王紹斌　彭雄　肖亞　汪濤　張麗萍

摘要：采用掃描電鏡、EDS能譜及金相分析手段，分析討論了硬線鋼在軋制過(guò)程中斷裂及產(chǎn)品表面產(chǎn)生飛皮缺陷的原因及控制方法。分析結(jié)果表明：軋斷是由硅酸鹽及硫化錳夾雜造成，飛皮是由塑性較好的鐵錳硅酸鹽復(fù)合相造成，二者均與精煉脫氧后鋼水中未充分排出的夾雜物有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)中，可通過(guò)控制鋼中夾雜物的數(shù)量及尺寸，從而減少軋斷和飛皮的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：硬線；軋斷；飛皮；硅酸鹽夾雜

中圖分類號(hào)：TG356.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3024（2016）14-05-02

前言

高速線材產(chǎn)品中，一般將45鋼以上的優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條俗稱為硬線。硬線具有超高強(qiáng)度與硬度，是冷拔鋼絲的原材料，被廣泛用作生產(chǎn)低松弛應(yīng)力鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線、彈簧鋼絲、鍍鋅鋼絲等拉拔產(chǎn)品，是高線產(chǎn)品中生產(chǎn)難度較大的一類產(chǎn)品。為滿足下游用戶使用，優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條不僅要求高強(qiáng)度與高硬度，而且要求具備優(yōu)良的拉拔性能，而線材表面質(zhì)量的好壞正是影響線材拉拔性能和冷鐓性能的重要因素。表面質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生，如結(jié)疤、飛皮、龜裂等在后續(xù)拉拔過(guò)程中還容易形成應(yīng)力集中產(chǎn)生脆斷，造成人身安全事故。

另外，高速線材具有軋制速度快（一般70～120m/s），軋制自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。若在軋制過(guò)程中，尤其是精軋機(jī)組間出現(xiàn)中間料型斷裂（即軋斷），將很大程度影響生產(chǎn)節(jié)奏，而且對(duì)設(shè)備損傷較大。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)重鋼日常生產(chǎn)中出現(xiàn)“軋斷”及“飛皮”的原因作了詳盡分析，對(duì)硬線盤條的生產(chǎn)及質(zhì)量控制具有一定借鑒意義。

1軋斷及飛皮形貌特征

軋斷是指鋼坯在軋制過(guò)程中出現(xiàn)斷裂的一類事故。由于坯料到達(dá)精軋機(jī)組間的已變形程度最大，鑄坯缺陷最容易暴露，因此軋斷事故一般多發(fā)生在精軋機(jī)組間。精軋機(jī)組一旦出現(xiàn)軋斷事故，若處理不及時(shí)，便會(huì)在精軋機(jī)組箱體內(nèi)軋成造成大量堆鋼，事后不僅處理困難而且影響生產(chǎn)節(jié)奏，甚至有燙壞輥環(huán)造成設(shè)備事故的可能，對(duì)生產(chǎn)的影響極大。

飛皮是軋后成品出現(xiàn)的一種表面質(zhì)量缺陷。從外觀上看，飛皮像貼在成品表面的一塊疤殼，疤殼表面積較大，但層片很薄，具有較大比表面積。疤殼一般呈開(kāi)口狀，撬開(kāi)疤殼，其根部與基體相連，更像一塊一端粘貼在成品表面的薄皮，因此現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員將其形象地稱為“飛皮”。飛皮一般隨機(jī)出現(xiàn)在產(chǎn)品表面，大小及其出現(xiàn)的位置基本無(wú)規(guī)律可循。飛皮的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致硬線在后續(xù)拉拔過(guò)程中脆斷，導(dǎo)致生產(chǎn)連續(xù)性中斷，甚至帶來(lái)人身安全事故。因此，成品產(chǎn)生飛皮往往直接導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生，對(duì)生產(chǎn)廠造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2取樣及分析方法

2.1軋斷取樣及檢測(cè)

在軋斷部位取樣（保留斷頭），取樣后迅速包裹，防止斷口受到污染。隨后通過(guò)掃描電鏡觀察斷口形貌，并通過(guò)能譜分析斷口不同部位的化學(xué)成分。

2.2飛皮取樣及檢測(cè)

