蘇 波

隨著技術(shù)的進步以及工業(yè)的發(fā)展，我國鋼材市場越來越規(guī)范。尤其是生產(chǎn)工藝的提升，使市場上鋼材的種類越來越齊全，各種不同型號、不同用途的鋼材層出不窮。在各種類型的鋼材中，中厚板是一種非常常見的鋼鐵材料之一。它以其自身優(yōu)良的性能、良好的韌性、較高的強度、以及理想的可焊接性，在我國許多領(lǐng)域被廣泛采用。但與此同時，作為一種帶狀板材，在中厚板各種不同用途的加工好在再生產(chǎn)過程中，也具備了一些其它板材具有的質(zhì)量通病。

對中厚板在我國工業(yè)應(yīng)用情況的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，中厚板表面裂紋屬于一種常見現(xiàn)象。其具體表現(xiàn)形式有很多，比如角部橫裂、微裂紋、縱裂等等，而且隨著此現(xiàn)象發(fā)生頻率不斷提高，已經(jīng)引起了相關(guān)人員的重視。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在中厚板軋制過程中，如果出現(xiàn)片狀開裂現(xiàn)象，則鋼板將被判定為報廢產(chǎn)品，而且此缺陷與中厚板軋制厚度有直接關(guān)系，軋制厚度越薄，發(fā)現(xiàn)難度越高，增加了質(zhì)檢人員的工作難度。為解決此現(xiàn)象，研究人員借助光學顯微鏡、掃面電鏡等設(shè)備展開了具體研究，總結(jié)了中厚板表面片狀開裂原因，并結(jié)合研究結(jié)果制定了具體解決方案，以提高工作質(zhì)量，控制項目成本。

1 中厚板片狀開裂的外貌特征和有關(guān)因素分析

1.1 中厚板表面裂紋的分類

中厚板作為一種的常見的帶狀板材，厚度一般為4.5mm ～10mm，寬度尺寸一般在1800mmmm ～2500mm 之間，而長度尺寸通常大于6M。通常維持在6000mm ～12000mm 之間，有的甚至長度遠大于12000mm。因此，其表面質(zhì)量對其自身強度等各種性能的影響，要遠大于一般鋼材。在中厚板的各種表面質(zhì)量通病中，其表面裂紋是其中危害程度較大的一種。

若表面裂紋較淺，同時分布范圍較小，并處于中厚板邊部等對其質(zhì)量影響不大的區(qū)域。則將鋼板輕微打磨、處理后，并不影響中厚板按生產(chǎn)規(guī)格的正常使用；若中厚板表面裂紋較深，且分布范圍廣泛，則對中厚板打磨、處理后，必須對鋼板規(guī)格進行降級，然后才能重新利用。甚至嚴重者還可能造成鋼材直接報廢。

對中厚板表面裂紋的成因進行研究分析可以發(fā)現(xiàn)，造成中厚板表面裂紋產(chǎn)生的原因是多種多樣，但同時又很難進行量化來直接分類。因此，對中厚板表面裂紋的種類，通常是按照其表面裂紋的外貌特征和分布位置來進行劃分。一般可分為橫裂、縱裂、邊部裂紋、微裂紋、和星狀裂紋等。不同種類和分布區(qū)域的裂紋，其對鋼板質(zhì)量的危害程度并不相同。

1.2 中厚板片狀開裂的外貌特征

本文所討論的片狀開裂，也屬于中厚板表面裂紋的一種。對鋼板所發(fā)生裂紋的實際情況進行分析發(fā)現(xiàn)，其中普鋼、低合金發(fā)生裂紋情況較多。但是此情況與鋼種類型沒有直接聯(lián)系，而且具有較高的隨機性。對裂紋類型、形狀、尺寸、分布特征進行分析發(fā)現(xiàn)，中厚板所出現(xiàn)裂紋屬于帶狀裂紋，出現(xiàn)在中厚板1/4 到1/3 位置，長度方向并不固定。具體形態(tài)會受到中厚板軋制厚度影響，厚度越薄，片狀區(qū)域范圍越廣，裂紋程度也越淺，如圖1 所示。除此之外，還可能呈現(xiàn)為微裂紋形式，在實際工作中，工作人員無法做出準確判斷的原因在于他們的判斷會受到外界因素的干擾，比如大型夾雜物、夾渣等等。

