孫 乾，亓偉偉，麻 衡，王騰飛，單兆光，公 斌

（1 萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司技術(shù)中心，山東濟(jì)南，271104；2 萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司煉鋼廠，山東濟(jì)南，271104）

1 前言

熱連軋鋼帶產(chǎn)品具有強(qiáng)度高、韌性好、易加工、可靠的可焊接性等優(yōu)異的使用性能，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、橋梁、船舶、建筑、機(jī)械、壓力容器等各行業(yè)［1］。Nb是強(qiáng)碳氮化合物形成元素，可促進(jìn)細(xì)化晶粒、析出強(qiáng)化，彌補(bǔ)降碳損失的強(qiáng)度。研究表明，控軋微合金鋼中Nb 含量每提高0.01%，鋼的強(qiáng)度可提升30～50 MPa，細(xì)化晶粒及析出強(qiáng)化能力突出，且經(jīng)濟(jì)性高，在微合金熱軋鋼帶生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用［2］。實(shí)際生產(chǎn)中，邊部缺陷是熱軋鋼帶常見(jiàn)問(wèn)題，化學(xué)成分、鑄坯拉速、浸入式水口結(jié)構(gòu)、鑄坯加熱、軋制情況、水冷工藝等各環(huán)節(jié)控制波動(dòng)均可能引起邊裂問(wèn)題［3］。針對(duì)某含Nb 低合金熱軋鋼帶邊部裂紋缺陷，采用金相顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、EDS能譜儀等檢測(cè)方法，對(duì)試樣缺陷處形貌、組織、成分及析出物、脫碳等角度進(jìn)行表征，詳細(xì)分析了導(dǎo)致邊裂出現(xiàn)的原因、來(lái)源工序、影響因素，為現(xiàn)場(chǎng)工藝優(yōu)化，提供了一定的理論參考。

2 工藝流程及質(zhì)量要求

實(shí)際生產(chǎn)中，熱軋鋼帶大多以連鑄坯為原料，加熱后經(jīng)粗軋、精軋等工序制成鋼帶，精軋后的熱鋼帶，經(jīng)過(guò)層流冷卻，水冷至設(shè)定溫度，卷取機(jī)卷成鋼帶卷。鋼帶卷成品根據(jù)用戶技術(shù)要求，再經(jīng)精整，進(jìn)行平整、矯直、檢驗(yàn)、稱(chēng)重、包裝等加工后變成終端產(chǎn)品吊裝入庫(kù)。

含Nb 低合金熱軋鋼帶生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理－頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉－LF精煉－連鑄—加熱—軋制—冷卻—卷取—取樣、檢驗(yàn)—入庫(kù)。化學(xué)成分如表1所示。

表1 熱軋鋼帶試樣（厚度≥10 mm）化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3 裂紋試樣制備及檢驗(yàn)

3.1 試樣裂紋的宏觀形貌觀察及取樣

軋制后的鋼帶厚度15.75 mm，沿軋制方向兩側(cè)上下面邊部出現(xiàn)不連續(xù)、不規(guī)則細(xì)密裂紋，肉眼觀察上表面裂紋長(zhǎng)度約在5 cm，下表面約3 cm。上表面裂紋較粗且較深，裂紋深度約在0.5～1.5 mm，延伸不規(guī)則，末梢有分叉，下表面裂紋略細(xì)，斷續(xù)分布。

選取3塊缺陷板，分別檢測(cè)其化學(xué)成分，如表2所示，成分均滿足表1成分要求。沿試樣板邊部取樣，尺寸為10 mm×10 mm×15.75 mm。

表2 試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.2 裂紋處金相觀察與分析

用酒精超聲波清洗儀清洗試樣表面，在1.8～8 mm砂紙上依次打磨橫截面，采用2.5 μm金剛石拋光劑拋光，再經(jīng)過(guò)超聲清洗、吹干后，用4%的硝酸酒精侵蝕，在50 倍、500 倍金相顯微鏡下觀察邊裂較為嚴(yán)重的上表面形貌，如圖1所示；200倍、500倍下觀察上表面裂紋周邊組織形態(tài)，如圖2 所示；裂紋較輕的試樣下表面在100 倍、200 倍金相顯微鏡下的形貌及周邊金相組織，如圖3所示。

