熱連軋帶鋼橫裂缺陷的成因和控制策略

梁武三，曾華鋒，粟勁超

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545002)

熱連軋帶鋼的表面質(zhì)量是重要的質(zhì)量指標(biāo)，典型的表面缺陷形貌包括輥印、劃傷、結(jié)疤、氧化鐵皮壓入、橫裂紋等。橫裂紋由于其出現(xiàn)位置不固定、植入帶鋼表面較深、破壞面積大等特點(diǎn)，造成產(chǎn)品無法降級(jí)銷售，只能判廢處理，給企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。柳鋼2032 mm熱連軋線生產(chǎn)的中厚規(guī)格產(chǎn)品上也出現(xiàn)過橫裂紋問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品整體質(zhì)量。本文通過對(duì)缺陷進(jìn)行金相分析，有針對(duì)性地改進(jìn)生產(chǎn)工藝，有效杜絕了帶鋼表面的橫裂現(xiàn)象。

1 橫裂現(xiàn)象及形成機(jī)理

1.1 缺陷宏觀特征與分布規(guī)律

橫裂缺陷因其外觀特征表現(xiàn)為軋件表面上垂直于軋制方向的不規(guī)則裂紋而得名，宏觀上多為彎月牙形，有時(shí)呈M或Z字形，實(shí)物形貌如圖1。從其分布位置看，此類缺陷全部發(fā)生在熱軋帶鋼的上表面，在寬度方向操作側(cè)、中部、傳動(dòng)側(cè)均有出現(xiàn)，而在長(zhǎng)度方向上分布規(guī)律不明顯，多半呈連續(xù)分布，也存在斷續(xù)分布的情況。

圖1 橫裂缺陷宏觀形貌

1.2 缺陷與品種和規(guī)格的關(guān)系

根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，橫裂缺陷在內(nèi)部鋼種牌號(hào)為A36-Cr-2R～4R、Q235-4RS、Q235B-ZG-1RS、Q355-Ti-3R等普碳、低合金系列均有出現(xiàn)，說明缺陷與鋼種無明顯關(guān)聯(lián)性。統(tǒng)計(jì)缺陷發(fā)生概率與成品厚度分布情況如圖2所示，橫裂發(fā)生概率隨著成品厚度的增加而上升。

圖2 橫裂缺陷概率與成品厚度分布情況

1.3 缺陷微觀組織分析及形成機(jī)理

1.3.1缺陷金相檢測(cè)與分析

在成品帶鋼缺陷處分別取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)缺陷部位附近裂紋表層組織存在混晶現(xiàn)象，出現(xiàn)異常長(zhǎng)大鐵素體晶粒(見圖3)；

圖3 缺陷附近混晶組織

(2)觀察缺陷橫截面部位(見圖4)，裂紋上下兩側(cè)組織存在明顯差異，基體側(cè)組織細(xì)小，晶粒度為12.0級(jí)，組織成分為珠光體+鐵素體，而裂紋側(cè)組織成分為多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為10.5級(jí)，遠(yuǎn)離缺陷處部位晶粒度為7.5～8.5級(jí)；

圖4 裂紋兩側(cè)組織分布及晶粒度差異

(3)缺陷部位未發(fā)生明顯脫碳現(xiàn)象(見圖5)，電鏡二次電子像及背散射電子像未檢測(cè)到非金屬夾雜物聚集及高溫氧化圓點(diǎn)(見圖6)。

圖6 電鏡二次電子像及背散射電子像圖片

圖5 缺陷部位未發(fā)生明顯脫碳

從橫裂部位晶粒細(xì)小、混晶組織及鐵素體異常長(zhǎng)大、無明顯的氧化圓點(diǎn)現(xiàn)象來看，可以判斷缺陷發(fā)生在精軋階段[1]。根據(jù)金屬熱塑加工理論，帶鋼在精軋階段表面存在較大溫度差時(shí)，溫度較低部分提前進(jìn)入奧氏體未再結(jié)晶區(qū)甚至兩相區(qū)上限的溫度范圍析出鐵素體，并與周圍正常進(jìn)行回復(fù)再結(jié)晶的奧氏體同時(shí)進(jìn)行軋制，即帶鋼局部發(fā)生γ未再結(jié)晶區(qū)和(γ+α)兩相區(qū)軋制[2]。

由于析出的部分鐵素體相與奧氏體相在塑性、延展性、強(qiáng)度極限等力學(xué)和理化性能上存在差異，這些不均勻的應(yīng)力及應(yīng)變分布超過帶鋼高溫下的強(qiáng)度極限時(shí)，裂紋便在相界形核并拓展，最終沿溫差斷面演變?yōu)楹暧^表面橫裂紋。

1.3.2生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況分析

對(duì)缺陷鋼卷的生產(chǎn)過程跟蹤調(diào)查表明，較厚規(guī)格帶鋼加熱和粗軋溫度略低于薄規(guī)格品種，并且出現(xiàn)橫裂的帶鋼在精軋頭部穿帶過程中，其表面出現(xiàn)明顯塊狀黑印(錄像截圖如圖7)。

圖7 精軋機(jī)架內(nèi)帶鋼塊狀黑印

2 橫裂缺陷控制策略

根據(jù)金相分析和工況返查結(jié)果及橫裂品種的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，決定從優(yōu)化厚規(guī)格品種的溫度制度、壓下制度和現(xiàn)場(chǎng)漏水點(diǎn)的治理等方面入手，解決橫裂問題。

2.1 優(yōu)化帶鋼溫度控制制度

由于出現(xiàn)橫裂的品規(guī)加熱溫度降低、粗軋除鱗道次設(shè)定不當(dāng)導(dǎo)致粗軋出口溫度下降等問題，直接降低了后續(xù)精軋過程的變形溫度，工況數(shù)據(jù)見表1。

