S355ML鋼板邊部微裂紋的原因分析與控制

孫 乾

（山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 濟(jì)南271104）

1 前 言

萊鋼厚板線堅(jiān)持聚焦高端化、差異化產(chǎn)品，加大高附加值產(chǎn)品的研發(fā)力度，試制耐低溫高強(qiáng)度S355ML鋼板。首次試制鋼板成分、組織性能穩(wěn)定，但經(jīng)翻板檢查，部分鋼板下表面邊部存在細(xì)微裂紋，沿軋制方向非連續(xù)分布，多存在于距鋼板邊部20～50 mm 區(qū)間。為研究其產(chǎn)生原因，取厚度35 mm的S355ML鋼板頭部邊樣對(duì)其進(jìn)行金相分析、掃描電鏡及成分分析。

2 工藝流程及質(zhì)量要求

試制S355ML 鋼板（厚度15～40 mm）化學(xué)成分要求如表1所示。生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→LD 轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→RH 精煉→連鑄→鑄坯緩冷→鑄坯清理→加熱→軋制→ACC冷卻→冷床冷卻（鋼板緩冷）→探傷→熱處理→取樣、檢驗(yàn)→入庫。

表1 試制S355ML鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

S355ML 鋼板表面要求必須進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，符合EN10163 相關(guān)部分要求，接受等級(jí)為：Class A，sub-class 3。即：不連續(xù)缺陷的影響面積和修磨部分的剩余厚度可以小于相應(yīng)偏差標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小厚度；且對(duì)深度不超過表2規(guī)定值不連續(xù)缺陷，認(rèn)為是生產(chǎn)過程中必然產(chǎn)生的，無論數(shù)量多少都允許存在。對(duì)具有一般深度和銳度并影響產(chǎn)品使用的裂紋、結(jié)疤和拉裂等不連續(xù)缺陷不考慮其深度與數(shù)量均應(yīng)進(jìn)行修理。常見的不連續(xù)缺陷包括：軋入氧化鐵皮、凹坑壓痕、軋痕、劃傷、溝槽等表面機(jī)械損傷，以及氣泡、裂紋、裂縫沿軋制方向延伸的非金屬夾雜、不規(guī)則和鱗片狀的細(xì)小重皮、毛刺、結(jié)疤顆粒。

表2 缺陷的最大允許深度

試制鋼板表面邊部微裂紋不連續(xù)，深度均＜0.4 mm，且不存在氣泡、結(jié)疤、拉裂、夾雜和壓入氧化皮等尖銳缺陷，試制鋼板可通過修磨達(dá)到交付要求。但萊鋼保持對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量精益求精，盡可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高品質(zhì)交付，對(duì)試制板裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

3 檢驗(yàn)分析

3.1 取樣檢驗(yàn)

軋制后的S355ML鋼板沿軋制方向兩側(cè)出現(xiàn)不連續(xù)、不規(guī)則細(xì)密裂紋，肉眼觀察裂紋深度均在1 mm以下，下表面較嚴(yán)重。選取3塊缺陷板，成分滿足S355ML 鋼板要求，如表3 所示；沿鋼板頭部取樣，尺寸為10 mm×5.5 mm×35 mm，如圖1所示。

表3 試制S355ML鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 鋼板缺陷部位取樣示意圖

3.2 裂紋金相觀察與分析

對(duì)試樣表面清洗，經(jīng)切割、修磨、拋光，試樣采用4% 的硝酸酒精侵蝕，在金相顯微鏡下觀察邊裂100倍、500倍形貌組織，如圖2所示；鋼板近表面處顯微金相組織，如圖3所示。

圖2 鋼板裂紋形貌

圖3 鋼板近表面處顯微金相組織

由圖2 可見，鋼樣下表面不平整，表面邊部裂紋細(xì)小繁雜，裂紋近表面深度約在40～80 μm，腐蝕裂紋500 倍圖下可見裂紋周邊存在眾多細(xì)小顆粒。由圖3可知，裂紋周圍近表面組織為珠光體和鐵素體，100 倍下晶粒度為10 級(jí)，未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜及偏析。

