中厚板边部裂纹控制

王登惠

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院,河南 郑州 450016)

边部裂纹是中厚板常见的一种表面缺陷,造成钢板边裂的原因较为复杂,炼钢及轧钢工艺均对钢板边裂有重要的影响。据统计,由于成分设计及生产工艺不当造成的钢板边裂发生率甚至能够高达17.6%[1],边裂板通常需要进行切边处理,降低了成材率,严重影响生产效率,增加生产成本;另外有一些用户由于使用需要,对钢板宽度有较严格的要求,不允许对钢板进行切边,钢板边部缺陷就会影响其使用性能。本文通过分析国内外学者有关钢板边部质量影响因素的相关研究,重点对钢水成分、连铸工艺、轧制工艺等造成边部裂纹的各种影响因素进行分析论述,提出相应的预防措施,为减少中厚板边部缺陷,保证中厚板表面质量,提供重要的理论及实践基础。

1 钢水成分的影响

低合金中厚板所采用的钢水中主要含有C、S、P、N元素以及Al、Nb、V、Ti等合金元素。这些化学元素对钢板边部的质量影响主要表现为连铸坯高温力学性能的变化,钢的热塑性降低,易导致铸坯角横裂等边部缺陷发生。

1.1 碳含量

当钢中碳含量在0.08-0.16wt.%时,钢液的凝固处于包晶区,发生包晶相变,同时伴随有0.38%的体积收缩,此时会导致坯壳与结晶器铜板脱离形成气隙,气隙的导热效果差,导出热流降低,坯壳变薄,在表面形成凹陷。凹陷处冷却和凝固速度比其它部位慢,另外具有包晶点成分的钢奥氏体单相化温度最高,具有较大的初生γ晶粒,这两方面因素使奥氏体晶粒粗化,对裂纹敏感性强,并且在热应力和钢水静压力作用下,在凹陷薄弱处造成应力集中,导致钢的脆性增加,易产生纵裂或角部横裂纹[2-3]。

1.2 硫含量

S在钢中一般属于有害元素,随钢中硫含量的增加,低温脆性区的脆性谷宽度加大,谷底变深,钢的高温延塑性变差[4-8],这是由于硫在晶界的偏析及(Mn, Fe) S在奥氏体晶界析出,硫偏析降低比表面能,(Mn,Fe)S析出物与基体的结合力因硫的偏析而下降,促进晶界滑移。晶界的应力集中使得(Mn,Fe)S与晶界间形成孔隙,导致更大的应力集中,扩展成为晶界裂纹。另外,晶界微孔的形成与长大过程也因硫的偏析而加速,最终导致微裂纹的形成[9]。

1.3 Al、N 含量

钢中氮含量对钢的高温塑性有明显的影响,随着钢中氮含量的提高钢高温塑性转变温度也相应提高,脆性谷向更低值发展,钢的裂纹敏感性提高[10]。

铝是强脱氧剂,铝能细化晶粒,改善薄板深冲性能,但铝对钢的高温热塑性也有不利影响,随着酸溶Al含量增加,钢的高温塑性转变温度升高,脆性谷R.A值降低,钢的高温裂纹敏感性增加。

钢在1100℃保温几小时,很难在奥氏体中发现AlN析出物,而在700-800℃时的铁素体中,AlN析出仅需要几分钟。研究发现,AlN在均匀奥氏体中的开始析出温度在1061℃左右,但由于AlN在奥氏体中的析出动力学较缓慢,随温度降低造成的Al和N在钢中的过饱和会造成AlN在低温爆发式形核[11]。AlN的最快析出温度为815℃,随着温度的降低,析出物的形核速率增加,第二相粒子细化,对钢的塑性影响更加显著。目前低碳钢中铝、氮含量一般的控制要求为:ωAls=0.02-0.04wt.%,ω[N]<40×10-6。

1.4 铌、钒、钛等合金元素

铌、钒、钛等合金元素对板坯角横裂存在较大的影响,这些元素通常以碳氮化物的形式析出,微合金钢塑性较差与钢中的细小析出物有关,高温下,当奥氏体晶界滑移时,细小析出物钉扎晶界,造成微孔洞的形成从而促使裂纹的扩展[3]。

当钢中加入0.02-0.05%的Nb,在冷却过程中Nb以Nb(CN),NbC,NbN等形式析出,这些析出物在提高钢强度的同时也同时会严重恶化钢的热塑性,使脆性谷加宽,RA值降低。

V对钢热塑性的影响与Nb类似,但当钢中氮含量小于0.005%时,钒对横裂纹的影响较小,当氮含量达到0.008-0.012%时,钒对横裂的敏感性提高。文献[12]研究认为随着[V]、[N]含量的提高,钢的高温延塑性逐渐降低,即[V]×[N]增大则脆性谷宽度增加,RA值下降。当[V]×[N]大于1.2×10-8时,其对钢坯角横裂的影响超过含铌钢([Nb]=0.028%)。

