65Mn 薄板坯邊部內裂缺陷分析與控制

魏升輝，侯明山，王海龍，高小堯，李 娜，張寶寧，李宏偉

（河鋼集團唐鋼公司，河北 唐山 063011）

65Mn 優質碳素鋼板含碳量高，具有淬透性好、脫碳傾向少、價格低廉及切削性好等優點，用途廣泛。唐鋼FTSR 薄板坯連鑄連軋生產線采用了鑄坯動態液芯壓下技術，該技術具有冷卻速率快、鑄坯等軸晶多、凝固組織和析出物細小、成分偏析小的優點[1-2]。但是在FTSR 生產線上開發1 000～1 250 mm 斷面65Mn 鋼時，發現帶鋼邊部存在較多的翹皮缺陷，嚴重影響產品質量，造成了部分熱軋卷的降級和報廢。由于熱軋卷帶鋼翹皮缺陷影響產品的合格率，國內外學者對翹皮缺陷也進行了大量的研究。研究得出，表面帶鋼翹皮缺陷與夾渣物卷入、二次冷卻不均勻、連鑄機支撐輥設備精度出現偏差、軋制工藝及加熱制度等因素有關[3-8]。

通過對1 000～1 250 mm 斷面65Mn 熱軋鋼卷邊部翹皮缺陷的成因進行分析，結合65Mn 鑄坯二冷段凝固特點，確認了導致熱軋卷產生邊部翹皮缺陷的原因，采取相應控制措施后，熱軋鋼卷產生翹皮缺陷的數量大幅降低，滿足了用戶的要求。

1 65Mn 帶鋼邊部翹皮缺陷產生的原因分析

鑄坯表面裂紋、氣泡、結晶器卷渣、軋制過程的工藝參數設定等均會導致熱軋卷帶鋼邊部翹皮缺陷的產生。針對唐鋼生產的1 000～1 250 mm 斷面65Mn熱軋卷帶鋼邊部存在翹皮缺陷，且對應位置的鑄坯出現內裂缺陷，分別對內裂和翹皮缺陷進行研究。

1.1 65Mn 鑄坯內裂缺陷

對存在缺陷的1 100 mm 斷面65Mn 鋼的中間坯進行取樣，發現鑄坯在距離邊部60 mm 位置處有較為明顯的孔洞，如圖1-1、圖1-2 所示；對孔洞邊緣處進行金相組織觀察，得到金相形貌，如圖1-3 所示。從圖1-3 中可以看出，鑄坯缺陷處組織不均勻，有明顯的鐵素體大量集中現象。中間坯表面孔洞的產生可能是由連鑄產生的氣泡、夾渣和內裂等因素造成。圖2 為邊部質量缺陷較輕的65Mn 中間坯橫截面。從圖中可以看出，65Mn 鑄坯邊部較輕的內裂缺陷經過后續工序可能軋合，但是如果內裂缺陷比較嚴重的話，經過粗軋后會形成如圖1-1 所示的孔洞現象。因此，圖1 所示的孔洞是由于鑄坯內裂所導致。

圖1 存在邊部質量缺陷的65Mn 中間坯

圖2 65Mn 邊部內裂缺陷的中間坯截面

1.2 65Mn 邊部翹皮缺陷

1 000～1 250 mm 斷面65Mn 帶鋼表面邊部位置有翹皮缺陷，且缺陷出現的頻次約為50～60 處/卷，嚴重影響用戶使用。典型的1 100 mm 斷面65Mn 帶鋼邊部翹皮缺陷宏觀形貌如圖3 所示。

圖3 65Mn 板材邊部上缺陷

從圖3 可以看出，65Mn 鋼表面缺陷在經過軋制后變為沿軋制方向延伸的缺陷，該缺陷距離邊部平均約為60 mm。在金相顯微鏡下對缺陷部位進行觀察，得到缺陷處的金相形貌，如圖4-1 所示。從圖4-1 可以看出，翹皮缺陷處組織與正常組織有明顯差別，缺陷部位組織的脫碳情況嚴重，鐵素體較為集中，其他部位組織為均勻的珠光體。對存在缺陷的帶鋼進行后續加工，會出現開裂現象，嚴重影響用戶使用。此外，對缺陷部位進行電子探針掃描，掃描結果如圖4-2 所示，沒有發現任何雜質元素。由此可以得知，邊部翹皮表面缺陷不是由卷渣造成。結合圖1 所示的鑄坯孔洞位置與帶鋼邊部翹皮缺陷的位置與形貌可以確定，帶鋼邊部翹皮缺陷是由鑄坯內裂形成的孔洞在經過后續軋制所形成。