3.3 裂紋掃描電鏡及能譜分析

SEM掃描顯微鏡下觀察邊裂2 000倍形貌組織及EDS能譜如圖4所示。

圖4 鋼板細(xì)紋處SEM掃描電鏡顯微組織及EDS能譜分析

由圖4 可見，試樣邊部存在一定脫碳層，且析出Si-Mn 氧化物顆粒，裂紋附近富集更多；裂紋分岔末端較鈍，裂紋開口處及裂紋兩側(cè)晶粒大小不均勻，存在晶粒長大現(xiàn)象；缺陷處及其附近存在氧化點(diǎn)，裂紋部位氧含量較高，主要含F(xiàn)e、O、C、Mn、Si、Ca等元素，表明裂紋內(nèi)部基體被氧化，形成氧化鐵皮包裹填充。

4 細(xì)紋形成原因分析及改進(jìn)

4.1 細(xì)紋形成原因分析

4.1.1 鋼板邊部細(xì)紋來源可能性分析

一般來講，形成脫碳現(xiàn)象要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：鋼板表面脫碳需要較高溫度（＞700 ℃）；需要保溫一定時(shí)間，使碳原子獲得充分動(dòng)能，完成擴(kuò)散，與氧反應(yīng)生成CO、CO2氣體，形成裂紋周邊脫碳。

鋼板裂紋內(nèi)出現(xiàn)氧化，且縫隙周圍存在脫碳及點(diǎn)狀氧化物，存在兩種原因：1）鋼板折疊，為追求軋鋼高效率，壓下量偏大，形成耳子，進(jìn)入下一道軋制時(shí)將造成折疊；或者原始鑄坯未清理精整，坯上帶著瘤子、氧化鐵皮等異物，軋鋼導(dǎo)致異物與鋼板母體表面局部形成相互折合的雙層金屬，呈舌狀、連續(xù)山峰狀、條狀等形態(tài)。折疊鋼板極易出現(xiàn)邊部開裂，嚴(yán)重時(shí)將影響母材強(qiáng)度。2）鑄坯存在原始裂紋，并在加熱爐加熱過程中氧化、脫碳，由于加熱保溫時(shí)間較長，極易導(dǎo)致裂紋處元素析出及晶粒長大。

試制期間，對(duì)原始鑄坯進(jìn)行精整處理，坯上未存在瘤子等明顯異物，且試制軋鋼工藝執(zhí)行較好，裂紋處出現(xiàn)脫碳、元素析出及晶粒長大，由此可推斷試驗(yàn)用鋼板表面微裂紋可能來源于鋼坯。

此外，EDS 能譜分析可知，試樣鋼板裂紋內(nèi)存在Si、Mn等強(qiáng)氧化元素的氧化物顆粒，形成該類點(diǎn)狀氧化物，需要滿足950～1 200 ℃高溫環(huán)境下保溫超過0.5 h，發(fā)生內(nèi)氧化方可。楊義文等研究發(fā)現(xiàn)鋼材中Si含量為0.05%時(shí)，可發(fā)生內(nèi)氧化；0.25%時(shí)內(nèi)氧化極為強(qiáng)烈。S355ML 要求Si 含量為0.20%～0.35%，試樣Si含量分別為0.24%、0.27%、0.28%，采用冷裝入爐，加熱爐均熱段溫度可達(dá)1 190～1 260℃，且均熱時(shí)間＞40 min，完全達(dá)到內(nèi)氧化發(fā)生條件，促使Fe、Si、Mn 被氧化，形成鐵錳硅酸鹽（Fe，Mn）O·SiO2及氧化物顆粒。

綜上所述，試樣鋼板表面微裂紋的脫碳及點(diǎn)狀氧化物并非來自鋼板軋制，而是鑄坯在加熱爐中升溫及保溫過程中反應(yīng)析出的，由此可見，鋼板微裂紋來自連鑄坯。

