薄板坯含硼鋼熱軋卷邊部裂紋形成原因與控制

供稿|于海濤 / YU Hai-tao

在中碳鋼中加入一定量的硼（B）合金元素后，能夠明顯提高鋼材的物理、化學和力學性能，對于連鑄坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，可以改善化學成分不均勻、減少柱狀晶區(qū)的形成從而起到細化晶粒的作用[1]。從節(jié)約生產(chǎn)成本考慮，本鋼將常規(guī)寬板坯鑄機生產(chǎn)的含B鋼轉(zhuǎn)向薄板坯連鑄機，并集中生產(chǎn)了用于制作出口管料的含B中碳鋼A36。對于制管鋼料來說，需要螺旋焊縫或直縫焊，邊部的質(zhì)量要求更加嚴格。但是，在生產(chǎn)過程中隨著鋼中加入B元素后，在熱軋板卷邊部產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，主要為邊部縱向裂紋，分析熱軋卷缺陷的形成為鑄坯角部裂紋導致。通過分析熱軋卷產(chǎn)生邊部裂紋的原因并采取了一系列工藝改進措施，控制住了邊部裂紋的形成，提高了熱軋的成材率。

工藝流程

本鋼薄板坯有兩臺達涅利制造的FTSC連鑄機，鑄坯生產(chǎn)出來后進加熱爐升溫后直接軋制，日常鑄坯規(guī)格為900～1520 mm×72 mm，熱軋板卷厚度規(guī)格為1.2～6.0 mm。

制管料A36是在普通中碳鋼中加入少量的B元素，以求達到均勻細化的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，主要成分如表1所示。

表1 A36的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

邊部裂紋形態(tài)

在熱軋卷上看出，裂紋在距邊部10 mm內(nèi)成樹枝狀發(fā)展，特別在軋制厚度在5.0 mm以上的板卷上更加明顯，而且裂紋有深度，如圖1所示。

圖1 熱軋卷邊裂

對應出現(xiàn)熱軋卷邊裂爐次下線鑄坯，發(fā)現(xiàn)在鑄坯的角部及窄側(cè)振痕溝內(nèi)有不明顯的細微裂紋，但經(jīng)人工火焰清理缺陷部位后橫裂紋凸顯出來，如圖2所示。在熱軋立輥定寬擠壓后，角部裂紋開裂，沿軋制方向銜接成連續(xù)樹枝狀裂紋。

圖2 鑄坯的角部橫裂

裂紋的成因

鋼的熱塑性

鑄坯在高溫狀態(tài)下，內(nèi)外部缺陷的形成與凝固時力學的變化有著密切關(guān)系，鑄坯在高溫狀態(tài)下的塑性附和著強度的變化，總體可以分為兩個脆性區(qū)：（1）700～900 ℃的低溫脆性區(qū)，對于很多的鋼來說，會發(fā)生γ→α轉(zhuǎn)變的溫度范圍，只要有先共析α相析出，不可避免的在兩相區(qū)發(fā)生脆化；（2）1300 ℃到固相線溫度范圍內(nèi)的高溫脆性區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)鋼的延展性會降低，是由于晶粒間析出的液相膜而引起的，其中包括硫化物FeS、MnS，P以及其他易偏析的元素，都會促使形成這種低熔點相[2]。

鑄坯在扇形段凝固冷卻過程中，強冷后的鑄坯收縮率達到或超過一定臨界狀態(tài)的時候，極容易產(chǎn)生細小的裂紋，再受機械力影響下，細小裂紋會發(fā)展成粗大裂紋。據(jù)相關(guān)文獻研究，鑄坯溫度在800～950 ℃區(qū)間時，鑄坯的斷面會收縮，出現(xiàn)明顯的凹陷區(qū)，就在900 ℃時，斷面的收縮率達到最低。在鑄坯的邊角部冷卻量會大于鑄坯表面，首先進入脆性區(qū)，加上鑄坯在扇形段內(nèi)走行受到矯直和拉伸的外力作用，容易在角部形成裂紋，因此在受力較大的矯直段避開此溫度。

晶間析出的BN

鋼水中存在一定量的N，B元素和N元素非常容易形成BN化合物，BN的析出會在奧氏體的晶界處分布致密，在拉應力驅(qū)使下晶界間會產(chǎn)生一定的位錯，BN析出物會與晶界之間產(chǎn)生微小的空穴，更多的空穴形核后，隨著應力不斷施加，這些空穴就會變得更大，當長大到一定的范圍時，空穴會沿晶界面上形成銜接，逐漸的發(fā)展成線狀分布而形成晶間的初期裂紋[3]。