圖1 中厚板開裂情況示意圖

1.3 中厚板表面開裂的有關(guān)因素分析

1.3.1 鋼種合金元素的影響

根據(jù)鋼材的化學成分及其自身的特征可知，鋼材本身的各種性能，與其組織結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種元素及其含量的大小，具有直接性的關(guān)系。尤其都是對于中厚板來說，其自身的力學性能和各種工藝性能的優(yōu)劣，都與其化學成分中的C 元素的含量息息相關(guān)。而根據(jù)生產(chǎn)工藝，及中厚板自身性能的要求，在中厚板軋制過程中，其內(nèi)碳元素的含量一般都是維持在0.09%～0.18%之間。而在這個區(qū)間之內(nèi)，受C 元素含量的影響，鋼板對表面裂紋的產(chǎn)生較為敏感。再加上一些微合金鋼中通常都需要加入微量的Nb（鈮）元素。而Nb（鈮）元素的加入，雖然能夠大幅度的改善鋼板本身的機械性能，但也使中厚板表面開裂的幾率大大增加，中厚板較多的出現(xiàn)表面裂紋現(xiàn)象。

1.3.2 鋼坯成品厚度的影響

在中厚板軋制過程中，其表面裂紋的出現(xiàn)，除了與其自身的化學成分有關(guān)系外，還與其軋制鋼坯的厚度具有直接影響。研究表明，當鋼坯成品的厚度在小于20mm 時，其表面出現(xiàn)的裂紋指數(shù)為0.32；當鋼坯成品的厚度在大于20mm，而小于40mm時，中厚板表面裂紋指數(shù)為2.98。是小于20mm 時的9.3 倍，并且隨著中厚板厚度的增加，其表面裂紋指數(shù)也隨之呈線性增大的趨勢；當鋼坯成品的厚度在大于40mm 時，其表面出現(xiàn)的裂紋指數(shù)為11.25，是小于20mm 時的35.1 倍，并且隨著鋼坯成品厚度的增加，裂紋指數(shù)呈線性增加的關(guān)系。由此可以看出，中厚板表面產(chǎn)生裂紋的幾率，與軋制鋼坯成品的厚度，即鋼坯的軋制壓縮比具有很大的關(guān)系。

2 裂紋形成原因分析

2.1 化學成分

實驗表明，中厚板中的化學成分根據(jù)其含量主要分為三種，即基礎(chǔ)元素、常存元素以及各種微量元素。其中基礎(chǔ)元素為Fe和C 元素；常存元素包括Si、N、S、Mn 等；微量元素包括Nb和Ti 等。在本文中，筆者以中厚板中的A32 鋼種為例，通過對鋼板本身的化學元素進行具體分析。根據(jù)不同元素對中厚板性能的影響，研究中厚板表面出現(xiàn)的片狀裂紋產(chǎn)生的可能的原因。下表1 為所選擇A32 中厚板內(nèi)部化學成分內(nèi)控目標值。

表1 中厚板化學成分

2.2 宏觀特征分析

通過統(tǒng)計A32 中厚板軋制過程中產(chǎn)生表面裂紋的概率，然后與其它鋼種的中厚板進行對比分析，由此可知，通常情況下，出現(xiàn)裂紋情況的中厚板的厚度在10mm ～100mm 之間，且鋼板厚度越厚，表面產(chǎn)生裂紋的幾率也隨之增大，同時裂紋形成的深度也隨之加深。此外，還有一些如Q345EN、316LN、718/304L 等含鈮中碳合金鋼，軋制過程中也會經(jīng)常產(chǎn)生表面開裂現(xiàn)象。當這些類型的中厚板表面出現(xiàn)裂紋缺陷時，裂紋缺陷出現(xiàn)點位多處于鋼板兩側(cè)，與鋼板邊緣擁有100mm ～300mm之間左右的距離。同時這些裂紋主要存在兩種形狀，分別是“W”型或“M”型。所出現(xiàn)裂紋連續(xù)性較低，而且非常雜亂，沒有規(guī)律，非常小。

