薄板坯含硼钢热轧卷边部裂纹形成原因与控制

供稿|于海涛 / YU Hai-tao

在中碳钢中加入一定量的硼（B）合金元素后，能够明显提高钢材的物理、化学和力学性能，对于连铸坯的内部组织结构，可以改善化学成分不均匀、减少柱状晶区的形成从而起到细化晶粒的作用[1]。从节约生产成本考虑，本钢将常规宽板坯铸机生产的含B钢转向薄板坯连铸机，并集中生产了用于制作出口管料的含B中碳钢A36。对于制管钢料来说，需要螺旋焊缝或直缝焊，边部的质量要求更加严格。但是，在生产过程中随着钢中加入B元素后，在热轧板卷边部产生质量缺陷，主要为边部纵向裂纹，分析热轧卷缺陷的形成为铸坯角部裂纹导致。通过分析热轧卷产生边部裂纹的原因并采取了一系列工艺改进措施，控制住了边部裂纹的形成，提高了热轧的成材率。

工艺流程

本钢薄板坯有两台达涅利制造的FTSC连铸机，铸坯生产出来后进加热炉升温后直接轧制，日常铸坯规格为900～1520 mm×72 mm，热轧板卷厚度规格为1.2～6.0 mm。

制管料A36是在普通中碳钢中加入少量的B元素，以求达到均匀细化的内部组织结构，主要成分如表1所示。

表1 A36的化学成分（质量分数）%

边部裂纹形态

在热轧卷上看出，裂纹在距边部10 mm内成树枝状发展，特别在轧制厚度在5.0 mm以上的板卷上更加明显，而且裂纹有深度，如图1所示。

图1 热轧卷边裂

对应出现热轧卷边裂炉次下线铸坯，发现在铸坯的角部及窄侧振痕沟内有不明显的细微裂纹，但经人工火焰清理缺陷部位后横裂纹凸显出来，如图2所示。在热轧立辊定宽挤压后，角部裂纹开裂，沿轧制方向衔接成连续树枝状裂纹。

图2 铸坯的角部横裂

裂纹的成因

钢的热塑性

铸坯在高温状态下，内外部缺陷的形成与凝固时力学的变化有着密切关系，铸坯在高温状态下的塑性附和着强度的变化，总体可以分为两个脆性区：（1）700～900 ℃的低温脆性区，对于很多的钢来说，会发生γ→α转变的温度范围，只要有先共析α相析出，不可避免的在两相区发生脆化；（2）1300 ℃到固相线温度范围内的高温脆性区，在该区域内钢的延展性会降低，是由于晶粒间析出的液相膜而引起的，其中包括硫化物FeS、MnS，P以及其他易偏析的元素，都会促使形成这种低熔点相[2]。

铸坯在扇形段凝固冷却过程中，强冷后的铸坯收缩率达到或超过一定临界状态的时候，极容易产生细小的裂纹，再受机械力影响下，细小裂纹会发展成粗大裂纹。据相关文献研究，铸坯温度在800～950 ℃区间时，铸坯的断面会收缩，出现明显的凹陷区，就在900 ℃时，断面的收缩率达到最低。在铸坯的边角部冷却量会大于铸坯表面，首先进入脆性区，加上铸坯在扇形段内走行受到矫直和拉伸的外力作用，容易在角部形成裂纹，因此在受力较大的矫直段避开此温度。

晶间析出的BN

钢水中存在一定量的N，B元素和N元素非常容易形成BN化合物，BN的析出会在奥氏体的晶界处分布致密，在拉应力驱使下晶界间会产生一定的位错，BN析出物会与晶界之间产生微小的空穴，更多的空穴形核后，随着应力不断施加，这些空穴就会变得更大，当长大到一定的范围时，空穴会沿晶界面上形成衔接，逐渐的发展成线状分布而形成晶间的初期裂纹[3]。