Mn/S的抑制作用

在鋼水中[Fe]和[S]很容易形成FeS化合物，而形成后的FeS又較容易與[Fe]形成較低熔點（985 ℃）的共晶體，這些共晶體會富集在奧氏體的晶界處，會降低鑄坯的高溫塑性，大大加劇了鑄坯的熱裂紋敏感性，減小了晶界間的結(jié)合能力[4]，所以減少FeS的形成有利于減輕裂紋的發(fā)展。在鋼水中會有如下反應：

從公式可以看出，有兩種方法可以減少FeS的形成。首先，此反應是放熱反應，隨著溫度降低，ΔG0值會變小，也就是鑄坯在冷卻的過程中有利于反應向正方向進行，[Mn]會置換[Fe]原子形成MnS。其次，增加反應物Mn的含量，也可以減少FeS的生成。

在鋼中Mn的濃度要遠遠小于Fe，這樣[Mn]與[S]的反應幾率會很低。在此引入w(Mn)/w(S)的值，據(jù)相關(guān)的研究表明，當提高w(Mn)/w(S)的比值時，[Mn]與[S]的結(jié)合幾率會大大增加，隨著w(Mn)/w(S)比值的提高，達到一定的程度的時候，在鋼水中的[S]幾乎完全會與[Mn]結(jié)合，形成的MnS會代替低熔點FeS，減少FeS在奧氏體晶界處的析出，而MnS則以線狀形態(tài)分布于奧氏體中，大大提高鋼的高溫熱塑性，抑制板坯晶界間的裂紋發(fā)展趨勢[5]。

邊部裂紋的形成原因分析

在鑄坯凝固時窄側(cè)和角部存在振痕溝，受應力和晶界間初期裂紋影響會發(fā)展成宏觀裂紋，也就是在鑄坯皮下檢查時發(fā)現(xiàn)的細小裂紋。鑄坯經(jīng)熱軋兩道次軋制后，裂紋沿軋制方向銜接，再經(jīng)精軋后裂紋被拉伸成線狀，最終形成邊部裂紋。根據(jù)裂紋的形成機理，抑制鑄坯振痕溝裂紋的形成，勢必能控制邊部裂紋缺陷。從以下幾點分析含硼鋼A36邊部缺陷的形成原因：

（1）w(Mn)/w(S)偏低

鋼水中[Mn]的含量控制在下限水平，而S的含量控制偏高，則造成w(Mn)/w(S)比值低， [Mn]對FeS的形成抑制作用就會有所降低，過多的FeS在晶界處析出、聚集就容易產(chǎn)生裂紋。

從圖3可以看出，2013年[Mn]和[S]含量分別控制在0.25%和0.0044%水平，w(Mn)/w(S)比值在70以上。在保證熱軋性能的基礎(chǔ)上，2014年將[Mn]含量控制在下限水平0.18%，[S]控制水平與往年相近，w(Mn)/w(S)比值在61水平，熱軋后部出現(xiàn)了批量的邊部縱向裂紋。

圖3 不同時期Mn和S的控制情況

（2）二冷水噴淋

結(jié)晶器窄側(cè)二冷水過大，加上彎曲段二冷水噴幅全覆蓋鑄坯，造成角部坯溫過冷，角部首先進入熱塑性低的溫度范圍內(nèi)，在矯直段鑄坯應力集中導致窄側(cè)和角部裂紋擴大。

（3）[N]含量的影響

在生產(chǎn)過程中由于保護澆鑄差導致鋼水中[N]含量偏高，鋼水中的[B]與[N]結(jié)合生成BN在晶界的析出就多，形成微小空穴破壞了晶界間的結(jié)合力，容易誘發(fā)鑄坯裂紋的形成。對一個時期內(nèi)鋼水中[N]的成分檢驗，整體控制在0.005%左右，對比其他鋼類的氣體約高出0.002%。

控制邊裂的工藝措施

成分控制

BN在晶界的聚集、析出是造成裂紋的主要因素，控制BN在晶界的析出能夠有效控制板卷產(chǎn)生邊部缺陷。根據(jù)李文英[6]等的研究發(fā)現(xiàn)，在增大鋼水中的w(Mn)/w(S)的比值的情況下，可以增加MnS在機體內(nèi)形核的驅(qū)動力，又根據(jù)郭亞東[7]等人的研究，在鋼水的凝固過程中，MnS要優(yōu)先于BN析出， BN以先析出的MnS為異質(zhì)核心形核，減少了BN在晶界的析出。必要的調(diào)整鋼水中[Mn]含量、降低[S]含量，w(Mn)/w(S)比值就會提高，即可以抑制FeS在奧氏體晶界處析出，又也可以降低BN在奧氏體晶界處析出，控制住了形成裂紋的兩大危害成分。