圖1 試樣上表面裂紋形貌

圖2 試樣上表面裂紋周邊處顯微金相組織

圖3 試樣下表面裂紋形貌及周邊金相組織

由金相形貌組織照片可知，宏觀上看試樣上表面裂紋深度0.5～1 mm，最長(zhǎng)延伸至2 mm，裂紋呈舌頭狀，有明顯分叉，裂紋兩側(cè)晶粒比基體略粗大；下表面缺陷為折疊和微裂紋復(fù)合缺陷，缺陷處兩側(cè)晶粒比基體略細(xì)。上表面晶粒整體較下表面細(xì)，上表面晶粒度約為12 級(jí)，下表面約為10.5～11 級(jí)。上、下表面缺陷程度不同。

3.3 裂紋處掃描電鏡及元素能譜分析

采用SEM 掃描電鏡觀察裂紋兩側(cè)是否存在析出物，分析析出物種類(lèi)及含量等。掃描電鏡下觀察上、下表面缺陷情況及母材基體、裂紋邊界、裂紋縫隙處EDS能譜分析結(jié)果，分別見(jiàn)圖4、圖5、表3。

表3 上、下表面基體、裂紋邊界、裂紋縫`隙處EDS譜圖元素表

圖4 試樣上表面缺陷處SEM掃描電鏡顯微組織及EDS能譜分析

圖5 試樣下表面缺陷處SEM掃描電鏡顯微組織及EDS能譜分析

由圖4、圖5，并結(jié)合表3 可知，試樣上、下表面縫隙處及縫隙邊界處均存在一定脫碳現(xiàn)象，其中上表面脫碳更為明顯，伴有Si、Mn 氧化物顆粒析出，裂紋邊界上顆粒富集更多。上表面裂紋基本垂直于表面，較深且長(zhǎng)，分叉末端較鈍，裂紋開(kāi)口處及裂紋兩側(cè)晶粒大小不均勻，裂紋邊界出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象；縫隙處及附近存在明顯氧化，氧含量較高，主要包括Fe、O、C、Mn 等元素，這可說(shuō)明上表面裂紋內(nèi)部基體被氧化，并形成氧化鐵皮包裹填充。下表面裂紋較細(xì)，有延伸但未分叉，與表面呈40～50°角，裂紋邊界晶粒較內(nèi)部基體晶粒稍細(xì)，有一定脫碳，但較上表面輕，縫隙及邊界處析出多種合金元素，主要含F(xiàn)e、O、Mn、Si、Al、P、Nb 等，存在一定氧化。上、下表面裂紋現(xiàn)象表征有一定類(lèi)似，但宏觀形貌、析出元素存在不同，裂紋來(lái)源工序各異。

4 裂紋形成原因分析

厚規(guī)格（＞6 mm）低合金熱軋鋼帶在連鑄連軋過(guò)程中易出現(xiàn)邊部裂紋，裂紋有縱向、橫向兩種，其形貌、形成過(guò)程、形成原因各異。縱向裂紋多呈細(xì)條狀，與鑄坯成分、夾雜物含量等有關(guān)，由連鑄拉坯過(guò)程中的皮下氣泡、角部裂紋等缺陷在后續(xù)加熱、軋制過(guò)程中逐漸演化而來(lái)［4］。橫向裂紋缺陷為偶發(fā)缺陷，其缺陷程度較深，與鑄坯質(zhì)量、連鑄矯直、拉速、熱軋時(shí)的不均勻變形軋制等工藝相關(guān)［5］。本試樣為縱向裂紋，上、下表面均有，但呈現(xiàn)形貌、組織、析出物不完全相同，兩表面均有一定程度的脫碳，其中上表面更為明顯。形成脫碳現(xiàn)象一般要同時(shí)滿足兩個(gè)條件，一是鋼材表面脫碳需要較高溫度（＞700 ℃），二是需要保溫一定時(shí)間，促進(jìn)碳原子充分?jǐn)U散，與空氣中的氧反應(yīng)生成CO、CO2氣體，形成表面脫碳。裂紋處及邊界被氧化，出現(xiàn)脫碳及周?chē)霈F(xiàn)點(diǎn)狀氧化物，如在澆鑄過(guò)程中拉速過(guò)快或其他操作匹配不當(dāng)，易形成鑄坯原始裂紋，在后續(xù)加熱爐加熱過(guò)程中原始裂紋被氧化，進(jìn)而形成表面脫碳。同時(shí)，當(dāng)加熱爐中保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，易造成裂紋處晶粒長(zhǎng)大。在軋鋼工序中，為提高軋鋼效率，如果壓下量設(shè)定偏大，大壓下力作用下，中間坯易形成“耳子”，下一道軋制時(shí)，容易形成折疊；或者鑄坯清理不到位，坯上帶著氧化鐵皮等異物，軋鋼時(shí)異物與母體表面局部形成折合，形成呈“舌狀”、連續(xù)“山峰狀”等形態(tài)的雙層金屬。實(shí)際生產(chǎn)中，折疊現(xiàn)象易導(dǎo)致鋼帶邊部開(kāi)裂。

