65Mn 薄板坯邊部內(nèi)裂缺陷分析與控制

魏升輝，侯明山，王海龍，高小堯，李 娜，張寶寧，李宏偉

（河鋼集團唐鋼公司，河北 唐山 063011）

65Mn 優(yōu)質(zhì)碳素鋼板含碳量高，具有淬透性好、脫碳傾向少、價格低廉及切削性好等優(yōu)點，用途廣泛。唐鋼FTSR 薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線采用了鑄坯動態(tài)液芯壓下技術(shù)，該技術(shù)具有冷卻速率快、鑄坯等軸晶多、凝固組織和析出物細小、成分偏析小的優(yōu)點[1-2]。但是在FTSR 生產(chǎn)線上開發(fā)1 000～1 250 mm 斷面65Mn 鋼時，發(fā)現(xiàn)帶鋼邊部存在較多的翹皮缺陷，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成了部分熱軋卷的降級和報廢。由于熱軋卷帶鋼翹皮缺陷影響產(chǎn)品的合格率，國內(nèi)外學(xué)者對翹皮缺陷也進行了大量的研究。研究得出，表面帶鋼翹皮缺陷與夾渣物卷入、二次冷卻不均勻、連鑄機支撐輥設(shè)備精度出現(xiàn)偏差、軋制工藝及加熱制度等因素有關(guān)[3-8]。

通過對1 000～1 250 mm 斷面65Mn 熱軋鋼卷邊部翹皮缺陷的成因進行分析，結(jié)合65Mn 鑄坯二冷段凝固特點，確認了導(dǎo)致熱軋卷產(chǎn)生邊部翹皮缺陷的原因，采取相應(yīng)控制措施后，熱軋鋼卷產(chǎn)生翹皮缺陷的數(shù)量大幅降低，滿足了用戶的要求。

1 65Mn 帶鋼邊部翹皮缺陷產(chǎn)生的原因分析

鑄坯表面裂紋、氣泡、結(jié)晶器卷渣、軋制過程的工藝參數(shù)設(shè)定等均會導(dǎo)致熱軋卷帶鋼邊部翹皮缺陷的產(chǎn)生。針對唐鋼生產(chǎn)的1 000～1 250 mm 斷面65Mn熱軋卷帶鋼邊部存在翹皮缺陷，且對應(yīng)位置的鑄坯出現(xiàn)內(nèi)裂缺陷，分別對內(nèi)裂和翹皮缺陷進行研究。

1.1 65Mn 鑄坯內(nèi)裂缺陷

對存在缺陷的1 100 mm 斷面65Mn 鋼的中間坯進行取樣，發(fā)現(xiàn)鑄坯在距離邊部60 mm 位置處有較為明顯的孔洞，如圖1-1、圖1-2 所示；對孔洞邊緣處進行金相組織觀察，得到金相形貌，如圖1-3 所示。從圖1-3 中可以看出，鑄坯缺陷處組織不均勻，有明顯的鐵素體大量集中現(xiàn)象。中間坯表面孔洞的產(chǎn)生可能是由連鑄產(chǎn)生的氣泡、夾渣和內(nèi)裂等因素造成。圖2 為邊部質(zhì)量缺陷較輕的65Mn 中間坯橫截面。從圖中可以看出，65Mn 鑄坯邊部較輕的內(nèi)裂缺陷經(jīng)過后續(xù)工序可能軋合，但是如果內(nèi)裂缺陷比較嚴重的話，經(jīng)過粗軋后會形成如圖1-1 所示的孔洞現(xiàn)象。因此，圖1 所示的孔洞是由于鑄坯內(nèi)裂所導(dǎo)致。

圖1 存在邊部質(zhì)量缺陷的65Mn 中間坯

圖2 65Mn 邊部內(nèi)裂缺陷的中間坯截面

1.2 65Mn 邊部翹皮缺陷

1 000～1 250 mm 斷面65Mn 帶鋼表面邊部位置有翹皮缺陷，且缺陷出現(xiàn)的頻次約為50～60 處/卷，嚴重影響用戶使用。典型的1 100 mm 斷面65Mn 帶鋼邊部翹皮缺陷宏觀形貌如圖3 所示。

圖3 65Mn 板材邊部上缺陷

從圖3 可以看出，65Mn 鋼表面缺陷在經(jīng)過軋制后變?yōu)檠剀堉品较蜓由斓娜毕?，該缺陷距離邊部平均約為60 mm。在金相顯微鏡下對缺陷部位進行觀察，得到缺陷處的金相形貌，如圖4-1 所示。從圖4-1 可以看出，翹皮缺陷處組織與正常組織有明顯差別，缺陷部位組織的脫碳情況嚴重，鐵素體較為集中，其他部位組織為均勻的珠光體。對存在缺陷的帶鋼進行后續(xù)加工，會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，嚴重影響用戶使用。此外，對缺陷部位進行電子探針掃描，掃描結(jié)果如圖4-2 所示，沒有發(fā)現(xiàn)任何雜質(zhì)元素。由此可以得知，邊部翹皮表面缺陷不是由卷渣造成。結(jié)合圖1 所示的鑄坯孔洞位置與帶鋼邊部翹皮缺陷的位置與形貌可以確定，帶鋼邊部翹皮缺陷是由鑄坯內(nèi)裂形成的孔洞在經(jīng)過后續(xù)軋制所形成。

