中碳结构钢表面翘皮原因分析与改进

赵丽明 李翠 李铁 朱爱美 邹翠荣

(山东泰山钢铁集团有限公司,山东 济南 271100)

中高碳优质碳素结构钢,具有较高的强度和硬度,用途较为广泛,50钢是其中典型的代表钢种之一,其热轧板常用于制造冲击性能好、耐磨性能好的机械零部件,如齿轮、垫片、掘土犁铧等[1],广泛应用于交通运输车辆零部件的制造。但中高碳钢铸坯的裂纹缺陷对产品质量的提升产生了阻碍,该缺陷无法在轧制过程中消除[2],导致废品率偏高。梁启华等[3]对中碳结构钢表面纵裂纹产生原因研究表明,铸坯加热过程中,皮下裂纹在热应力的作用下扩展到表面,形成轧材表面纵裂。泰山钢铁生产的部分50钢表面存在翘皮缺陷,对后续冷轧生产产生了较为严重的影响。针对此情况,及时对该批次缺陷钢板进行检验分析,查找了缺陷原因,并提出了改进措施,以提高中高碳钢的铸坯质量,为下游工序提供合格基板。

1 翘皮缺陷产生原因分析

1.1 生产工艺流程

铁水预处理→转炉→LF炉→连铸→加热→热轧→冷却→卷取。板坯规格220 mm×1250 mm×8500 mm,热轧卷板规格3.0 mm×1250 mm,冶炼成分如表1所示。

表1 冶炼成分(质量分数,%)Table 1 Smelting composition(mass fraction, %)

1.2 缺陷形貌

连铸板坯经热轧轧制后发现,在钢卷上表面存在翘皮缺陷,缺陷部位距离钢带边部约40 cm,如图1所示;缺陷形状为线状或柳叶状,如图2所示;体视显微镜下翘皮缺陷形貌,如图3所示;在缺陷部位取样进行金相检测、扫描电镜及能谱检测分析。

图1 表检仪缺陷形貌Figure 1 Defect morphology on surface tester

图2 缺陷样品宏观检测Figure 2 Macroscopic inspection of defective samples

图3 体视显微镜缺陷形貌Figure 3 Defect morphology on stereomicroscope

对该连铸板坯取横向低倍样品进行热酸洗,低倍形貌如图4所示,评级结果见表2,发现低倍样品检测面三角区裂纹和中间裂纹均达到1.5级,其中中间裂纹以簇状形态分布在厚度方向1/4位置处,且以偏析线为中心一侧发达、一侧轻微,图4(b)为图4(a)中椭圆形区域内的中间裂纹宏观形貌。

(a)

(b)图4 低倍检测图片Figure 4 Macroscopic inspection picture

表2 低倍检测结果Table 2 Macroscopic test results

1.3 金相检测

热轧板缺陷部位取样用4%硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜下观察,正常部位组织为铁素体+珠光体,裂纹部位及延长线处均存在明显脱碳现象,见图5(a),铸坯表面的原始微裂纹经过加热炉长时高温加热,产生高温氧化[4]。图5(b)为裂纹延伸处高倍组织照片,可见铁素体明显成带状分布,且伴随点状物质存在,该点状物质成分需经扫描电镜及能谱分析进一步确认。

(a)裂纹开口部位 (b)内氧化质点及点状物质图5 金相检验图片Figure 5 Metallographic inspection picture

铸坯表面和中心部位在加热时会形成温度差,导致钢的热膨胀速率在表面比中间部位大,从而导致压应力作用于钢表面位置,拉应力作用于钢的中间部位。当该温度差增大时,会导致热应力持续增加以至达到强度极限以上,在铸坯内部将形成微裂纹,微裂纹在后续加热及加工过程中延伸至表面,裂纹附近组织经高温长时加热则形成脱碳。