Mn/S的抑制作用

在钢水中[Fe]和[S]很容易形成FeS化合物，而形成后的FeS又较容易与[Fe]形成较低熔点（985 ℃）的共晶体，这些共晶体会富集在奥氏体的晶界处，会降低铸坯的高温塑性，大大加剧了铸坯的热裂纹敏感性，减小了晶界间的结合能力[4]，所以减少FeS的形成有利于减轻裂纹的发展。在钢水中会有如下反应：

从公式可以看出，有两种方法可以减少FeS的形成。首先，此反应是放热反应，随着温度降低，ΔG0值会变小，也就是铸坯在冷却的过程中有利于反应向正方向进行，[Mn]会置换[Fe]原子形成MnS。其次，增加反应物Mn的含量，也可以减少FeS的生成。

在钢中Mn的浓度要远远小于Fe，这样[Mn]与[S]的反应几率会很低。在此引入w(Mn)/w(S)的值，据相关的研究表明，当提高w(Mn)/w(S)的比值时，[Mn]与[S]的结合几率会大大增加，随着w(Mn)/w(S)比值的提高，达到一定的程度的时候，在钢水中的[S]几乎完全会与[Mn]结合，形成的MnS会代替低熔点FeS，减少FeS在奥氏体晶界处的析出，而MnS则以线状形态分布于奥氏体中，大大提高钢的高温热塑性，抑制板坯晶界间的裂纹发展趋势[5]。

边部裂纹的形成原因分析

在铸坯凝固时窄侧和角部存在振痕沟，受应力和晶界间初期裂纹影响会发展成宏观裂纹，也就是在铸坯皮下检查时发现的细小裂纹。铸坯经热轧两道次轧制后，裂纹沿轧制方向衔接，再经精轧后裂纹被拉伸成线状，最终形成边部裂纹。根据裂纹的形成机理，抑制铸坯振痕沟裂纹的形成，势必能控制边部裂纹缺陷。从以下几点分析含硼钢A36边部缺陷的形成原因：

（1）w(Mn)/w(S)偏低

钢水中[Mn]的含量控制在下限水平，而S的含量控制偏高，则造成w(Mn)/w(S)比值低， [Mn]对FeS的形成抑制作用就会有所降低，过多的FeS在晶界处析出、聚集就容易产生裂纹。

从图3可以看出，2013年[Mn]和[S]含量分别控制在0.25%和0.0044%水平，w(Mn)/w(S)比值在70以上。在保证热轧性能的基础上，2014年将[Mn]含量控制在下限水平0.18%，[S]控制水平与往年相近，w(Mn)/w(S)比值在61水平，热轧后部出现了批量的边部纵向裂纹。

图3 不同时期Mn和S的控制情况

（2）二冷水喷淋

结晶器窄侧二冷水过大，加上弯曲段二冷水喷幅全覆盖铸坯，造成角部坯温过冷，角部首先进入热塑性低的温度范围内，在矫直段铸坯应力集中导致窄侧和角部裂纹扩大。

（3）[N]含量的影响

在生产过程中由于保护浇铸差导致钢水中[N]含量偏高，钢水中的[B]与[N]结合生成BN在晶界的析出就多，形成微小空穴破坏了晶界间的结合力，容易诱发铸坯裂纹的形成。对一个时期内钢水中[N]的成分检验，整体控制在0.005%左右，对比其他钢类的气体约高出0.002%。

控制边裂的工艺措施

成分控制

BN在晶界的聚集、析出是造成裂纹的主要因素，控制BN在晶界的析出能够有效控制板卷产生边部缺陷。根据李文英[6]等的研究发现，在增大钢水中的w(Mn)/w(S)的比值的情况下，可以增加MnS在机体内形核的驱动力，又根据郭亚东[7]等人的研究，在钢水的凝固过程中，MnS要优先于BN析出， BN以先析出的MnS为异质核心形核，减少了BN在晶界的析出。必要的调整钢水中[Mn]含量、降低[S]含量，w(Mn)/w(S)比值就会提高，即可以抑制FeS在奥氏体晶界处析出，又也可以降低BN在奥氏体晶界处析出，控制住了形成裂纹的两大危害成分。