因此,为了提高中厚板的边部质量,应使用优质铁水以及含残余元素量较低的废钢,将钢中S、P等有害元素控制在一个较低的范围内。同时,控制钢水成分,特别是微量元素在连铸过程中的析出。并且改善钢水可浇性,减少N元素含量,控制其与Al、Nb、V等元素形成的第二相粒子尺寸及分布,从而提高钢的高温塑性,减少边部缺陷的发生。

2 连铸工艺的影响

连铸方面,由于浇注温度、结晶器液面波动、连铸保护渣以及二冷制度等工艺参数控制不当均可能引起板坯边缘出现角横裂、皮下气泡、夹渣以及微裂纹等铸坯缺陷,导致在随后的轧制过程中板材出现对应的边部缺陷。

2.1 保护渣

保护渣对板坯边部表面质量的影响,主要取决于弯月面的保温能力、保护渣膜的传热能力和润滑性能。当采用结晶温度低、玻璃化特性好的保护渣渣膜,能够减小拉坯过程中铸坯受到的摩擦阻力;凝固冷却强度过高易导致坯壳传热不均匀而诱发裂纹缺陷,此时采用结晶温度高的渣膜,可降低坯壳向结晶器壁传热的热流密度,减少因坯壳厚度不均导致的缺陷,但这种结晶温度高的保护渣渣膜对坯壳的摩擦阻力大,较大的摩擦力也可能导致边部裂纹的产生和扩展。如何协调铸坯传热与润滑的矛盾,是多年来国内外连铸保护渣研究的重点。

2.2 过热度

钢水在结晶器内凝固过程中释放的热量主要包括:钢水过热、凝固潜热以及坯壳显热三部分。根据冶炼的钢种不同,应合理的选择浇注温度,如浇铸温度高则钢水过热大,导致钢水凝固推迟、坯壳厚度减薄、坯壳平均温度升高等问题。在应力不变的情况下,由于坯壳温度向钢的第Ⅰ脆性区移动,则板坯表面裂纹倾向增加。另外,如果浇注温度偏高,过热度增大,容易造成结晶器液面波动和拉速变化,难以达到稳态浇注,使铸坯表面微裂纹及皮下气泡的发生率提高[13]。

2.3 拉速

连铸机拉速的高低直接影响坯壳的传热量。通常拉速过低时,浸入式水口流出的钢水向上分流减弱,导致保护渣也会因温度较低而熔化不良,同时初生坯壳厚且不均匀,振痕较深,并且铸坯在二冷区受到的冷却越强,易出现表面裂纹;如果拉速过高,在一定的过热度水平下,结晶器钢水凝固推迟,坯壳减薄、坯壳表面平均温度升高,在应力不变的情况下,由于坯壳整体温度向钢的第Ⅰ脆性区移动,导致铸坯容易出现高温裂纹[14]。

2.4 二冷强度及矫直温度

第Ⅲ脆性温度区的低热塑性现象主要是在小于10-2/s的低应变速率下出现,与连铸中弯曲矫直过程应变速率相近。一般第Ⅲ脆性区可分为奥氏体单相区的脆化和γ+α两相区的脆化两部分。

在奥氏体单相区时,微合金元素对热塑性的影响最为严重。所以裂纹开始形成和发展的主要原因是氮化物和碳氮化物在奥氏体晶界和表面凹陷处的析出[15]。由于铸坯在矫直过程中内弧受附加的拉应力,外弧受压应力,因此多数的角部横裂纹出现在板坯的内弧面上。另外含Nb钢共析转变推迟,第三脆性温度区向低温区域延伸[16],如果二冷强度过大导致板坯温过低,铸坯中的碳氮化物在奥氏体晶界析出,使板坯塑性降低,易产生沿晶界分布的裂纹。为防止AlN等碳氮化物的析出,连铸坯应在高温奥氏体区进行矫直。

当铸坯角部温度在γ+α两相区时,沿奥氏体晶界形成的先共析铁素体是引起塑性下降的另外一个重要原因。当铸坯温度下降至Ar3温度以下时,沿奥氏体晶界会析出先共析铁素体,若冷却强度不大,先共析铁素体有足够的时间形成沿奥氏体晶界的膜状先共析铁素体,厚度约 10-30μm,层片状铁素体膜在高温下阻隔了奥氏体基体的连续性。另外,由于铁素体强度只有奥氏体的25%左右,沿奥氏体晶界产生的膜状铁素体容易产生应变集中[17-20]。当应变超过晶界上铁素体所能承受的极限时,首先在铁素体中生成小的空洞,随着应变的继续存在,空洞聚合长大,引起晶界滑移,从而产生沿晶界扩展的横裂纹。因此在连铸过程中,需要严格控制二冷段冷却水的冷却强度,减少铸坯角部晶界的先共析铁素体膜,从而消除或减少边部质量缺陷的关键因素。