4.1.2 連鑄坯表面邊角細(xì)裂紋原因分析

試樣板連鑄坯斷面厚度為250 mm，由萊鋼4#板坯連鑄機(jī)拉坯，采用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)包晶鋼保護(hù)渣，拉速控制在1.1～1.3 m/min，勻速平穩(wěn)波動(dòng)較小，保證了拉坯過程中鑄坯受力均勻；同時(shí)，鋼板中成分控制嚴(yán)格，Al、N、B 等易誘發(fā)鋼坯橫裂紋的成分控制較好，EDS 能譜也未發(fā)現(xiàn)N、B 等元素?？烧T發(fā)其連鑄坯邊角裂紋的原因：1）試樣鋼板冶煉在冬季，冷卻水溫度較低，水量相同時(shí)，造成二次冷卻強(qiáng)度較大，且噴嘴處更易結(jié)垢堵塞，導(dǎo)致冷卻不均勻。2）冬季冶煉，鑄坯冷卻速度較快，火焰清理開始時(shí)溫度較低，鑄坯表面溫度急速上升，導(dǎo)致熱應(yīng)力膨脹；火焰清理后鑄坯冷卻待裝過程中形成組織應(yīng)力。同時(shí)，火焰清理時(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，存在局部過熱，且上下表面存在溫差，誘發(fā)鑄坯表面輕微炸裂，形成微裂紋。

4.2 改進(jìn)措施

對(duì)鋼板的生產(chǎn)組織，盡量安排在白天，環(huán)境及冷卻水溫相對(duì)較高；對(duì)二冷水噴嘴堵塞處進(jìn)行疏通，保證冷卻水純凈度；連鑄拉坯時(shí)嚴(yán)格控制拉坯速率，中間包烘烤，包內(nèi)鋼水表面加覆蓋劑保溫，減少鋼水熱損失，保證鋼水溫度補(bǔ)償，過熱度穩(wěn)定在11 ℃附近。結(jié)晶器非正弦有序振動(dòng)，并對(duì)連鑄坯緩冷精整，保證連鑄坯氧化鐵皮及折疊處吹掃清理效果。同時(shí)，S355ML鑄坯采用冷裝爐工藝，鑄坯需入坑、堆垛緩冷，即將切段鑄坯吊運(yùn)下線，集中置于空氣中堆垛冷卻，促使鑄坯中C、Mn等元素?cái)U(kuò)散，達(dá)到減輕偏析的目的；并使鑄坯中過飽和氫有充分時(shí)間溢出，從而提升鋼板內(nèi)部質(zhì)量。緩冷后鑄坯裝爐前保證表面質(zhì)量，強(qiáng)化鑄坯翻坯下表面的火焰清理。依據(jù)角裂、振痕延伸等實(shí)際情況，對(duì)表面兩側(cè)角部沿拉坯方向逐層清理，對(duì)鋼板根據(jù)鑄坯厚度，加大清理寬度至60～120 mm，確保鑄坯入加熱爐前上下表面及邊角處無缺陷。

4.3 改進(jìn)效果

采用有效措施后，S355ML 鑄坯檢查未發(fā)現(xiàn)皮下氣泡及角部橫裂紋，軋鋼后鋼板邊角微裂紋綜合存在率由試制時(shí)的33.33%下降到0.54%，見表4。

表4 工藝改進(jìn)前后S355ML邊角微裂紋統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

5.1 萊鋼試制S355ML鋼板，對(duì)熱軋板邊部微裂紋試樣進(jìn)行金相、SEM、EDS分析，認(rèn)為鋼板微裂紋來自連鑄坯。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；加之對(duì)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，存在局部過熱，誘發(fā)表面輕微炸裂，導(dǎo)致微裂紋形成。

5.2 將鋼板生產(chǎn)安排在白天，保證了冷卻水純凈度及環(huán)境溫度；嚴(yán)控拉坯速率，保證過熱度穩(wěn)定。鑄坯緩冷精整時(shí)保證氧化鐵皮及折疊處吹掃清理效果。保證入坑、堆垛緩冷時(shí)間充分，提升內(nèi)部質(zhì)量。強(qiáng)化鑄坯翻坯下表面的火焰清理，對(duì)表面兩側(cè)角部沿拉坯方向逐層清理，加大清理寬度，確保表面邊角處無缺陷。

5.3 工藝改良后效果明顯，S355ML鋼板邊角微裂紋綜合存在率由試制時(shí)的33.33%下降到0.54%，較好地解決了微裂紋問題，確保了后續(xù)批量生產(chǎn)。