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热轧微合金钢板表面裂纹分析

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：谢旭梦1 陈福安2 管志超3

[导读] 摘要：连铸坯热送热装工艺既节能降耗，又可提高生产效率，在许多热连轧厂得到广泛的应用。

        （1、3浙江省特种设备检验科学研究院浙江杭州 310000；
        2 浙江赛福特特种设备检测有限公司浙江杭州 310000）
        摘要：连铸坯热送热装工艺既节能降耗，又可提高生产效率，在许多热连轧厂得到广泛的应用。与传统的冷装工艺相比，热送热装工艺在钢坯的凝固特征、微合金元素的固溶和析出等方面存在明显的差异。本文针对国内某厂采用热送热装工艺生产微合金钢出现较多表面裂纹情况，进行了相关分析研究，确定表面裂纹形成的主要原因。
        关键词：表面裂纹；疲劳扩展实验
        1热轧微合金钢板生产情况
        生产热轧板的主要工艺路线为顶底复吹转炉→RH精炼→LF炉精炼→板坯连铸机→加热炉→中厚板轧机，试验钢种为A32，生产断面为2300mm×220mm，化学成分见表1。热送热装工艺进入加热炉前温度是700～800℃，冷装工艺是将铸坯冷却至
                                表1试验钢种化学成分（质量分数）

        室温后再送到加热炉加热，加热炉温度约1200℃，加热时间3.5～4ｈ，粗轧开轧温度在1100℃左右，精轧开轧温度约940℃，终轧温度约800℃，轧后水冷至700℃。
        2热装热轧板表面裂纹特征
        微合金钢热轧板表面裂纹从形貌上分类大致可以分为两类：一类是热轧板的“大”裂纹，尺寸在30mm以上，裂纹较深，面积较大，裂纹宏观照片和金相照片如图1（A）、（C）所示，由图1中可以看出热轧板基体为铁素体和珠光体，但裂纹周围铁素体含量明显高于基体中的铁素体含量，在裂纹的周围出现了明显的脱碳层，脱碳层在200μm以上，说明表面裂纹在铸坯加热前已经形成。另一类是热轧板的细小裂纹（发纹），裂纹很浅、很细，不连续分布，裂纹长度一般在10～30mm，开口宽度为0.3～2.0mm，深度0.1～1.0mm，“发”裂纹在热轧板表面大量分布，无明显方向性，如图1（b）所示。热轧板“发”纹的边缘珠光体粗化，脱碳层较薄，为3～5μm，铁素体含量也没有明显的增加，这种裂纹很难判断是否因连铸坯产生的裂纹而带到热轧板中，还是因为析出物造成晶界强度降低，在后续的轧制过程造成热轧板开裂形成。

         图1热轧板表面裂纹宏观形貌和金相照片
        3热装热轧板表面裂纹扫描电镜与能谱分析
        对热轧板裂纹的缺陷部位进行取样，用线切割切取裂纹处10mm×10mm×10mm试样，试样经过打磨、抛光，用扫描电镜观察和能谱分析，观察裂纹附近的组织和形貌。试样1是取自热装热轧板上“大”裂纹，采用体积比为1∶1的盐酸溶液对试样进行浸蚀处理，浸蚀温度为65～80℃，浸蚀时间为15min，表面裂纹形貌经能谱分析发现，裂纹处含有大量氧化铁，无保护渣成分，其中位置2和3上Cu明显，位置2还有As的富集。
        热轧板裂纹表面抛光后用4%的硝酸酒精浸蚀5min，用扫描电镜和能谱分析，图2为热轧板表面扫描电镜形貌，图2（A）可清楚看出基体晶粒大小，晶粒平均直径在20μm左右。热轧板晶界处位置1的能谱成分分析结果（质量分数）为Fe99.08%、Cu0.55%、As0.37%。图2（b）可看出裂纹处的晶粒形貌较基体细小，这是由于在热轧板轧制过程中裂纹开裂处较基体变形量大造成的。裂纹处的能谱分析成分为Fe99.13%、Cu0.64%、As0.23%，可看出裂纹处有明显的Cu、As富集，Cu富集程度分别比热装热轧板氧化层表面浸蚀后基体晶界处高16%，是钢中铜含量的14.5倍。铸坯在加热和保温过程中，发生表面氧化，由于铁优先于铜氧化，导致表面铜富集，铜若高于在奥氏体中的溶解度，则可形成液膜。若连铸坯在入炉前出现微裂纹，氧通过裂纹向内扩散，这加剧了铜的析出和晶界弱化。
        分析，裂纹位置1能谱分析为Fe97.23%、Si1.95%、As0.82%，有明显的As富集，浓度达到0.82%。裂纹处由位置1到位置2进行线扫描分析。由线扫描分析来看有一定程度的Cu、As在裂纹附近富集。