1.4 扫描电镜检测

对翘皮缺陷样品进行扫描电镜检测,重点对缺陷部位点状物质进行EDS能谱分析,检测结果如图6、图7、表3、表4所示。

(a)裂纹部位形貌 (b)谱图1能谱分析 (c)谱图2能谱分析图6 翘皮缺陷部位EDS能谱分析结果Figure 6 The EDS energy spectrum analysis results of peeling positions

(a)裂纹部位形貌 (b)谱图3能谱分析 (c)谱图4能谱分析 (d)谱图5能谱分析图7 裂纹附近基体EDS能谱分析结果Figure 7 EDS energy spectrum analysis results of matrix near crack

表3 能谱分析结果(质量分数,%)Table 3 Energy spectrum analysis results (mass fraction, %)

表4 能谱分析结果(质量分数,%)Table 4 Energy spectrum analysis results (mass fraction, %)

经扫描电镜检测,缺陷附近及延伸部位的细小点状物质中含有大量磷、硫、锰、硅等成分。

1.5 讨论

钢卷上表面存在无规律的翘皮缺陷,该缺陷形状为线状或柳叶状;经体视显微镜观察存在表面裂纹;裂纹部位取样在金相显微镜下观察发现裂纹部位及附近均存在脱碳、内氧化质点及细小点状物质;经扫描电镜及能谱检测发现,缺陷附近及延伸部位的细小点状物质中含有大量磷、硫、锰、硅等成分。

分析缺陷样品中的组织状态,铁素体条带是在钢水凝固过程中形成,该缺陷的产生是由于凝固坯壳在二冷水阶段冷却不均匀、在1300℃左右形成的高温裂纹[4],中间裂纹为晶界裂纹,产生于凝固界面[5]。二冷区冷却不均匀是导致铸坯皮下中间裂纹产生的主要因素,在二次冷却阶段,铸坯坯壳已经凝固形成,但是其内部还处于熔融状态,铸坯表面温度达到1300℃以上,如果二冷水的冷却不均匀则容易使铸坯内部因应力较大而导致裂纹在凝固界面处产生,此时,钢水会随之进入裂纹内部,该裂纹部位从而携带大量夹杂物,当温度降到A3点温度时,裂纹处会优先形成铁素体组织,该裂纹在后续热轧加工时会逐步宽展至钢板表面[6-8]。

通过以上检测分析,可以明确该翘皮缺陷为磷、硫等元素偏析以及二冷水冷却不均引起的铸坯中间裂纹在热轧轧制过程中延伸至表面导致。

2 防止铸坯中间裂纹产生的改进措施和效果

中高碳钢自身的高温特性和凝固特性易引起连铸坯中间裂纹与偏析等铸坯缺陷的产生。50钢的液相线温度约为1485℃,比Q235B、SPHC等钢种都要低,其凝固收缩率在1200～1300℃时较大,塑性降低,凝固组织为纯奥氏体组织,当温度到达800℃以下时转变为铁素体与珠光体组织。当选用大断面铸坯进行生产时,冷却收缩与相变膨胀两因素会同时或单独发挥作用,由于50钢碳锰含量高、强度高、塑性低,更容易导致皮下裂纹的产生[9]。

有学者对中间裂纹缺陷已经进行了研究[10-11],靠近表面的中间裂纹多发生在直弧形铸机的弧形段,与辊缝精度、二冷水工艺等有直接关系。

目前在AIS基站使用的天线大多是全向天线，由于全向天线增益较小，有效的作用距离约为30海里，信号接收范围为360度全方位，为解决此问题，八木天线的构想被提出，随后得到了广泛的应用，随着技术的进步，其中存在的问题一步步显现出来。由此，经过仿真和大量实验探索，建立了旋转可控式岸基AIS八木天线阵列。旋转可控式岸基AIS八木天线阵列将定向天线和全向天线作了一个结合，以弥补各自的不足，能做到有效地接收信号。既实现信息广播，也可以实现区域性信息播发，降低时隙冲突。

