由于分層缺陷引起熱軋帶鋼性能異常情況分析及控制

趙英東，董 鵬，高 梅，杜艷波

（唐山瑞豐鋼鐵（集團）有限公司，河北 063303）

0 引言

某鋼鐵集團有限公司軋鋼廠生產Q235 牌號帶鋼產品，用于制管用途，成品帶鋼需檢測屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和彎曲性能，檢測合格后方能出售。企業在使用SHT4305 微機控制電液伺服萬能試驗機對成品Q235 帶鋼進行拉伸試驗檢測過程中，因出現分層情況，造成試樣提前開裂，斷后伸長率未滿足國標要求；另外在使用BW-300 板材連續彎曲試驗機進行彎曲試驗過程中，也因出現分層情況，造成試樣出現開裂。問題出現后繼續取樣進行復檢，分層未再出現，產品性能合格，滿足國標要求。隨后對出現分層的兩個樣品進行成分分析，成分滿足國標要求。分層會造成帶鋼折疊、邊裂等缺陷，嚴重時會引發生產事故，造成堆鋼，影響產線生產效率。出廠檢驗若未及時發現分層缺陷，會影響下游客戶的使用，易出現焊接不良等情況，造成質量異議，影響客戶滿意度。

為減少因分層缺陷帶來的危害，查明帶鋼性能分析過程中出現分層的主要原因，在拉伸試驗分層和冷彎試驗分層缺陷部位截取試樣，對其進行化學成分、宏觀形貌、金相組織、掃描電鏡以及能譜分析。本文結合分層試樣檢測結果，對帶鋼分層缺陷產生的原因進行了分析，并有針對性地提出了工藝改進措施。

1 樣品分層缺陷宏觀形貌

圖1 為拉伸試驗開裂樣品宏觀形貌，該樣品斷后伸長率24.5%，未滿足國標要求。圖2 為冷彎試驗開裂樣品宏觀形貌，該樣品冷彎試驗不合格。

圖1 拉伸試驗開裂樣品宏觀形貌

圖2 冷彎試驗開裂樣品宏觀形貌

2 樣品分層缺陷分析

2.1 樣品化學成分檢測

使用8860 光譜儀對上述兩個出現分層的樣品進行成分分析，結果如表1 所示。由表1 可以看出兩個樣品化學成分滿足國標要求。

表1 化學成分檢測情況

2.2 Q235帶鋼拉伸試驗分層分析

2.2.1 金相分析

拉伸試驗分層缺陷部位采用金相切割機加工，將取好的缺陷位置使用自動雙頭鑲嵌機進行熱鑲嵌，鑲嵌好的樣品先由較粗的砂帶進行打磨，再以400目、800目、1200目及2000目的砂紙由粗到細進行研磨，研磨好的試樣在拋光機上用2.5μm 拋光劑進行拋光。金相組織采用4%硝酸酒精溶液對樣品進行腐蝕3～5s，隨后迅速用清水清洗樣品表面，再使用酒精清洗后吹干。將制作好的金相試樣置于蔡司金相顯微鏡下觀測，發現在缺陷處表層存在增碳現象（見圖3），與基體組織鐵素體＋珠光體（見圖4）有明顯差別。

圖3 缺陷處表層存在增碳現象

圖4 冷彎試驗分層正常位置

2.2.2 掃描電鏡及能譜分析

分層位置使用金相切割機切成小塊狀，將切割好的樣品放在裝有酒精的燒杯內，使用超聲波對樣品表面進行清洗，燒杯內取出樣品后吹干，將加工好的樣品置于蔡司掃描電子顯微鏡的樣品倉內，使用牛津X 射線能譜儀行分析，發現分層區域內均存在Na、Mg、Al、Si、Ca、Mn、F、O 和Fe 元素（見圖5、圖6），個別區域存在少量Zr元素。

圖5 拉伸試驗分層位置形貌

圖6 拉伸試驗分層位置成分

2.3 Q235帶鋼彎曲試驗分層分析

2.3.1 金相分析

彎曲試驗分層缺陷采用金相切割機切割加工，將取好的缺陷位置使用自動雙頭鑲嵌機進行熱鑲嵌，鑲嵌好的樣品與拉伸試驗分層缺陷金相試樣打磨、拋光、腐蝕及清洗處理過程相同。最后將制作好的金相試樣置于蔡司金相顯微鏡下觀測，組織為鐵素體＋珠光體+魏氏組織，存在較多的鐵素體帶并且存在大量長條狀夾雜聚集（見圖7）。

圖7 彎曲試樣金相組織形貌

2.3.2 掃描電鏡及能譜分析

將加工好的樣品置于蔡司掃描電子顯微鏡的樣品倉內，使用牛津X 射線能譜儀行分析，發現灰色區域內均存在Mn、S 和Fe 元素（見圖8、圖9），特征元素表明灰色長條夾雜物為硫化錳。