3 轧制工艺对边部质量的影响

轧制过程中,轧件边部温度过低或张力设定过大;轧辊调整或辊型与板型配合不好使钢板边部延伸不平均;立辊侧压量不合理或精轧、卷取的侧导板开口小以及冷却水或除鳞水使用不当等因素也可能导致边裂等缺陷的产生。另外,由于连铸坯上出现的裂纹,在后续的轧制过程中可能进一步扩展并且遗传给轧制产品,但在合理的轧制条件下,连铸板坯上的表面裂纹也可能逐渐闭合,甚至在热轧塑性变形条件下得到完全消失。

轧制过程中,中厚板材边部的不均匀变形以及边部冷却速度过快出现的过冷组织是造成边部裂纹的主要影响因素。

文献[21]研究认为:通过减小横轧展宽量,提高板坯加热均匀性(减少出炉板坯上下面温差),保证道次压下量,优化配辊等方式,可以有效的减小轧件边部的不均匀变形,从而降低中厚板边裂的发生率。

渝海良等[22]通过对轧制过程中轧件裂纹和夹杂物演变行为研究发现:在轧制变形区的后滑区入口处轧件表面受压应力,此时能够促使裂纹闭合;而在前滑区出口出现拉应力,又促使裂纹扩展。当压下量较大、裂纹表面氧化污染很轻且裂纹较浅时,表面裂纹可能发生愈合。并且,当总压下率一定时,压下道次数量减少,即道次压下量增加,裂纹愈合程度提高。

文献[23]认为板坯的角部在轧制过程中始终处于低温和高应力应变状态,平轧道次中轧件发生宽展和翻平,窄面金属受到较大的拉应力作用,最终流动到轧件上表面,越靠近轧件上表面的金属越容易发生翻平现象,同时强烈的拉应力状态有可能诱发各种缺陷的产生;而使用立轧轧制,保持角部金属处于压应力状态,避免了角部金属在轧制过程中处于不利的拉应力状态从而减少边部缺陷的发生率,改善和提高了带钢的边部质量。

葛新建等[24]研究认为,连铸坯在加热炉内加热后经出炉除鳞,边部温降最大,钢中氮化物在坯料边部晶界处析出,导致坯料边部塑性降低。另外板坯两端在粗轧机间轧制时处于失张状态,板坯两端失张导致两端的金属沿轧制方向流动的趋势减弱,而沿宽度方向流动的趋势增强,如果粗轧立辊侧压量不足,则对坯料边部质量的改善有限,特别是坯料头部和尾部,容易产生边裂缺陷。

虽然采用立辊轧制,并保证一定的侧压量能够减少边部缺陷的发生率,改善和提高了钢板的边部质量。但如果道次侧压量过大也会对边部质量产生不利的影响。宋耀华等[33]研究发现:钢坯采用立辊轧制时,如果侧压量为35mm,其边裂发生率是未采用立辊轧制的边裂发生率的一倍以上。认为通过控制和增加立轧道次,减少道次侧压量(侧压量≤30mm),降低侧边隆起量,并在精轧阶段减少裂纹敏感钢在脆性温度区的道次压下量才能够减少边裂的发生率。

4 预防措施

造成中厚板边部缺陷的原因较为复杂,钢的化学成分及炼钢、轧钢工艺均对其有着重要的影响,为了提高中厚板的边部质量,应采取以下措施:

1.精选原材料,使用优质铁水以及含残余元素量较低的废钢,尽可能减少钢中S、P等有害元素含量。

2.控制钢水成分特别是微量元素在连铸过程中的析出。钢水中碳含量应尽量避开包晶区;控制Mn/S>40;保持Ca/Al>0.10,改善钢水可浇性;控制N元素含量<0.004wt.%,减轻其与Al、Nb、V等元素形成的第二相粒状在奥氏体晶界的析出,从而提高钢的高温塑性。

3.根据不同钢种,选用成分适当的保护渣,适度提高保护渣的结晶温度、降低粘度,使其保温性能、传热性能和润滑性能更符合对应板坯的浇注要求。

4.控制钢水过热度、选择合适的振动曲线,控制结晶器液面波动,稳定拉速,从而减小振痕深度,并避免钢水卷渣;掌握不同钢种对应的结晶器倒锥度、热流比和拉速对其边部裂纹的敏感程度;在不漏钢的前提下,合理控制二冷段角部冷却方式,避免脆性区矫直或提高铸坯角部热塑性。