在飛皮部位取樣（保留飛皮缺陷），取樣后迅速包裹，隨后通過(guò)掃描電鏡觀察飛皮具體形貌，并通過(guò)能譜分析斷口不同部位的化學(xué)成分。最后在飛皮部位將試樣沿軋制方向及橫斷面方向進(jìn)行縱向剖分及橫向剖分，制取金相試樣，觀察剖分?jǐn)嗝娴奈⒂^形貌及夾雜物情況。

3結(jié)果分析

3.1軋斷檢測(cè)結(jié)果分析

軋斷試樣斷口掃描照片見(jiàn)圖1。

由圖可以看出，斷口處未發(fā)現(xiàn)明顯韌窩，呈脆性撕裂狀斷口形貌，表明軋斷是由脆性斷裂引起。而硬線在軋制過(guò)程中，承受三向壓應(yīng)力，只有內(nèi)部存在塑性極差的異類夾雜或鑄坯裂紋缺陷方可導(dǎo)致脆斷。仔細(xì)觀察斷口，斷口邊緣形貌與其它地方明顯不同，邊緣處出現(xiàn)大片團(tuán)絮狀聚合物，外形不規(guī)則，初步判斷為某異類夾雜物。

用EDS能譜測(cè)定團(tuán)絮狀聚合物的化學(xué)成分并與斷口其它部位進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，團(tuán)絮狀聚合物Si、S、Mn、O含量偏高，而斷口下端與之對(duì)比的地方，Si、S等元素含量均正常，由此判斷團(tuán)絮狀聚合物為硅酸鹽與硫化錳夾雜的混合物。硅酸鹽（C類）與硫化錳夾雜（A類）具有較好塑性，軋制過(guò)程中會(huì)隨著基體被拉長(zhǎng)，當(dāng)坯料到達(dá)精軋機(jī)組間時(shí)，巨大的縱向變形致使塑性?shī)A雜物拉長(zhǎng)演變成縱向微裂紋，在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋尖端產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料的斷裂韌度KIC時(shí)，裂紋迅速失穩(wěn)產(chǎn)生脆斷，從而導(dǎo)致軋斷事故的發(fā)生。斷口處團(tuán)絮狀聚合物，說(shuō)明了硅酸鹽與硫化錳夾雜的存在，從而分析軋斷事故的產(chǎn)生與此類夾雜物相關(guān)。

3.2飛皮檢測(cè)結(jié)果分析

運(yùn)用掃描電鏡及能譜分析，觀察飛皮缺陷的具體形貌，將飛皮部位與飛皮下方正常基體部位的化學(xué)成分進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，飛皮部位Si含量為1.12%，Mn含量為0.95%，而飛皮下方覆蓋的正常基體Si含量則為0.46%，未發(fā)現(xiàn)Mn?？梢?jiàn)，飛皮處Si、Mn含量明顯高于正常部位。由此分析，飛皮是由塑性較好的硅酸鹽夾雜變形而來(lái)（含鐵錳硅酸鹽復(fù)合相的表皮）。

正是由于這種在軋制過(guò)程中暴露在基體表面的硅酸鹽夾雜物與基體的變形能力不一致，軋后冷卻的線收縮系數(shù)也不一致，造成了成品表面的翹皮（即飛皮）現(xiàn)象。

在飛皮處對(duì)試樣沿垂直于軋向的橫斷面方向及軋制方向進(jìn)行橫向剖分與縱向剖分，觀察橫斷面與縱斷面的微觀組織及夾雜情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，成品組織由索氏體構(gòu)成，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。但在橫、縱斷面均發(fā)現(xiàn)有夾雜物，如圖4a橫斷面視場(chǎng)中的“小黑點(diǎn)”，圖4b縱斷面視場(chǎng)中的“白色細(xì)線”。經(jīng)檢測(cè)分析，“白色細(xì)線”是鑄坯中的硅酸鹽夾雜在軋制過(guò)程中產(chǎn)生巨大縱向變形拉長(zhǎng)后的形貌，“小黑點(diǎn)”是夾雜物被拉長(zhǎng)后的端頭，從而更進(jìn)一步證實(shí)了圖3的分析結(jié)果。