試樣上、下表面裂紋處出現(xiàn)脫碳、元素析出，其中上表面較嚴(yán)重，裂紋垂直于表面且延展，裂縫邊界出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大；下表面裂紋較細(xì)、未分叉，且裂縫邊界晶粒較基體更為細(xì)小。結(jié)合EDS能譜，裂紋內(nèi)存在Si、Mn 等元素的氧化物顆粒，形成該類(lèi)氧化物，要滿足950～1 200 ℃高溫下保溫0.5 h以上，發(fā)生內(nèi)氧化反應(yīng)才能達(dá)到。當(dāng)鋼基體母材Si 含量為0.05%時(shí)，可發(fā)生內(nèi)氧化，達(dá)到0.25%時(shí)內(nèi)氧化極為強(qiáng)烈。含Nb 低合金熱軋鋼帶Si 含量為0.15%～0.40%，試樣鋼帶Si含量為0.26%，鑄坯冷裝入爐，爐內(nèi)均熱段溫度達(dá)1 200～1 280 ℃，均熱時(shí)間＞30 min，達(dá)到了內(nèi)氧化發(fā)生條件，促使Fe、Si、Mn被氧化，生成鐵錳硅酸鹽（Fe，Mn）O·SiO2及氧化物顆粒［6］。

試樣裂紋邊界、表面的脫碳及氧化物是鑄坯在加熱爐中升溫及保溫過(guò)程中反應(yīng)析出的，由此可見(jiàn)，上表面微裂紋來(lái)自原始鑄坯，下表面細(xì)紋是鑄坯自身微小細(xì)紋與軋鋼折疊綜合作用所形成的。

5 鑄坯表面邊角細(xì)裂紋原因分析

軋制厚規(guī)格含Nb低合金熱軋鋼帶的原始連鑄坯規(guī)格為175 mm×1 360 mm，選用優(yōu)質(zhì)包晶鋼保護(hù)渣，拉速1.25～1.35 m/min，采用多點(diǎn)矯直技術(shù)；母材成分控制嚴(yán)格，Al、N、B 等易誘發(fā)鋼坯裂紋的成分控制好，EDS能譜也未發(fā)現(xiàn)N、B等元素。對(duì)誘發(fā)其連鑄坯邊角裂紋的原因總結(jié)如下。

（1）含碳量在0.08%～0.17%區(qū)間內(nèi)的鋼，當(dāng)高溫鋼液相冷卻至1 495 ℃時(shí)，開(kāi)始發(fā)生包晶反應(yīng)，δFe（固體）+L（液體）→γFe（固體）；因γFe、δFe兩相線收縮系數(shù)差異較大，分別為9.8×10-5/℃、2×10-5/℃，當(dāng)發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)，線收縮量較大，相變引起的收縮現(xiàn)象明顯；試樣鋼碳含量為0.138%，連鑄拉坯過(guò)程中，坯殼與結(jié)晶器壁因相變收縮，易形成氣隙，可能導(dǎo)致收縮不均、坯殼厚度不均等現(xiàn)象，如拉坯速度某時(shí)刻控制不穩(wěn)定，坯殼薄弱處易出現(xiàn)裂紋，拉速過(guò)快，可能造成更為嚴(yán)重的鑄坯表面質(zhì)量缺陷，甚至發(fā)生漏鋼事故。再者，試樣鋼為含Nb鋼，Nb 含量為0.011 4%，含Nb 鋼在950～750 ℃范圍為脆性區(qū)，生產(chǎn)中如果矯直溫度達(dá)不到950 ℃，在鑄坯內(nèi)弧或角部極易出現(xiàn)裂紋，軋后出現(xiàn)類(lèi)似M型舌狀缺陷。