5.适当减少粗轧除鳞和轧辊冷却水量,提高板坯边角部温度,优化轧制压下制度。增加轧制时的道次压下量,将粗轧立辊道次侧压量控制在10-30mm之间,降低轧制过程中的不均匀变形程度,从而提高轧件的边部质量。

5 结语

对于中厚板,边部缺陷是影响其表面质量的一个关键因素。本文通过分析国内外学者有关钢板边部质量影响因素的相关研究,明确了造成中厚板边部缺陷的各种因素,但造成钢板边部缺陷的原因较为复杂,炼钢及轧钢工艺均对其有重要的影响。如何根据具体的边部缺陷形貌,找到相应造成缺陷的各种主要影响因素,并通过一种或几种切实可行的改善方法,在不影响钢板其它方面性能的条件下,减少或杜绝边部缺陷的再次发生,应成为今后相关研究的主要方向。

[1] 陈伟, 苏鹤州. 热轧板卷边裂成因浅析及控制[J]. 钢铁钒钛. 2008, 29(2): 67-72.

[2] 袁伟霞. 连铸板卷边裂纹综述[J]. 炼钢, 1997, (5): 47-50.

[3] 朱志远. 耐候钢连铸板坯纵裂机理及控制方法研究[D].北京科技大学学报, 2002.

[4] 王传雅, 徐凡娴, 戚正风耐侯钢的现状与展望[J]. 热加工工艺, 1992 (5) : 45-48.

[5] 鲁赤. 耐侯钢的设计与综合性能研究[J]. 钢铁,1993, 28(2):45-49.

[6] 鲁赤. 耐侯钢的设计与其性能研究[J]. 辽宁冶金,1992(3):40-45.

[7] 张文奇等. 金属腐蚀手册[M]. 上海, 上海科学技术出版社,1984, 8: 272-273.

[8] 侯文泰, 梁彩凤.经济耐侯钢[J]. 钢铁研究学报,1994,6 (2):40-46.

[9] 王传雅, 戚正风.耐侯钢的化学成分和性能[J]. 特殊钢,1997, 18(1):13-19.

[10] 孙彦辉, 赵长亮, 蔡开科等. CSP板卷边部裂纹影响因素分析[J]. 钢铁研究学报, 2007, (19) 4: 39-43.

[11] Mohamed S, Claude E. Contribution of advanced microscopy techniques to nano-precipitates characterization: case of AlN precipitation in low-carbon steel [J]. Acta Mater, 2003, 51:943.

[12] Mintz B, Abushosha R. Influence of Vanadium on Hot Ductility of Steel [J]. Iron and Steelmaking, 1993, 20(6): 445-452.

[13] A Yamauchi, S Itoyama, Y Kishimoto, et al. Cooling Behavior and Slab Surface Quality in Continuous Casting with Alloy 718 Mold [J]. ISIJ International, 2002, 42(10): 1094-1102.

[14] 魏立国, 朱岩, 徐国栋. 宝钢厚板边裂成因分析和改善[J]. 宝钢技术. 2006, (6): 47-50.

[15] E. T. Turkdogan. Causes and Effects of Nitide and Carbonitride Precipitation During Continuous Casting [J]. ISS Transactions, 1990, 11: 39-48.

[16] 李镇, 姜振生, 郭放等. 连铸板坯角部横向裂纹产生的原因及预防措施[J].鞍钢技术, 2001, (5): 30—32.

[17] 余圣甫, 雷毅, 谢明立等. 晶内铁素体的形核机理[J].钢铁研究学报, 2005, 17(1): 49-52.

[18] H.Mabuchi, R.Uemori, M.Fujioka. The role of Mn depletion in intragranular ferrite transformation in the heat affected zone of welded joints with large heat input in structural steels [J]. ISIJ International. 1996, 36(11):1406-1412.

[19] J.M.Gregg, K.D.H.Bhadeshiah. Solid-state nucleation of acicular ferrite on minerals added to molten steel [J]. Acta Materialia.1997, 45(2):739-748.

[20] J.Shim, J.Byun, Y.Cho, et al.Hot deformation and acicular ferrite microstructure in C-Mn steel containing Ti2O3 inclusions [J]. ISIJ International. 2000, 40(8):819-823.

[21] 张华, 倪红卫. 中厚板边裂的形成与控制[J]. 武汉科技大学学报, 2006, 29(3): 217-220.

[22] 渝海良. 轧制过程中轧件裂纹和夹杂物演变行为研究[D]. 博士学位论文, 东北大学, 2008.

[23] 章传国, 韩静涛, 刘靖. 立辊调宽热粗轧过程三维有限元模拟[J]. 塑性工程学报, 2005, 13(1): 74-77.

[24] 葛新建, 王启, 韩文殿. 热轧钢带边裂原因分析[J]. 中国冶金. 2008, 18(3): 53-55.