圖4 65Mn 邊部翹皮缺陷

1.3 原因分析

通過對65Mn 鑄坯與帶鋼邊部缺陷進行研究，初步可以認定65Mn 邊部缺陷形成于連鑄工序，主要是由于鑄坯內(nèi)裂引起，與卷渣、氣泡、軋制工藝無關(guān)。連鑄坯內(nèi)部裂紋缺陷的形成與其凝固過程緊密相關(guān)。連鑄坯凝固傳熱是一個分階段的熱量傳遞過程。一次冷卻區(qū)在結(jié)晶器內(nèi)形成足夠厚的坯殼；二次冷卻區(qū)使鑄坯坯殼完全凝固。根據(jù)65Mn 鑄坯高溫塑性熱模擬研究[9-10]結(jié)果可知，65Mn 鑄坯的塑形與其所經(jīng)歷的溫度變化有關(guān)。在連鑄機中，隨著傳熱的進行，溫度逐漸下降，坯殼發(fā)生δ→γ→α 的相變，特別是在二冷區(qū)，坯殼溫度的反復(fù)下降和回升，使得鑄坯組織發(fā)生變化，實質(zhì)上相當于“熱處理”過程。同時由于溶質(zhì)元素的偏析作用，可能發(fā)生硫化物、碳化物質(zhì)點在晶界處沉淀，增加了鋼的高溫脆性，對鑄坯質(zhì)量有重要影響。鑄坯內(nèi)部裂紋主要發(fā)生在二冷區(qū)，與二冷水分布的均勻性密切相關(guān)，因此對二次冷卻的過程進行合理、有效的控制是十分重要的。

二次冷卻的過程優(yōu)化需要考慮表面溫度最大冷卻速率和回溫速率。表面回?zé)嵩阼T坯凝固前沿產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生內(nèi)裂紋；而表面快速冷卻，在鑄坯表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生表面裂紋和擴展已產(chǎn)生的裂紋。因此應(yīng)避免鑄坯從一區(qū)到另一區(qū)時表面溫度發(fā)生過大的回升或大幅度下降，一般要求鑄坯長度方向上的冷卻速率不超過200 ℃/m，溫度回升速率不超過100 ℃/m[11-13]。

FTSR 產(chǎn)線在生產(chǎn)1 000～1 250 mm 斷面65Mn鋼時，二次冷卻區(qū)的冷卻主要依靠中噴與窄噴，連鑄二次冷卻區(qū)水量分布示意圖如圖5 所示。窄噴主要冷卻中心兩側(cè)各450 mm 區(qū)域內(nèi)的鑄坯，中噴主要冷卻距離中心350～665 mm 區(qū)域內(nèi)的鑄坯，中噴與窄噴水量有約100 mm 交叉區(qū)域。1 100 mm 斷面65Mn 鑄坯邊部缺陷的位置與二次冷卻區(qū)的中噴和窄噴水量交叉處位置對應(yīng)。由此可知65Mn 鑄坯邊部內(nèi)裂是由鑄坯表面回?zé)岙a(chǎn)生的拉應(yīng)力和中噴水及窄噴水交叉處強冷產(chǎn)生的拉應(yīng)力的合力所致，因此對65Mn 帶鋼邊部裂紋敏感區(qū)域采取相應(yīng)的弱冷。

圖5 連鑄二次冷卻區(qū)水量分布示意

2 缺陷改善措施及效果

對65Mn 邊部缺陷原因進行分析可知，通過改變和調(diào)整65Mn 二次冷卻區(qū)水量，改善了鑄坯邊部質(zhì)量。先降低窄噴水量，隨后增加中噴水量，即減少二次冷卻區(qū)的邊部中噴和窄噴交叉處水量，降低中噴與窄噴交叉位置處的冷卻速率，同時使中噴和窄噴水量交叉區(qū)域遠離邊部區(qū)域，達到鑄坯橫向溫度的均勻分布，從而保證鑄坯高溫塑性，并減少鑄坯內(nèi)部凝固和回溫產(chǎn)生的應(yīng)力。

在生產(chǎn)實際過程中，二冷水調(diào)整過程及水量調(diào)整后對應(yīng)中間坯缺陷數(shù)目的統(tǒng)計結(jié)果如下頁表1 所示，繪制得到對應(yīng)關(guān)系如下頁圖6 所示。

結(jié)合表1 和圖6 可以看出，通過減少20%的窄噴水量，中間坯邊部缺陷數(shù)目有所降低，在保證鑄坯凝固的前提下，隨后再減少10%的窄噴水量，中間坯邊部缺陷數(shù)目沒有明顯降低趨勢，在中噴水量增加10%后，中間坯邊部缺陷數(shù)目明顯降低，由最初的50處減少到3 處，并且在中間坯處缺陷已較輕，軋制后能夠軋合，在板卷未見缺陷，有效控制了由鑄坯內(nèi)裂引起的翹皮缺陷。

圖6 二冷水調(diào)整過程與中間坯缺陷數(shù)目關(guān)系

表1 二次冷卻區(qū)水量調(diào)節(jié)與缺陷數(shù)目對應(yīng)關(guān)系

圖7 為調(diào)整二冷水量后的鑄坯低倍形貌，從圖7 可以看出，鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量得到明顯改善，解決了熱軋帶鋼邊部翹皮缺陷。

圖7 鑄坯低倍照片

3 結(jié)論

1）通過對1 000～1 250 mm 斷面65Mn 鑄坯邊部翹皮缺陷的形貌、數(shù)目和位置等特點進行調(diào)查和研究，確定邊部翹皮產(chǎn)生是由鑄坯內(nèi)裂所致。

2）連鑄區(qū)域二次冷卻區(qū)給水量不當導(dǎo)致了鑄坯橫向溫度分布不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而引起鑄坯內(nèi)裂。

3）通過優(yōu)化二次冷卻區(qū)中噴和窄噴水量，有效解決了65Mn 鋼由于鑄坯內(nèi)裂引起的翹皮缺陷。