表1 出現(xiàn)缺陷部分品規(guī)溫度控制情況

為解決終軋溫度偏低的問題，通過修正加熱溫度，板坯出爐溫度在原基礎(chǔ)上提高20 ℃，同時(shí)在滿足帶鋼表面質(zhì)量的情況下將除鱗道次降低至兩次，最終提高帶鋼精軋入口溫度，擴(kuò)大了終軋溫度窗口，較好地解決了此類品規(guī)終軋溫度偏低的問題。其次當(dāng)精軋-卷取機(jī)組發(fā)生異常工況，導(dǎo)致坯料停擺造成溫度下降時(shí)，通過及時(shí)改薄規(guī)格軋制也可以較好避免橫裂問題[3]。

2.2 壓下制度對(duì)橫裂的影響及控制措施

根據(jù)軋制工藝?yán)碚?，在相同條件下，總壓下率愈大，軋件變形量愈大，產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果可以使得微裂紋的萌生和傳播得到抑制[4]，從而能在斷裂前承受較大的塑性變形，提高了材料的強(qiáng)韌性，因此薄規(guī)格帶鋼發(fā)生橫裂缺陷的概率要遠(yuǎn)低于中厚規(guī)格。由于中厚規(guī)格精軋區(qū)總壓下量較小，承擔(dān)主要大壓下任務(wù)的F1～F3機(jī)架單機(jī)架壓下率最大通常不足18.0%，不利于對(duì)軋件內(nèi)部萌生的微裂紋等缺陷進(jìn)行有效焊合[5]。為提高前段機(jī)架壓下率，通過試驗(yàn)摸索精軋機(jī)組不同壓下率分配對(duì)橫裂缺陷的影響，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)大量試驗(yàn)確認(rèn)：生產(chǎn)中厚規(guī)格時(shí)，F(xiàn)1壓下率大于23.0%、F2壓下率大于30.0%(F1機(jī)架空過)時(shí)，對(duì)缺陷抑制作用最明顯。

在實(shí)際生產(chǎn)中，通過提高成品厚度13 mm以上規(guī)格的中間坯厚度，當(dāng)成品厚度超過15 mm時(shí)須空過F1和F6兩個(gè)機(jī)架，適當(dāng)將精軋機(jī)組的負(fù)荷往前段機(jī)架調(diào)整，保證前段機(jī)架有足夠的壓下率。

2.3 軋線水冷卻系統(tǒng)對(duì)橫裂的影響及控制措施

對(duì)生產(chǎn)線水冷卻系統(tǒng)漏水情況進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線停用的R1粗軋機(jī)工作輥冷卻水(見圖8)、熱卷箱外冷水長(zhǎng)期處于常開狀態(tài)(見圖9)，精軋機(jī)組工作輥上切水板因維護(hù)不到位，存在變形漏水情況(見圖10)，這些漏水點(diǎn)直接造成帶鋼上表面局部過冷，到精軋機(jī)組時(shí)表現(xiàn)為塊狀黑印。

圖8 R1工作輥冷卻水常開

圖9 熱卷箱外冷水漏水

圖10 精軋切水板變形導(dǎo)致封水效果差

通過增加R1工作輥冷卻水與熱卷箱外冷水氣動(dòng)閥，將控制邏輯設(shè)計(jì)為有鋼過程終止冷卻，改善了中間坯上表面黑印問題；同時(shí)改造精軋切水板封水結(jié)構(gòu)，利用壓緊彈簧裝置自行調(diào)整與工作輥之間貼面的貼合力(見圖11)，使其能夠適應(yīng)工作輥更換和軋輥磨損造成的輥徑變化，避免工作輥冷卻水直接噴淋至帶鋼上表面，最大程度保證帶鋼溫度均勻性。

(a)改造前 (b)改造后圖11 改造前后的切水板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)語

通過采取以上措施，柳鋼2032 mm熱連軋線13～15 mm、15 mm以上規(guī)格橫裂概率分別由3.51%和5.23降低至0.01%和0.02%，而且橫裂形貌較輕微，攻關(guān)效果明顯，本文的研究結(jié)論如下：

(1)缺陷的微觀組織分析表明，缺陷產(chǎn)生在精軋階段，由于帶鋼局部溫度降至(γ+α)兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)致產(chǎn)生相變，析出部分鐵素體，其塑性、延伸率等力學(xué)理化性能與周圍正常的奧氏體組織存在差異，在高溫軋制時(shí)產(chǎn)生的不均勻應(yīng)力和應(yīng)變分布超過材料的強(qiáng)度極限，微裂紋就在相界處產(chǎn)生，經(jīng)后機(jī)架進(jìn)一步壓延，最終微裂紋垂直于軋制方向傳播形成宏觀的橫裂現(xiàn)象。

(2)適當(dāng)提高出爐溫度，靈活調(diào)整粗軋除鱗道次，可較好解決終軋溫度偏低問題。在軋制中厚規(guī)格過程中，在主電機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)，盡可能增加前段機(jī)架的壓下率；當(dāng)軋線發(fā)生異常工況，中間坯溫降過大時(shí)，改軋薄規(guī)格，保證前段機(jī)架壓下率大于23%，可較好的抑制橫裂發(fā)生。

(3)在軋制過程中，當(dāng)帶鋼整體溫度在Ar3線附近時(shí)，粗軋軋輥冷卻水、熱卷箱外冷水、精軋工作輥冷卻水等軋線水冷卻系統(tǒng)易漏水導(dǎo)致帶鋼局部過冷，這些局部過冷點(diǎn)在軋制后易產(chǎn)生橫裂現(xiàn)象，通過排查治理漏水點(diǎn)，橫裂現(xiàn)象得到有效控制。