對含B鋼A36試驗6爐，采取提高鋼水中[Mn]含量、降低[S]含量，即提高w(Mn)/w(S)比值，[B]含量采取不添加、少量添加和正常添加控制共3次方案進行對比分析，試驗成分如表2所示。

表2 化學成分調(diào)整方案（質(zhì)量分數(shù)）%

方案1中將[Mn]含量提高到0.20%水平，[S]含量控制在0.010%～0.011%水平，不加[B]，在熱軋卷上未出現(xiàn)邊部裂紋缺陷，說明現(xiàn)有鑄機生產(chǎn)條件下滿足鑄坯質(zhì)量要求；方案2中[Mn]和[S]的控制水平按照方案1不變，[B]含量控制0.0009%～0.0020%之間，在熱軋卷上出現(xiàn)通卷邊部裂紋，而且出現(xiàn)頻率較高；方案3中將[Mn]含量控制在0.28%～0.30%之間，[S]含量控制在0.008%以下，[B]含量控制在0.0009%～0.0020%之間，熱軋卷邊部良好無裂紋缺陷。從以上試驗方案可以看出，[B]對熱軋卷邊部裂紋缺陷的影響顯著，w(Mn)/w(S)比值大，對熱軋卷邊部缺陷有很好的抑制作用，如圖4所示，w(Mn)/w(S)比值逐漸增加，雖然添加了一定量[B]元素，缺陷發(fā)生率卻明顯降低，方案3為最佳調(diào)整方案。

圖4 三種方案的產(chǎn)品缺陷率

修改冷卻水配水

為了防止鑄坯角部冷卻過大，在矯直段容易進入脆性區(qū)導致角部裂紋，主要把結(jié)晶器寬側(cè)冷卻水由5400 L/min調(diào)整為5200 L/min，1區(qū)二冷水流量減少10%，窄側(cè)噴淋減少20%，扇形段0段二冷水流量減少10%，進而減少窄側(cè)鑄坯溫降，并且能夠保證鑄坯入爐溫度在950 ℃以上。

保證設(shè)備狀態(tài)

上線結(jié)晶器的過鋼量不要超過1.5萬t，窄側(cè)銅板縫隙不能超過0.3 mm，渣線部位光滑無龜裂現(xiàn)象；嚴格控制段子漏水，特別在邊角部成股流下造成角部過冷，同時關(guān)閉旋轉(zhuǎn)除鱗設(shè)備。

[N]的控制

采用改型的長水口，配合改型石棉碗和石棉墊圈，并保證氬氣壓力為300 kPa和流量為3.8 Nm3，使得長水口和大包下水口接合部位密封良好，防止吸入空氣造成增氮，調(diào)整后鋼水中[N]含量在0.0035%以下，連鑄中包增[N]控制在0.0005%以內(nèi)。

結(jié)論

（1）將[Mn]含量控制在0.28%～0.30%之間， [S]含量控制在0.008%以下，[B]含量控制在0.0009%～0.0020%之間，熱軋卷邊部無裂紋缺陷。

（2）w(Mn)/w(S)比值越大，能夠抑制FeS、BN在晶界析出聚集，減少鑄坯產(chǎn)生角部橫裂紋。

（3）做好保護澆注，控制鋼水中[N]在0.0035%以下。

（4）優(yōu)化冷卻水制度，提高鑄坯角部溫度，從而避開脆性區(qū)，保證鑄坯入爐溫度在950 ℃以上。

（5）通過以上的工藝修改，含B鋼A36的熱軋板卷合格率從原來的65.3%提高到98.5%。

[1] 余宏偉, 王孝東, 梁寶珠. 硼的添加對SS400鋼性能和組織的影響.鄂鋼科技, 2010, (4): 5

[2] 關(guān)春立, 韓立海, 姜英.薄板坯連鑄機生產(chǎn)硼微合金化鋼板邊部缺陷的控制. 鋼鐵, 2013, 48(3): 30

[3] 王宇平. 薄板坯連鑄連軋硼微合金化低碳鋼熱軋板邊裂原因的研究．昆明: 昆明理工大學, 2008

[4] 王嘉盛, 王耀山. 控制錳硫比改善普碳板冷彎性能的研究. 甘肅冶金, 2007, 29(6): 14

[5] 劉新宇, 王新華, 王萬軍, 等. 低應變速率下錳硫比對低碳鋼高溫塑性的影響. 北京科技大學學報, 2000, 22(5): 427

[6] 李文英, 陳偉慶, 袁輝, 等. 硼對低碳鋼熱塑性影響的研究. 金屬制品, 2006, 32(2): 38

[7] 郭亞東. 薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)冷軋基料的硼微合金化熱力學研究. 沈陽: 東北大學, 2006