3.3軋斷及飛皮控制

通過(guò)以上分析，軋斷是由硅酸鹽與硫化錳夾雜造成，飛皮是由鐵錳硅酸鹽復(fù)合相造成，二者均與硅酸鹽、硫化錳等塑性?shī)A雜有關(guān)，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)鑄坯中塑性?shī)A雜物的數(shù)量及尺寸加以控制。影響鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸的重要因素是T[O]，此類夾雜物（低熔點(diǎn)）變形性能好，對(duì)硬線產(chǎn)品的拉拔性能相對(duì)B類、D類等硬質(zhì)顆粒夾雜物的影響更小，從某種意義講塑性?shī)A雜物對(duì)硬線鋼的生產(chǎn)更有利。

高熔點(diǎn)高硬度類夾雜物（如A1203）將對(duì)硬線鋼的拉拔性能造成極其惡劣的影響，因此為了控制A1₂O₃類夾雜物的含量，硬線鋼冶煉時(shí)一般不采用Al脫氧，而采用Si-Mn復(fù)合脫氧。因此在控制高硬難熔夾雜的同時(shí)，也就無(wú)形增加了塑性?shī)A雜的數(shù)量。

從夾雜物定量分析，隨著精煉過(guò)程的進(jìn)行，夾雜物的數(shù)量呈大幅降低趨勢(shì)，因此應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮精煉對(duì)夾雜物的去除功能，減少塑性?shī)A雜物的數(shù)量及尺寸，避免坯料在軋制過(guò)程中斷裂及出現(xiàn)大塊飛皮。

硬線鋼中夾雜物主要有MnS、MnO-Al₂O₃-SiO₂和CaO-Al₂O₃-SiO₂三種類型，本文分析到的造成軋斷及飛皮的硅酸鹽、硫化錳及鐵錳復(fù)合相夾雜主要是鋼水脫氧后未充分排出的脫氧合金形成的夾雜物。

因此，硬線鋼冶煉在采用Si-Mn脫氧、SiC擴(kuò)散脫氧低堿度低Al₂O₃頂渣精煉技術(shù)控制鋼中T[O]和[Al]s，控制鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸的同時(shí)，還應(yīng)采用精煉后吹A(chǔ)r軟攪拌技術(shù)，合理控制攪拌強(qiáng)度，促進(jìn)夾雜物聚集長(zhǎng)大并上浮。

鋼水出爐澆鑄過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采用較大容量的中間包，合理控制中間包內(nèi)鋼水的深度，并合理控制中間包擋墻結(jié)構(gòu)及中間包內(nèi)的覆蓋劑，進(jìn)一步促使夾雜物上浮。

鑄坯凝固過(guò)程中還應(yīng)采用電磁攪拌技術(shù)，進(jìn)一步分散細(xì)化夾雜。

4結(jié)論

（1）EDS能譜分析，脆斷是因?yàn)楣杷猁}及硫化錳夾雜在軋制過(guò)程中演變成縱向微裂紋后，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下迅速失穩(wěn)而產(chǎn)生。

（2）飛皮是軋制后暴露在基體表面的鐵錳復(fù)合相硅酸鹽與基體的變形能力及冷卻收縮系數(shù)不一致，從而導(dǎo)致成品表面翹皮的一樣現(xiàn)象。

（3）導(dǎo)致軋斷及飛皮成因的硅酸鹽、硫化錳及鐵錳復(fù)合相硅酸鹽主要與脫氧后未充分排出的脫氧合金有關(guān)。硬線鋼冶煉應(yīng)當(dāng)采用Si-Mn脫氧、SiC擴(kuò)散脫氧、低堿度低Al₂O₃頂渣精煉等技術(shù)，控制鋼中夾雜物的數(shù)量和尺寸。精煉后應(yīng)采用吹A(chǔ)r軟攪拌，大容量中間包并合理控制中間包內(nèi)鋼水深度、中間包擋墻結(jié)構(gòu)及中間包覆蓋劑等技術(shù)促使夾雜物上浮。鑄坯凝固過(guò)程中還應(yīng)采用電磁攪拌，進(jìn)一步分散細(xì)化夾雜物。