        （a）基体组织；      （b）裂纹形貌。
        图2热轧板表面形貌
        3.1裂纹附近元素含量
        使用能谱仪分析检测了裂纹表面及附近元素含量分布，试验结果未检测到Cu、As、Pt等低熔点有害元素的存在。因此发纹的产生并非由于低熔点元素在表面的富集造成。
        3.2组织形貌分析
        无气泡及裂纹处的基体为均匀细小的铁素体＋珠光体组织，属正常热轧组织，说明轧制工艺正常。气泡及裂纹附近的组织表现为珠光体较少，有轻微脱碳现象，无明显高温氧化质点的存在，裂纹处组织存在明显变形，靠近钢板表面一侧的组织表现为晶粒更细小，裂纹末端处的组织，裂纹终止于正常组织。这些现象说明裂纹并非铸坯裂纹，是在轧制过程中产生的。气泡及裂纹附近组织存在轻微脱碳现象，应是在轧制过程中表面气泡破裂后，在后续高温轧制过程中，氧化气氛导致裂纹附近组织存在轻微脱碳现象；有的皮下气泡与表面相通，在后续高温轧制过程中，氧化气氛沿发纹渗透，导致皮下气泡附近组织存在轻微脱碳现象。
        4讨论
        1）气泡裂纹是指连铸坯表面存在的气泡未清理掉，在轧钢工序加热和轧制时气泡破裂变形未能焊合消除，在钢板表面形成的纵向裂纹。而发纹一般是由于表面气泡、皮下气泡、夹杂物在热加工过程中沿变形方向伸长所致。根据炼钢理论及经验，连铸过程中产生气泡的主要原因有3类：脱氧不良、外来气体（空气、保护性气体）、水蒸气。如果精炼过程中添加的合金、造渣料、大包覆盖剂、结晶器保护渣，含有水分，其中绝大部分水会分解成H、O进入钢液中，形成气泡。该批钢板所用铸坯生产于3月份，正值春季雨水天气，天气潮湿，空气湿度非常大，炼钢过程中添加的合金、用于降低钢水温度而添加铁矿石原料、造渣料、大包覆盖剂、保护渣等炼钢和浇铸系统上原料若没有很好的保护措施，极易受潮，人为增加了这些原料的含水量，将极大增加钢水中的气体含量，给后续的脱氧、脱气增大难度，此时极易形成铸坯表面气泡和皮下气泡。
        2）为减少铸坯表面气泡和皮下气泡的形成，地处南方的钢厂应制定严格的炼钢原料管理制度，应有措施保证合金等原料的干燥，特别在雨水潮湿天气应采取烘干措施，严禁将受潮湿含水量高于0.5%的原料投入使用。
        3）应加大对连铸坯表面质量的检查，发现铸坯表面存在表面气泡、针孔、裂纹等缺陷时，应进行清理和评估对后续轧钢工序的影响程度，避免产生更大的损失。
        参考文献：
        [1]王勇.中厚板热装热送过程裂纹形成及改善的研究[D].鞍山:辽宁科技大学,2018:18.
        [2]帅习元.热送直装亚包晶桥板钢表面疤状缺陷原因分析[J].轧钢,2016,23(4):12.
        [3]龚雅林.微合金化钢表面微裂纹的研究[D].北京:北京科技大学,2019:32