由于钢中碳、锰含量高,以及铬等合金成分的加入,50钢强度显著提高,需要通过改善铸坯组织的均匀性来提高最终产品的组织性能的均匀性。

2.1 改进措施

(1)提高钢水纯净度,控制钢水质量,严格控制钢水磷、硫质量分数。若钢中磷、硫等元素特别是硫元素的质量分数较高,在连铸坯凝固时,容易引起固-液界面钢的第Ⅰ脆性区微裂纹的产生[12],并且会影响连铸坯微裂纹的扩展,因此,在生产中应严格控制其含量,确保锰硫比不小于25,尽量避免磷、硫元素偏析。

(2)优化二冷配水,使铸坯受到环向均匀冷却。在二冷水阶段重点控制板坯横向冷却均匀性,抑制铸坯表面反复回温。铸坯出结晶器后,二冷比水量控制在≤0.60 L/kg,后段则保持铸坯表面温度的稳定性,避免因铸坯表面回温而引起铸坯偏析、中间裂纹等缺陷的产生。

(3)扇型段设备状态的变化也会导致中间裂纹的产生。铸坯在结晶器足辊、支撑辊等设备偏离中心位置时受到较大的外应力,从而导致铸坯皮下裂纹的产生[13]。重点加强对二冷水的管理,特别是要定期检查二冷水喷嘴,对二冷水水质进行抽查,避免因喷嘴堵塞等设备原因造成二冷水喷射不均匀。

(4)板坯下线后若不能达到热送条件则入保温坑,保温坑内烧嘴提前开启升温至700℃,保证板坯热装入炉,入炉温度不得低于450℃;热轧板下线后严格执行堆冷制度。

2.2 生产实践及实施效果

(1)精炼工序:微调成分、造白渣,严格控制成分区间,其中w(P)=0.009%～0.017%,w(S)=0.003%～0.007%,氧氮含量低,钢水纯净度高,Σw[O]≤0.0030%,Σw[N]≤0.0035%。

(2)连铸工序:镇静时间控制在5～15 min,连铸全程采用氩气保护性浇注,拉速0.90～1.0 m/min,动态轻压下投入使用,电磁搅拌投入使用,二冷比水量0.50～0.58 L/kg,具体二冷水分配情况见表5。

表5 二冷水使用情况(L/min)Table 5 Usage situations of secondary cooling water(L/min)

(3)板坯除鳞工艺:减少板坯轧制轧线温降,减少除鳞道次,并合理分布除鳞道次,板坯除鳞箱除一道(2组),粗轧机架除鳞投用1、3道次,各点除鳞水压力均控制在23.0 MPa以上。

(4)板坯下线:连铸板坯下线后入保温坑,保温坑提前点火预热,普通碳钢红坯打底,板坯入加热炉温度均≥600℃。

(5)加热炉:均热段温度1260℃±20℃,驻炉时间180～260 min,炉膛气氛为弱还原气氛。

(6)实施效果

改进后,连铸板坯低倍样品状态明显好转,低倍形貌如图8所示,中间裂纹级别降至0.5级以内,见表6。改进后的连铸板坯经热轧轧制后,钢带表面未发现明显缺陷。

图8 改进后低倍检验图片Figure 8 Macroscopic inspection picture after improvement

表6 低倍检测结果Table 6 Macroscopic test results

3 结论

(1)钢卷上表面存在无规律的翘皮缺陷,该缺陷形状为线状或柳叶状,经检测分析后发现,该翘皮缺陷为磷、硫等元素偏析以及二冷水冷却不均引起的铸坯中间裂纹在热轧过程中延伸至表面所致。

(2)冶炼时控制钢水质量,严格控制钢水磷、硫质量分数;优化二冷配水,使铸坯冷却均匀,增加板坯横向冷却均匀性,抑制铸坯表面反复回温,优化二冷配水是减少铸坯裂纹和偏析的有效措施;加强设备维护,减少中间裂纹;严格执行板坯下线保温制度。

(3)采取改进措施后板坯质量良好,板坯低倍组织改善明显,热轧卷板表面无明显缺陷。