对含B钢A36试验6炉，采取提高钢水中[Mn]含量、降低[S]含量，即提高w(Mn)/w(S)比值，[B]含量采取不添加、少量添加和正常添加控制共3次方案进行对比分析，试验成分如表2所示。

表2 化学成分调整方案（质量分数）%

方案1中将[Mn]含量提高到0.20%水平，[S]含量控制在0.010%～0.011%水平，不加[B]，在热轧卷上未出现边部裂纹缺陷，说明现有铸机生产条件下满足铸坯质量要求；方案2中[Mn]和[S]的控制水平按照方案1不变，[B]含量控制0.0009%～0.0020%之间，在热轧卷上出现通卷边部裂纹，而且出现频率较高；方案3中将[Mn]含量控制在0.28%～0.30%之间，[S]含量控制在0.008%以下，[B]含量控制在0.0009%～0.0020%之间，热轧卷边部良好无裂纹缺陷。从以上试验方案可以看出，[B]对热轧卷边部裂纹缺陷的影响显著，w(Mn)/w(S)比值大，对热轧卷边部缺陷有很好的抑制作用，如图4所示，w(Mn)/w(S)比值逐渐增加，虽然添加了一定量[B]元素，缺陷发生率却明显降低，方案3为最佳调整方案。

图4 三种方案的产品缺陷率

修改冷却水配水

为了防止铸坯角部冷却过大，在矫直段容易进入脆性区导致角部裂纹，主要把结晶器宽侧冷却水由5400 L/min调整为5200 L/min，1区二冷水流量减少10%，窄侧喷淋减少20%，扇形段0段二冷水流量减少10%，进而减少窄侧铸坯温降，并且能够保证铸坯入炉温度在950 ℃以上。

保证设备状态

上线结晶器的过钢量不要超过1.5万t，窄侧铜板缝隙不能超过0.3 mm，渣线部位光滑无龟裂现象；严格控制段子漏水，特别在边角部成股流下造成角部过冷，同时关闭旋转除鳞设备。

[N]的控制

采用改型的长水口，配合改型石棉碗和石棉垫圈，并保证氩气压力为300 kPa和流量为3.8 Nm3，使得长水口和大包下水口接合部位密封良好，防止吸入空气造成增氮，调整后钢水中[N]含量在0.0035%以下，连铸中包增[N]控制在0.0005%以内。

结论

（1）将[Mn]含量控制在0.28%～0.30%之间， [S]含量控制在0.008%以下，[B]含量控制在0.0009%～0.0020%之间，热轧卷边部无裂纹缺陷。

（2）w(Mn)/w(S)比值越大，能够抑制FeS、BN在晶界析出聚集，减少铸坯产生角部横裂纹。

（3）做好保护浇注，控制钢水中[N]在0.0035%以下。

（4）优化冷却水制度，提高铸坯角部温度，从而避开脆性区，保证铸坯入炉温度在950 ℃以上。

（5）通过以上的工艺修改，含B钢A36的热轧板卷合格率从原来的65.3%提高到98.5%。

[1] 余宏伟, 王孝东, 梁宝珠. 硼的添加对SS400钢性能和组织的影响.鄂钢科技, 2010, (4): 5

[2] 关春立, 韩立海, 姜英.薄板坯连铸机生产硼微合金化钢板边部缺陷的控制. 钢铁, 2013, 48(3): 30

[3] 王宇平. 薄板坯连铸连轧硼微合金化低碳钢热轧板边裂原因的研究．昆明: 昆明理工大学, 2008

[4] 王嘉盛, 王耀山. 控制锰硫比改善普碳板冷弯性能的研究. 甘肃冶金, 2007, 29(6): 14

[5] 刘新宇, 王新华, 王万军, 等. 低应变速率下锰硫比对低碳钢高温塑性的影响. 北京科技大学学报, 2000, 22(5): 427

[6] 李文英, 陈伟庆, 袁辉, 等. 硼对低碳钢热塑性影响的研究. 金属制品, 2006, 32(2): 38

[7] 郭亚东. 薄板坯连铸连轧流程生产冷轧基料的硼微合金化热力学研究. 沈阳: 东北大学, 2006