圖8 彎曲試樣夾雜物形貌

圖9 彎曲試樣夾雜物成分

3 分層缺陷原因分析及解決方法

3.1 分層缺陷原因分析

3.1.1 卷渣因素

通過上文拉伸試驗分層缺陷部位能譜分析可知，分層部位存在大面積的Na、Mg、Al、Si、Ca、Mn、F、O和Fe元素的夾雜物。而Q235B生產過程中，連鑄結晶器內常使用保護渣對鋼水進行防護，阻止鋼液熱量的散失、防止鋼液的二次氧化、凈化鋼液內夾雜物。保護渣主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Na2O、F 等，水口一般為Zr-Al 材質，這與分層缺陷位置特征元素成分相一致，因此可判定拉伸試驗分層缺陷位置有卷渣現象發生。

Q235B 為Al 脫氧的鎮靜鋼，鋼中含碳量較低，鋼水氧化性較強，水口容易累積絮流物，從而發生水口堵塞[1]。由此推斷可知，上述卷渣缺陷是由于水口出現絮流物，同時水口與鋼液、保護渣長時間接觸造成損傷，掉入結晶器內，導致液面出現不穩定的流動，致使保護渣被卷入鋼液中，被凝固坯殼的前沿捕捉形成卷渣。存在卷渣的鋼坯經過加熱、粗軋、精軋，鋼內卷渣被拉長，最終形成內部長條狀缺陷，導致帶鋼后期在拉伸試驗過程中因受力不均出現分層情況。并且由于保護渣的含碳量較高，在熱軋前的高溫加熱過程中，對周圍基體起到“滲碳”作用[2]，使微區碳含量發生變化，造成增碳現象，才使得缺陷處組織與基體組織鐵素體＋珠光體有明顯差別。

3.1.2 偏析因素

在Q235B 帶鋼彎曲試驗分層缺陷樣品檢驗中，視場中心異常的鐵素體帶組織中，存在大量的淺灰色細長條硫化物，這是由于白色鐵素體帶P 含量要高于一般基體，這種P 偏析所造成的鐵素體帶組織稱為鬼線。連鑄冷凝過程中，結晶內中外層鋼液先結晶，成分比較均勻，而殘液中的P、S 等其他元素含量較多，以至聚集最后凝固的中心部分。

由于中心含P、S 元素較高，此時S 便形成硫化物類夾雜，它的存在會嚴重破壞鋼材顯微組織的連續性，降低鋼的塑性和強度，容易成為裂紋源。P則固溶于基體中，它不易擴散，并且有排C 作用，C 熔不進去，所以磷固溶體周圍含C量較高，即在富集P區域的兩側，分別形成一條與鐵素體白亮帶平行的、較窄的、斷續的珠光體帶[3]。鋼中存在嚴重的P偏析組織，會使材料產生內應力，它會促使材料容易發生內裂，同時會降低材料的力學性能，這正是彎曲試驗過程出現分層的主要原因。

3.2 解決方法

3.2.1 卷渣問題解決方法

（1）加強工藝裝備的點檢及維護，確保工藝設備良好運行。

（2）連鑄浸入式水口改用內裝整體式水口，徹底解決中間包與浸入式水口之間保護不到位的問題，基本做到鋼水無氧化的保護澆注，避免水口絮流，同時合理控制浸入式水口插入深度，減少澆注時鋼水流動對結晶器液面的擾動[4]。

（3）單次連澆爐數控制在一定范圍內，可以解決長時間保護澆注情況下，耐材侵蝕對鋼水的污染，也可以解決更換水口對卷渣段坯料剔除不到位造成的卷渣殘余。

3.2 偏析問題解決方法

（1）降低鐵水中的P、S 元素含量，可以保證鋼水冶煉過程中的P、S 元素含量的降低，減少連鑄階段凝固于枝晶軸間的P、S 元素和夾雜物的產生，同時降低P、S元素的偏析程度。

（2）熱軋帶鋼中組織偏析是由于P 元素的富集所致，將鑄坯加熱溫度提高，增加總加熱時間，可以減輕組織偏析現象的影響[5]。

4 結語

為查明帶鋼拉伸試驗和冷彎試驗過程中，試樣出現分層缺陷的原因，在兩種分層試樣的缺陷部位進行取樣分析。通過對試樣缺陷部位化學成分、宏觀形貌、金相組織、掃描電鏡以及能譜分析，明確了結晶器內卷渣和連鑄坯中嚴重P偏析是導致Q235B帶鋼出現分層缺陷的主要原因。

（1）連鑄澆注過程中，水口損壞和絮流物掉入結晶器內是導致結晶器內液面不穩定流動及卷渣的主要原因。通過改造連鑄浸入式水口的結構形式、合理控制浸入式水口插入深度和單次連澆爐數，可以有效降低水口損壞和絮流物掉落造成鋼坯卷渣的頻次。

（2）在連鑄坯凝固時，鋼液成分不均勻，殘液在鑄坯中部會形成P、S富集區。P固溶在基體中不易擴散，且有排C 作用，所以會形成一條與鐵素體白亮帶平行的珠光體帶。鋼中嚴重的P 偏析會使材料產生內應力、容易引發內裂、降低材料的力學性能，造成彎曲試驗過程出現分層。通過降低鋼水中的P、S 含量、提高鑄坯軋制過程的加熱溫度，可降低連鑄坯P、S 元素的偏析程度、減輕P 偏析組織對帶鋼力學性能的影響。