2.3 微觀特征分析

為了了解中厚板產(chǎn)生片狀裂紋原因，以典型裂紋為研究對象，在其中切取小部分進行實驗。對所獲得實驗材料橫斷面進行研磨處理，分析裂紋源，使用光學顯微鏡、掃描電鏡與透射電鏡完成裂紋源內(nèi)部組織詳細分析，然后與正?；窘M織對比，通過比較兩者之間的較大差異性，以此獲得相應(yīng)結(jié)論。

其實驗研究成果如下圖2，圖中（a）、（b）、（c）、（d）四組圖片為實驗所選擇兩組不同的研究素材的金組織——A3 鋼種片狀裂紋缺陷鋼板，鋼板規(guī)格在50mm×800mm×1100mm。其中圖（a）表示裂紋處外貌；圖（b）與圖（c）為不同放大倍數(shù)下的裂紋金相組織；圖（d）為正常體組織。

圖2 A3 金相分析照片

通過分析發(fā)現(xiàn)，樣本的裂紋內(nèi)部存在大量的氧化鐵（FeO3）、少量氧化硅（SiO），實驗結(jié)果表明裂紋發(fā)生位置在鑄坯，加熱階段（鑄坯熱軋前）是氧化鐵（FeO3）的主要形成階段。

在正常組織中，二相粒子尺寸與形狀存在較大差異，其中數(shù)量較少的為尺寸較大的星狀二相粒子，其尺寸在500nm 左右。在不同的二相粒子之間或旁邊存在較多數(shù)量細小粒子、其存在狀態(tài)為零散分布狀態(tài)，其尺寸在0nm ～50nm 之間，借助能譜分析得知，Nb、Ti、C、N 為二相粒子主要組成成分。在裂紋組織中，存在大量的細小二相粒子，它們出存在狀態(tài)為彌散分布狀態(tài)，其尺寸在10nm ～0nm 之間，借助能譜分析得知，所出現(xiàn)二相粒子均為Nb、Ti、C、N。完成裂紋處與正常組織對比后可以得到結(jié)論，出相差異與軋制過程中表層與心部之間的溫度差異存在正相關(guān)關(guān)系，即心部溫度越高出相聚集情況越容易出現(xiàn)，反之，溫度低則會延緩出相聚集情況，導致出相呈現(xiàn)為彌散、細小狀態(tài)。

在鑄坯階段與加熱階段，裂紋附近會出現(xiàn)氧化與脫碳情況。借助透射電鏡可以觀察到NbTi（CN）顆粒，是因為其顆粒較高，證明所選擇實驗類型中厚板擁有Nb、Ti、（CN）等化學物質(zhì)，導致此類鋼板存在脆性相，增加了裂紋出現(xiàn)可能性。

3 開裂問題控制方式

3.1 鋼水成分優(yōu)化控制

根據(jù)以上分析可知，當中厚板中含有微量元素Nb 時，在鋼材生產(chǎn)中，雖然Nb 元素的加入可以使鋼材生產(chǎn)工藝更加先進和優(yōu)化。且能夠細化晶粒，阻礙奧氏體晶粒的增大和再生成。同時還能強化中厚板的韌性和可焊接性，進而增強中厚板的機械性能。但當中厚板中Nb 元素含量較多時，也會使鋼板形成片狀開裂的可能性進一步增大。因此，在A32 等中碳合金鋼中厚板加熱生產(chǎn)時，必須對鋼水成分控制進行優(yōu)化。從而提高微量元素Nb 的加入量控制力度，或直接選擇不添加Nb。如果某些鋼種必須加入Nb 才可以實現(xiàn)生產(chǎn)，可以在其中添加0.01%～0.0%的Ti，確保鋼種中的Ti/N＞3.4。

3.2 鋼水氮含量控制

若在生產(chǎn)鋼種過程中，N 的含量過高，則氮化物會過早析出，增加了鑄坯裂紋的可能性。借助對比分析發(fā)現(xiàn)，當鋼水N含量大于等于50ppm，鋼板極易出現(xiàn)片狀裂紋情況。為解決此類問題，工作人員應(yīng)優(yōu)化和控制轉(zhuǎn)爐出鋼脫氧制度、造渣制度、LF 爐脫氧造渣、合金數(shù)序，提高控制各冶煉階段鋼包吹氬流量與壓力的力度，結(jié)合實際情況制定出具體的連鑄工序保護措施，以確保鋼水氮含量小于等于30ppm，以確保LF+RH 階段鋼水增氮小于等于10ppm、連鑄工序鋼水增氮小于等于5ppm、最終連鑄坯氮含量小于等于45ppm。

