鋼板表面網狀裂紋形貌特征及來源分析

祝桂合，蔣雪軍

（濟鋼集團有限公司 科技質量部，山東 濟南250101）

1 前言

在鋼鐵廠，鋼板表面缺陷是個跨界課題。各種形狀的裂紋缺陷發生時，軋鋼工程師往往認為是連鑄坯固有缺陷遺傳，而不加深入分析；煉鋼工程師認為缺陷不一定都遺傳自連鑄坯，也可能是再加熱及軋制機械變形過程存在參數不當而撕裂產生。

2005年以后，在我國中厚板工業由大變強的過程中，各主力鋼廠迅速開發了大量各種低合金高強度鋼及合金鋼，通過控制成分，調整軋制及控冷參數，1 200 MPa級甚至以上級別高強鋼相繼開發成功，大型油罐用鋼、X80、X100等為代表的各種高等級鋼種已經得到廣泛應用。期間，各鋼廠普遍遇到的棘手問題，便是鋼板表面出現的大縱裂、網裂、橫裂、山峰裂、密集發紋裂等裂紋缺陷。有些缺陷較淺，可以機械修磨；有些缺陷較深，直接判為廢品。對于有些高級用戶，鋼板表面不允許修磨痕跡。因此，這些裂紋問題必須加以消除。

筆者帶領攻關組對上述裂紋進行了長期深入研究，既探索了機理，也分析了來源，并在實踐中找到了控制方法，目前，徹底消除了這些缺陷隱患。通過實驗室研究，總結論述了依據氧化物圓點及脫碳層等現象查找鋼板表面裂紋來源的觀點［1］。本研究仍運用該觀點分析鋼板表面網狀裂紋來源，并簡述控制方法及實踐結果。

2 網狀裂紋形貌特征及分析

發生于連鑄坯表面的網狀裂紋，亦稱為龜裂或星裂［2］。發生于鋼板表面的網狀裂紋沒有統一名稱，筆者認為也可稱為龜裂或星裂。通常網裂比較淺顯，距鋼板表面0.4～1 mm以內（見圖1）。也有較深且很發達的網狀裂紋（見圖2），這種裂紋因其外圍成橢圓簇狀，故亦稱馬蜂窩狀裂紋。有時，因該種裂紋既寬且深，會誤解為過燒龜裂。

圖2 AH32鋼板表面網裂（馬蜂窩）照片

筆者的韓國同行對上述SM490A鋼板表面星裂進行電鏡分析發現，裂紋底部存在Fe的氧化物（見圖3）及Ca、Al的氧化物（見圖4）。據此認為此裂紋可能是軋制過程產生，原因是除鱗及軋輥參數不當引起。但是，筆者認為，其忽視了氧化物圓點現象（圖4）和保護渣成分的存在，圖5為圖1b裂紋成分掃描結果，圖中A處為Fe氧化物，B處為Ca、Al氧化物，是保護渣成分。根據實驗室研究結果［1］，可以推斷其裂紋來源自連鑄坯，并且Ca、Al氧化物恰好是保護渣成分，證明連鑄階段裂紋已經形成。

圖3 圖1a之電鏡分析結果

圖4 圖1b之電鏡分析結果

圖5 圖1b裂紋成分掃描結果

氧化物圓點是重要的信號。筆者在攻關早期階段沒有重視利用這一信號判斷裂紋來源，走了一些彎路。通常，對于網裂，大家首先會想到Cu的作用，把目光集中在結晶器銅板以及Cu元素富集上。有文獻對此類裂紋有詳盡描述［2］。如圖6所示，對圖2鋼板嚴重網裂（馬蜂窩）進行電鏡掃描，很容易就發現了高純度的Cu質點存在。由此，筆者制定了嚴格的結晶器使用管理規定。雖然大大減少了該類缺陷，但并沒有完全消失。后來，筆者重新審視氧化物圓點帶來的信息，著眼點進一步擴大至保護渣及鋼水質量，最終徹底消除了該類缺陷。

3 非Cu致網裂分析

3.1 裂紋形貌特征

筆者研究了E級船板發生的網裂缺陷（馬蜂窩），圖7為E船板的兩處馬蜂窩裂紋形貌，馬蜂窩裂紋分布很不規律，一般開口較大，裂紋長度較小。

把馬蜂窩裂紋鋼板沿軋向剖開，對平行于軋向的橫截面進行機械研磨拋光腐蝕后，進行金相觀察，圖8為不同裂紋處的金相組織形貌。E船板的金相組織為鐵素體＋珠光體組織，珠光體呈帶狀分布（圖中黑色組織為珠光體，白色為鐵素體）。馬蜂窩裂紋開口較大，由表面成喇叭狀向里延伸，在裂紋近表面的一側，可以觀察到明顯的脫碳區，而裂紋的另一側脫碳較輕，只是在裂紋的附近存在脫碳，可以觀察到少量的珠光體組織。裂紋內充滿灰色的氧化物。

譜圖譜圖1譜圖2譜圖3譜圖4最大最小在狀態0是是是是29.57 9.40 Mn 1.05 0.98 26.41 29.57 9.40 1.26 1.26 0.98 Fe 68.48 78.24 93.24 71.49 93.24 68.48 Cu 0.90 11.37 6.76 0.84 11.37 0.84總的100 100 100 100 100 100

