷處未出現(xiàn)明顯翹皮和層狀現(xiàn)象，而嚴(yán)重的缺陷部位則出現(xiàn)了明顯翹皮和層狀現(xiàn)象，主要是金屬內(nèi)部組織存在大量位錯(cuò)，而位錯(cuò)在缺陷部位延伸方向的拉應(yīng)力作用下加劇了移動(dòng)[6]，這是有些部位出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象而導(dǎo)致與軋件基體不能壓合的翹皮和層狀明顯暴露出來。

2#試樣經(jīng)現(xiàn)場大量宏觀觀察，在整根軋件縱向長度上表現(xiàn)輕重程度不同，且形態(tài)形貌不一，出現(xiàn)頻次和在成品圓鋼的分布也分布零亂，說明此缺陷的產(chǎn)生具有隨機(jī)性和偶發(fā)性。

微觀檢驗(yàn)與分析

金相觀察

1#試樣缺陷部位無晶粒明顯長大、無明顯脫碳、無氧化質(zhì)點(diǎn)(如圖3)，這也說明鑄坯在加熱過程中無過熱或過燒現(xiàn)象[7]。但在裂紋缺陷和基體的位置發(fā)現(xiàn)裂紋壁呈鱗狀，存在大量氧化鐵，主裂紋尖端處出現(xiàn)裂紋分支及裂紋延伸，裂紋兩側(cè)也同時(shí)分布著氧化鐵脫落引起的孔洞。

圖 3 小爛邊缺陷金相顯微形貌

2#試樣缺陷部位有晶粒明顯長大、明顯脫碳、氧化質(zhì)點(diǎn)(如圖4)，其輪廓明顯，顯微鏡觀察裂縫內(nèi)充滿氧化鐵類夾雜。個(gè)別試樣開裂處組織正常，但裂紋內(nèi)及其前端存在夾雜物。

圖 4 大爛邊缺陷金相顯微形貌

掃描電鏡及能譜分析

1#試樣裂口處沒有發(fā)現(xiàn)明顯異物，周圍的裂紋表面平滑，但缺陷位置存在裂紋及氣孔形貌。能譜分析表明，裂縫內(nèi)鱗狀型物質(zhì)主要為鐵的氧化物，結(jié)合金相圖(如圖5)，推斷熱軋圓鋼軋制爛邊是由鑄坯微裂紋及皮下氣泡缺陷經(jīng)在加熱爐中加熱被氧化[8]，因此裂紋中就形成了以氧化鐵為主的夾雜。再經(jīng)多道次的軋制缺陷被暴露和擴(kuò)展形成。

圖 5 小爛邊缺陷掃描電鏡圖及能譜分析

2#試樣裂紋斷口處表現(xiàn)為大量的凹凸懸浮狀物質(zhì)，附近軋制面上的微裂紋處有大量與基體明顯不同的顆粒狀物質(zhì)。能譜分析如圖6，裂紋處的顆粒狀物質(zhì)為含Ca、K、O、Na、Al、Si、Mg、Cl等元素，其主要來源于保護(hù)渣或者鋼渣帶來的雜質(zhì)，可以推斷，此類裂紋在結(jié)晶器中形成，在軋制過程中進(jìn)一步擴(kuò)展。

原因分析

(1)較小的爛邊主要是由鋼水脫氧不良、二冷水冷卻不均和角部局部冷卻過強(qiáng)等引起的近表面缺陷在加熱爐中被氧化，再經(jīng)多道次軋制缺陷被暴露和擴(kuò)展而形成的。

(2)較大的爛邊主要是由于卷渣、原材料水分偏大、結(jié)晶器冷卻條件不良和鋼水中[S]、[O]含量高，[Mn]/[S]比較低等原因造成的。

控制措施

(1)優(yōu)化二冷區(qū)配水，使其在不同拉速和不同斷面連鑄坯下的冷卻強(qiáng)度均勻合理，強(qiáng)化連鑄設(shè)備維護(hù)，減少鑄坯局部冷卻不均。

(2)保證結(jié)晶器的倒錐度，嚴(yán)格二冷區(qū)的對弧。

圖 6 大爛邊缺陷掃描電鏡圖及能譜分析

(3)提高轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)控制，減少因拉碳溫度不合適或化渣不透造成的點(diǎn)吹。

(4)嚴(yán)格執(zhí)行補(bǔ)加脫氧劑制度，并適當(dāng)延長吹氬時(shí)間，促進(jìn)生成的夾雜物、氣體等從鋼液中充分上浮，達(dá)到鋼水脫氧效果良好。

(5)使鐵水在混鐵爐中充分混合均勻，保證鐵水硫含量控制在0.030%以下。

(6)降低鋼中S含量，提高錳硫比，確保錳硫比不小于15。

(7)強(qiáng)化對原材料的烘烤效果，盡量減少鋼中由水分帶來的氣體含量。

結(jié)束語

(1)較小的爛邊主要是由鋼水脫氧不良、二冷水冷卻不均和角部局部冷卻過強(qiáng)等引起的近表面缺陷在加熱爐中被氧化,再經(jīng)多道次軋制缺陷被暴露和擴(kuò)展而形成。較大的爛邊主要是由于卷渣、原材料水分偏大、結(jié)晶器冷卻條件不良和鋼水中[S]、[O]含量高，[Mn]/[S]比較低等原因造成的。

(2)通過優(yōu)化二冷區(qū)配水、改善連鑄坯冷卻效果、強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝操作、降低鋼水[S]含量等措施，鑄坯和鋼水質(zhì)量得到提高，熱軋圓鋼軋制爛邊缺陷大量減少，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。