3.3 優(yōu)化處理指標

針對中厚板鋼坯連鑄過程中保護渣含量過少，使其彎月面失去應(yīng)有的保溫和潤滑能力，或者保護渣熔點和黏度較低，加熱過程中熔化過快等原因。造成的中厚板軋制過程中失去保護渣的保護，導致出現(xiàn)的表面開裂現(xiàn)象。為降低中厚板出現(xiàn)裂紋情況，可對渣熔化溫度與黏度進行優(yōu)化。避免出現(xiàn)保護渣含量不足、脫渣等情況，確保在澆鋼階段，保護渣液渣層厚度在9mm ～13m 之間。

3.4 控制二次冷卻強度

通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，目前工作人員所使用連鑄機再生產(chǎn)二冷配水時，多依靠機器自身所攜帶系統(tǒng)，只需要根據(jù)實際情況在二冷段內(nèi)完成鑄坯表面溫度設(shè)定即可。參考前文分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工作人員應(yīng)將連鑄機矯直區(qū)域（鑄流長度16.3m ～19.7m）內(nèi)鑄坯溫度調(diào)整到950℃以上，如圖3 所示。

圖3 調(diào)整前后鑄坯表面溫度曲線設(shè)定

3.5 優(yōu)化邊部水比例與最小水量

通常情況下，中厚板表面裂紋多出現(xiàn)在距離鋼板兩側(cè)，與鋼板兩側(cè)的距離在100mm ～300mm 之間，因此，工作人員應(yīng)高度關(guān)注鑄坯邊部溫度，并對溫度進行監(jiān)控。在優(yōu)化工作完成后，中厚板部分弧形段邊部的水量（如6 區(qū)）可以降低30%左右，矯直區(qū)邊部水量，如7 區(qū)、8 區(qū)，可以降低50%左右。其詳細情況如表2 所示。

表2 中厚板優(yōu)化邊部水比例前后的水量對比

3.6 優(yōu)化鑄坯堆冷卻時間與溫度

當鑄坯熱送溫度進入第三脆性區(qū)后，奧氏體晶附近會出現(xiàn)鐵素體及膜狀，此時晶界強度略低，受加熱影響會出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)狀，會提高晶界出現(xiàn)裂紋可能性，更嚴重情況不僅會進一步加深裂紋深度，還會導致裂紋缺口附近出現(xiàn)脫碳層。晶界內(nèi)部含有粗大顆粒碳化物，會增加晶界脆性強度，提高裂紋出現(xiàn)可能性。鑄坯入爐溫度不超過500℃，可以降低第三脆性區(qū)出現(xiàn)熱膨脹情況的概率，降低鋼板出現(xiàn)裂紋可能性。

3.7 其他方法

在實際工作中，工作人員除了可以借助上述方法降低中厚板表面出現(xiàn)片狀開裂情況外，還可以借助如下手段進行控制：

（1）潤滑：連鑄機軸承長期處于磨損狀態(tài)，在實際運行中會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，再加上連鑄機運行過程發(fā)熱，會加速潤滑油消耗，因此可以調(diào)整軸承內(nèi)部潤滑形式，降低輸油管路出現(xiàn)堵塞情況可能性。

（2）冷卻：在工作期間，連鑄機長期處于高溫烘烤狀態(tài)，為降低鑄坯表面出現(xiàn)裂紋可能性，應(yīng)對傳統(tǒng)冷卻方式進行優(yōu)化，將單循環(huán)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑€冷卻，以提高設(shè)備冷卻質(zhì)量。

4 結(jié)語

造成中厚板表面出現(xiàn)片狀裂紋的原因有很多，除本文所闡述設(shè)備原因外，還可能因為人為原因引起，因此在實際工作中，管理人員應(yīng)加強管理，保證工作人員具有積極的工作態(tài)度，并對其進行培訓，要求在日常工作中必須嚴格遵守相關(guān)制度，降低此現(xiàn)象發(fā)生可能性。同時，還應(yīng)積極引進市場中所出現(xiàn)的先進技術(shù)與優(yōu)秀經(jīng)驗，為開展后續(xù)工作提供更多思路。