（2）溫度是決定鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)，除了連鑄、加熱、熱軋等工序溫度需嚴(yán)格控制，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度也對(duì)性能和表面質(zhì)量有一定影響。我國(guó)幅員遼闊，北方夏天高溫30 ℃、冬季-10 ℃是常態(tài)，環(huán)境對(duì)冷卻水溫也影響極大，相同工藝及控制水平下，環(huán)境溫度差異大，生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量也存在波動(dòng)。試樣鋼在冬季冶煉，冷卻水溫度較低，當(dāng)水量相同時(shí)，二次冷卻強(qiáng)度較大；再者，冬季冶煉，因環(huán)境氣溫低，鑄坯冷卻速度較快，火焰清理開(kāi)始時(shí)溫度較低，鑄坯表面溫度急速上升，溫差帶來(lái)熱應(yīng)力膨脹；同時(shí)，清理時(shí)往往上表面及兩側(cè)面清理較干凈，對(duì)邊角處及翻坯下表面清理較粗糙，存在局部過(guò)熱，且上下表面存在溫差，誘發(fā)鑄坯表面輕微炸裂，導(dǎo)致上下表面形成形態(tài)各異、深淺不同的微裂紋。

6 優(yōu)化改進(jìn)建議

冬季生產(chǎn)該類(lèi)鋼時(shí)，盡可能選擇在天氣較好、氣溫較高的時(shí)段組織生產(chǎn)，保證冶煉環(huán)境溫度及冷卻水溫相對(duì)較高；盡可能關(guān)閉連鑄車(chē)間區(qū)域不必要的入口，入口處可覆蓋保溫門(mén)簾，降低冬季涼風(fēng)對(duì)鑄坯表面溫度的影響；連鑄拉坯時(shí)嚴(yán)格控制拉坯速度，注意控制二冷水比水量，提高矯直段溫度，避開(kāi)脆性區(qū)；做好中間包烘烤，包內(nèi)鋼水表面加覆蓋劑保溫，盡可能減小鋼水熱損失。

7 結(jié)論

7.1 對(duì)厚規(guī)格含Nb 低合金熱軋鋼帶邊部裂紋試樣進(jìn)行金相、SEM掃描電鏡、EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)鋼帶缺陷以裂紋為主，并有少量折疊，裂紋兩側(cè)存在大量Si、Mn 析出物，且晶粒尺寸與基體有明顯差異，認(rèn)為連鑄坯存在原始缺陷，是造成鋼帶邊裂的主要原因。因冬季冶煉，冷卻水溫度低，冷卻速度較快且不均勻，表面應(yīng)力各異；加之鑄坯火焰清理上下表面也存在溫差，且對(duì)邊角處及翻坯下表面清理較粗糙，存在局部過(guò)熱，誘發(fā)表面輕微炸裂，導(dǎo)致微裂紋形成。

7.2 實(shí)際生產(chǎn)中不斷優(yōu)化冶煉－連鑄－加熱－軋制生產(chǎn)節(jié)奏匹配，采用合理控制拉速、二冷水比水量，提高矯直段溫度，避開(kāi)含Nb鋼脆性轉(zhuǎn)變區(qū)。盡可能保證冶煉環(huán)境溫度適宜，保證冷卻水純凈度及溫度，鑄坯緩冷精整時(shí)保證吹掃清理效果。北方冬季生產(chǎn)應(yīng)有環(huán)境保溫措施，合理組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定控制，確保后續(xù)軋鋼工序條件充足，從而有效避免缺陷發(fā)生，實(shí)現(xiàn)終端熱軋鋼帶產(chǎn)品表面質(zhì)量與性能良好。