圖4 65Mn 邊部翹皮缺陷

1.3 原因分析

通過對65Mn 鑄坯與帶鋼邊部缺陷進行研究，初步可以認定65Mn 邊部缺陷形成于連鑄工序，主要是由于鑄坯內裂引起，與卷渣、氣泡、軋制工藝無關。連鑄坯內部裂紋缺陷的形成與其凝固過程緊密相關。連鑄坯凝固傳熱是一個分階段的熱量傳遞過程。一次冷卻區在結晶器內形成足夠厚的坯殼；二次冷卻區使鑄坯坯殼完全凝固。根據65Mn 鑄坯高溫塑性熱模擬研究[9-10]結果可知，65Mn 鑄坯的塑形與其所經歷的溫度變化有關。在連鑄機中，隨著傳熱的進行，溫度逐漸下降，坯殼發生δ→γ→α 的相變，特別是在二冷區，坯殼溫度的反復下降和回升，使得鑄坯組織發生變化，實質上相當于“熱處理”過程。同時由于溶質元素的偏析作用，可能發生硫化物、碳化物質點在晶界處沉淀，增加了鋼的高溫脆性，對鑄坯質量有重要影響。鑄坯內部裂紋主要發生在二冷區，與二冷水分布的均勻性密切相關，因此對二次冷卻的過程進行合理、有效的控制是十分重要的。

二次冷卻的過程優化需要考慮表面溫度最大冷卻速率和回溫速率。表面回熱在鑄坯凝固前沿產生拉應力，從而產生內裂紋；而表面快速冷卻，在鑄坯表面產生拉應力，從而產生表面裂紋和擴展已產生的裂紋。因此應避免鑄坯從一區到另一區時表面溫度發生過大的回升或大幅度下降，一般要求鑄坯長度方向上的冷卻速率不超過200 ℃/m，溫度回升速率不超過100 ℃/m[11-13]。

FTSR 產線在生產1 000～1 250 mm 斷面65Mn鋼時，二次冷卻區的冷卻主要依靠中噴與窄噴，連鑄二次冷卻區水量分布示意圖如圖5 所示。窄噴主要冷卻中心兩側各450 mm 區域內的鑄坯，中噴主要冷卻距離中心350～665 mm 區域內的鑄坯，中噴與窄噴水量有約100 mm 交叉區域。1 100 mm 斷面65Mn 鑄坯邊部缺陷的位置與二次冷卻區的中噴和窄噴水量交叉處位置對應。由此可知65Mn 鑄坯邊部內裂是由鑄坯表面回熱產生的拉應力和中噴水及窄噴水交叉處強冷產生的拉應力的合力所致，因此對65Mn 帶鋼邊部裂紋敏感區域采取相應的弱冷。

圖5 連鑄二次冷卻區水量分布示意

2 缺陷改善措施及效果

對65Mn 邊部缺陷原因進行分析可知，通過改變和調整65Mn 二次冷卻區水量，改善了鑄坯邊部質量。先降低窄噴水量，隨后增加中噴水量，即減少二次冷卻區的邊部中噴和窄噴交叉處水量，降低中噴與窄噴交叉位置處的冷卻速率，同時使中噴和窄噴水量交叉區域遠離邊部區域，達到鑄坯橫向溫度的均勻分布，從而保證鑄坯高溫塑性，并減少鑄坯內部凝固和回溫產生的應力。

在生產實際過程中，二冷水調整過程及水量調整后對應中間坯缺陷數目的統計結果如下頁表1 所示，繪制得到對應關系如下頁圖6 所示。

結合表1 和圖6 可以看出，通過減少20%的窄噴水量，中間坯邊部缺陷數目有所降低，在保證鑄坯凝固的前提下，隨后再減少10%的窄噴水量，中間坯邊部缺陷數目沒有明顯降低趨勢，在中噴水量增加10%后，中間坯邊部缺陷數目明顯降低，由最初的50處減少到3 處，并且在中間坯處缺陷已較輕，軋制后能夠軋合，在板卷未見缺陷，有效控制了由鑄坯內裂引起的翹皮缺陷。

圖6 二冷水調整過程與中間坯缺陷數目關系

表1 二次冷卻區水量調節與缺陷數目對應關系

圖7 為調整二冷水量后的鑄坯低倍形貌，從圖7 可以看出，鑄坯的內部質量得到明顯改善，解決了熱軋帶鋼邊部翹皮缺陷。

圖7 鑄坯低倍照片

3 結論

1）通過對1 000～1 250 mm 斷面65Mn 鑄坯邊部翹皮缺陷的形貌、數目和位置等特點進行調查和研究，確定邊部翹皮產生是由鑄坯內裂所致。

2）連鑄區域二次冷卻區給水量不當導致了鑄坯橫向溫度分布不均勻，產生應力集中現象，從而引起鑄坯內裂。

3）通過優化二次冷卻區中噴和窄噴水量，有效解決了65Mn 鋼由于鑄坯內裂引起的翹皮缺陷。