天鋼圓鋼熱頂鍛缺陷分析研究

李興才

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

圓鋼熱頂鍛試驗(yàn)是將圓鋼試樣加熱到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫度后，沿試樣軸向方向給予足夠的壓力，將試樣鐓鍛到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鍛壓比。一方面檢驗(yàn)圓鋼承受熱頂鍛后其塑性變形能力；另一方面將圓鋼表面缺陷顯示出來(lái)并根據(jù)其形貌來(lái)判斷圓鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量。一般情況下圓鋼如果熱頂鍛不合格，就不能對(duì)其進(jìn)行壓力加工，只能將其進(jìn)行切削使用；如果圓鋼進(jìn)行熱頂鍛后表面存在嚴(yán)重缺陷，則只能將其判為廢品[1～5]。

本文以天鋼熱軋圓鋼熱頂鍛試驗(yàn)主要缺陷為研究對(duì)象，介紹了圓鋼熱頂鍛缺陷類型及形貌，分析了缺陷產(chǎn)生的原因。重點(diǎn)從煉鋼-連鑄-軋鋼整個(gè)工藝流程研究和梳理了影響圓鋼熱頂鍛缺陷的主要因素，并制定了相應(yīng)的控制措施。

1 圓鋼熱頂鍛缺陷產(chǎn)生原因及檢驗(yàn)方法

1.1 圓鋼熱頂鍛缺陷產(chǎn)生原因

在圓鋼熱頂鍛檢驗(yàn)時(shí)，圓鋼表面缺陷有各種各樣的形貌，通過(guò)對(duì)不同缺陷形貌研究并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，歸納出圓鋼熱頂鍛產(chǎn)生表面缺陷主要有以下三方面原因：

（1）圓鋼本身特性。主要包括：鋼種的化學(xué)成分，鑄坯低倍情況（中心偏析、中心疏松、中心裂紋、中間裂紋、皮下裂紋、皮下氣泡等），鑄坯中夾雜物情況（夾雜物類型、尺寸、所在位置、主要來(lái)源），圓鋼力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、斷后延伸率），鑄坯在軋制過(guò)程中其熱處理工藝（圓鋼顯微組織、晶粒度大小及均勻性）。

（2）圓鋼表面質(zhì)量。主要包括：表面翹皮、結(jié)疤、折疊、裂紋、劃傷、麻點(diǎn)和麻面等。

（3）圓鋼熱頂段過(guò)程中實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件。主要有：圓鋼取樣位置及方式，圓鋼尺寸及對(duì)應(yīng)的頂鍛比、高徑比，圓鋼兩頭的平行度及斷面垂直情況，圓鋼本身平直度，熱頂段變形速率及內(nèi)部應(yīng)力情況。

1.2 圓鋼熱頂鍛缺陷分析步驟

圓鋼熱頂鍛缺陷主要的分析步驟為:

（1）圓鋼主要化學(xué)成分分析，目的是看其是否符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；

（2）圓鋼鑄坯的低倍檢驗(yàn)，目的是分析鑄坯低倍是否存在導(dǎo)致圓鋼熱頂鍛缺陷的因素；

（3）圓鋼缺陷形貌的宏觀分析，包括缺陷在圓鋼表面位置、尺寸、深度等；

（4）圓鋼缺陷形貌的微觀分析，包括缺陷處金相分析、組織分析及缺陷附近和末端掃描電鏡分析等。

2 圓鋼熱頂鍛缺陷的影響因素及控制措施

造成圓鋼熱頂鍛缺陷的因素一般可以分為兩大類：一類為煉鋼工藝問(wèn)題導(dǎo)致連鑄坯質(zhì)量問(wèn)題，例如鑄坯的皮下裂紋、皮下氣泡和外來(lái)夾雜物等；另一類為軋鋼工藝問(wèn)題，例如鑄坯加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、加熱溫度過(guò)高以及軋機(jī)設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致的軋制缺陷等。在生產(chǎn)過(guò)程中如何將圓鋼熱頂鍛缺陷進(jìn)行正確分類、確定其產(chǎn)生的原因及需要采取的控制措施是技術(shù)人員面臨的難題。下面以天鋼圓鋼熱頂鍛主要缺陷為研究對(duì)象，對(duì)煉鋼和軋鋼相關(guān)工藝問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 煉鋼工藝問(wèn)題分析及控制措施

連鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量決定熱軋圓鋼性能優(yōu)劣，常見的鑄坯表面缺陷有角部裂紋、表面縱裂、表面卷渣、針孔、劃傷等，常見的鑄坯內(nèi)部缺陷有皮下裂紋、中間裂紋、縮孔、中心偏析、皮下氣泡等，鑄坯低倍缺陷形貌如圖1 所示。煉鋼工藝影響環(huán)節(jié)主要包括轉(zhuǎn)爐冶煉、LF 精煉、方坯連鑄，這三個(gè)環(huán)節(jié)直接影響鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。通過(guò)對(duì)煉鋼過(guò)程相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和加強(qiáng)生產(chǎn)操作管理，是能夠保證鑄坯質(zhì)量良好的。

圖1 鑄坯低倍缺陷形貌

2.1.1 鑄坯皮下氣泡缺陷及控制措施

目前，專項(xiàng)附加扣除的相關(guān)配套細(xì)則還未出臺(tái)，程麗華透露，或?qū)ｍ?xiàng)附加扣除設(shè)置一定限額或定額標(biāo)準(zhǔn)，但具體如何抵扣還無(wú)從知曉。

圖2 為圓鋼熱頂鍛常見缺陷，該缺陷在熱頂鍛后的圓鋼表面隨機(jī)分布無(wú)明顯規(guī)律可循，缺陷大小也不一致，缺陷兩端呈現(xiàn)橢圓形貌，缺陷表面比較光滑。通過(guò)對(duì)相關(guān)爐號(hào)鑄坯進(jìn)行低倍檢查，發(fā)現(xiàn)低倍樣上存在大量的皮下氣泡。這主要是軋制過(guò)程中，鑄坯的皮下氣泡逐漸從鑄坯內(nèi)部裸露到圓鋼表面，隨著軋制道次增加，氣泡在圓鋼表面拉長(zhǎng)、延伸最后在圓鋼表面上形成斷續(xù)直線狀裂紋缺陷。在軋制過(guò)程中，由于這種缺陷在圓鋼表面會(huì)呈現(xiàn)“假焊合”狀態(tài)，肉眼很難檢驗(yàn)出來(lái)，因此在圓鋼熱頂鍛時(shí)出現(xiàn)開裂。

圖2 皮下氣泡引起的缺陷

鑄坯皮下氣泡產(chǎn)生原因主要是鋼液在凝固過(guò)程中，鋼液中[O]、[H]、[N]和[C]等元素在凝固界面和枝晶間富集并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO、H2、N2，當(dāng)生產(chǎn)氣體的總壓力大于鋼水靜壓力和大氣壓力之和時(shí)，就會(huì)有氣泡形成。如果這些氣泡在鋼液凝固過(guò)程中不能及時(shí)逸出，就會(huì)被鋼液凝固前沿所捕捉形成氣泡缺陷。

針對(duì)鑄坯皮下氣泡缺陷：要加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐冶煉操作，防止出鋼過(guò)程中下渣；將LF 精煉爐軟吹時(shí)間由4 min 延長(zhǎng)至6 min，進(jìn)一步促進(jìn)夾雜物和氣泡上浮，降低鋼水中氧的活度；要保證煉鋼用輔料干燥；連鑄工序要做好保護(hù)澆注，防止鋼液二次氧化。

2.1.2 鑄坯皮下裂紋和中間裂紋

圖3 為圓鋼熱頂鍛一種缺陷，該缺陷在熱頂鍛圓鋼表面多為單一分布，裂紋長(zhǎng)度較短。取裂紋附近試樣進(jìn)行組織觀察，可以看到裂紋周圍沒(méi)有脫碳現(xiàn)象，裂紋呈現(xiàn)撕裂狀，裂紋附件組織為鐵素體+珠光體，該組織與基體組織一致。通過(guò)對(duì)相關(guān)爐號(hào)鑄坯進(jìn)行低倍檢查，發(fā)現(xiàn)低倍樣上存在皮下裂紋和中間裂紋。一般情況下鑄坯在軋制過(guò)程中其皮下裂紋和中間裂紋是能夠被焊合的，但是如果皮下裂紋和中間裂紋在軋制過(guò)程，外界空氣進(jìn)入裂紋內(nèi)部，則會(huì)將裂紋周圍氧化導(dǎo)致其無(wú)法被焊合，隨著鑄坯變形增加，裂紋從鑄坯內(nèi)部逐漸轉(zhuǎn)移到圓鋼表面形成裂紋缺陷。

圖3 鑄坯內(nèi)部裂紋引起的缺陷

鑄坯產(chǎn)生皮下裂紋和中間裂紋一般與鋼水中S、P 含量較高，以及連鑄過(guò)程中二冷區(qū)冷卻不均造成鑄坯反復(fù)回溫生產(chǎn)的熱應(yīng)力有關(guān)聯(lián)。

針對(duì)鑄坯皮下裂紋和中間裂紋：煉鋼和精煉要降低鋼水中S、P 含量；連鑄采用低過(guò)熱度澆注，并定期對(duì)二冷水水質(zhì)進(jìn)行檢查，減少噴嘴堵塞，使鑄坯均勻冷卻。

2.1.3 鑄坯中外來(lái)夾雜物

圖4 也是一種圓鋼熱頂鍛后表面一種常見裂紋缺陷。在裂紋附近處取樣制備成金相試樣進(jìn)行觀察，可以看出裂紋較淺，周圍呈現(xiàn)撕裂狀并且存在明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋末端存在非金屬夾雜物。

圖4 鑄坯夾雜物引起的缺陷

針對(duì)鑄坯內(nèi)部外來(lái)夾雜物：需要加強(qiáng)連鑄操作，防止鋼包下渣和結(jié)晶器卷渣現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 軋制工藝問(wèn)題分析及控制措施

2.2.1 鑄坯過(guò)熱和過(guò)燒

圖5 為圓鋼熱頂鍛后其表面出現(xiàn)波浪皺紋，該皺紋具有連續(xù)性和對(duì)稱性。在圓鋼褶皺處取樣并制備成金相試樣進(jìn)行組織分析，發(fā)現(xiàn)其組織為魏氏組織，而基體組織為鐵素體+珠光體組織，通過(guò)圓鋼中的異常組織可以判斷出鑄坯角部在加熱爐中出現(xiàn)了過(guò)熱和過(guò)燒。對(duì)此，軋鋼工序應(yīng)制定合理加熱制度防止鑄坯出現(xiàn)過(guò)熱和過(guò)燒。

圖5 角部過(guò)燒引起的缺陷

2.2.2 軋制折疊

圖6 為圓鋼熱頂鍛后其表面出現(xiàn)單一型和平行線型裂紋形貌。在裂紋處取樣制備成金相試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)這種缺陷裂紋末端比較圓頓，裂紋周圍出現(xiàn)明顯脫碳和氧化圓點(diǎn)。通過(guò)裂紋附近的特征可以推斷出，鑄坯在軋制過(guò)程某一道次出現(xiàn) “耳子”，并在后續(xù)的軋制過(guò)程中形成折疊，這種折疊一般具有對(duì)稱性和角度旋轉(zhuǎn)特征。對(duì)此，可通過(guò)調(diào)整導(dǎo)衛(wèi)、優(yōu)化孔型和軋制道次的壓下量，避免“耳子”和折疊缺陷的產(chǎn)生。

圖6 軋制折疊引起的缺陷

2.2.3 軋制褶皺

在圓鋼軋制過(guò)程中，如果軋槽使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、出現(xiàn)老化導(dǎo)致軋槽結(jié)瘤，結(jié)瘤會(huì)在圓鋼表面壓出凹凸不平缺陷，這種缺陷在后續(xù)軋制過(guò)程中容易形成長(zhǎng)度較短裂紋，并在隨后圓鋼熱頂鍛過(guò)程中形成具有一定寬度的簇狀裂紋，如圖7 所示。通過(guò)及時(shí)更換軋槽、選用合適孔型和加強(qiáng)鑄坯除鱗可避免此類缺陷。

圖7 軋制褶皺引起的缺陷

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天鋼熱軋圓鋼熱頂鍛試驗(yàn)缺陷分類以及對(duì)缺陷影響因素的分析，確定了各類熱頂鍛缺陷產(chǎn)生的工序和原因，并制定相應(yīng)的控制措施。本文一方面將煉鋼和軋鋼工藝的影響因素進(jìn)行分類梳理，可針對(duì)圓鋼熱頂鍛缺陷形貌能夠迅速找出其缺陷產(chǎn)生工序和原因，以便快速進(jìn)行工藝調(diào)整減少缺陷產(chǎn)生幾率；另一方面可以根據(jù)相應(yīng)的整改措施明確生產(chǎn)過(guò)程中各工序主要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，提高鑄坯和圓鋼產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量，提升天鋼熱軋圓鋼產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。