譜圖譜圖1譜圖2譜圖3譜圖4譜圖5譜圖6譜圖7譜圖8譜圖9譜圖10最大最小在狀態0是是是是是是是是是是35.65 31.74 34.12 40.34 18.54 14.14 6.32 18.84 8.61 22.50 40.34 6.32 Si 1.00 Ca 0.92 Mn 0.47 Cu 0.89 0.270.89 0.46 0.257.31 1.13 0.29 1.00 0.27 0.16 0.42 0.92 0.16 0.40 0.34 0.56 0.89 0.34 Fe 60.96 64.76 64.77 66.25 55.93 43.97 31.81 52.23 35.20 55.80 66.25 31.81 0.95 3.22 7.31 0.89總的99.88 96.51 100.05 106.58 74.93 65.68 39.26 71.46 45.26 82.80

圖6 馬蜂窩裂紋中發現的Cu元素質點

圖7 E船板表面馬蜂窩裂紋宏觀形貌

圖9為一較深的馬蜂窩裂紋處的組織形貌，在沿裂紋兩邊的組織存在較輕微的脫碳，但裂紋兩側的組織存在很明顯的差異，近表面處的珠光體組織彌散分布，鐵素體晶粒呈等軸狀，有長大跡象；而在裂紋另一側的基體中，珠光體成明顯的帶狀分布，裂紋開口和裂紋擴展方向均平行于帶狀珠光體的方向。

圖8 E船板鋼馬蜂窩裂紋的金相組織

圖9 E船板馬蜂窩裂紋附近的金相組織

圖10為圖9中馬蜂窩裂紋掃描電鏡分析，由局部放大分析可以看出，在裂紋周圍基體中存在二次氧化顆粒，能譜分析表明，這些氧化物主要為含Si和Mn的氧化顆粒。圖11為圖8b中馬蜂窩裂紋二次氧化顆粒形貌與分析，圖12為另一處馬蜂窩裂紋周圍的二次氧化顆粒形貌與分析，由圖11和圖12可以看出，由于這兩處裂紋較淺，開口較大，裂紋周圍二次氧化顆粒密度和尺寸都明顯高于圖10。

二次氧化顆粒的形成必須具備3個條件：一是材料在高溫狀態，文獻資料［3］認為在半固熔狀態，對鋼來說應該在900℃以上；二是基體首先脫碳，并且有氧的氛圍；三是必須有較長的時間，如果時間較短，即使在高溫下，也只能在表皮生成氧化鐵，而不能在氧化鐵皮的下面再生成二次氧化顆粒。具體反應過程為：在高溫加熱過程中，裂紋表面氧化皮發生還原反應，氧化鐵中的氧被置換出來，基體中的碳會和置換出的氧或者外部滲入的氧發生反應，生成二氧化碳或者一氧化碳氣體，造成基體脫碳，這時爐內的氧含量極低，存在一個相對缺氧的環境，脫碳后基體中的Si和Mn會優先和少量的氧發生反應，生成二次氧化顆粒。二次氧化顆粒的生成是一個比較緩慢的過程，需要有充足的時間，另外周圍的氧含量不能太高，否則會在表面迅速生成氧化鐵保護膜，阻止氧氣的進入，從而不能產生二次氧化顆粒，這也是在軋鋼過程中，雖然粗軋和精軋溫度較高，但持續時間較短，不具備生成皮下二次氧化顆粒的條件，另外在軋制過程中鋼板的表面迅速產生氧化鐵保護膜，因此在表面氧化鐵皮的下面沒有發現二次氧化顆粒存在，這也可以間接證明二次氧化顆粒不是在軋制過程中產生的。

圖10 圖9中裂紋處二次氧化顆粒形貌和能譜分析

圖11 圖8b中裂紋的二次氧化顆粒及其成分分析

圖12 另一處馬蜂窩裂紋周圍組織、二次氧化顆粒形貌及成分分析

由上述E級船板馬蜂窩裂紋周圍組織形貌特征及二次氧化顆粒分析結果表明，該爐次馬蜂窩裂紋不是在軋鋼過程中產生的，是在鑄坯中就存在裂紋。

第一點證明是近表層裂紋開口處存在嚴重脫碳，這種脫碳深度遠高于表面脫碳層深度，如果是軋制中開裂，裂紋周圍脫碳層僅在裂紋表層存在。

第二點證明是裂紋上下表層帶狀組織形貌明顯不一致，近表層帶狀組織不明顯，而裂紋另一邊存在完整的帶狀組織形貌，且在裂紋開口處，帶狀珠光體組織與裂紋開口方向近似平行，這說明在帶狀組織形成之前，裂紋已經存在。因為預先存在的裂紋，改變了軋制過程中裂紋處的受力狀態，裂紋的上面開口處不再受平行軋向的拉應力，而是自由端，這樣上表面的帶狀組織不明顯；如果是軋制中開裂，軋制中帶狀組織已經存在，這樣在裂紋開口處的帶狀組織與裂紋是近似垂直關系，而不是觀察到的近似平行關系。

第三點證明就是裂紋周圍大量二次氧化顆粒存在，文獻［1］已經說明二次氧化顆粒存在的必備條件。

這3點證明，該馬蜂窩裂紋不是在軋制過程中產生的，是在鑄坯中早已存在。由于在裂紋開口處并沒有觀察到保護渣成分，該裂紋的產生可能有兩種情形：一是在澆鑄過程中，裂紋很小，或者以氣泡的形式存在，沒有卷入保護渣，經過爐內的高溫加熱后，形成大量脆性的二次氧化顆粒和裂紋氧化鐵皮，在后來的軋制過程中，裂紋不但不能軋合，反而開口擴展增大，二是有可能在澆鑄后的冷卻過程中產生的熱裂紋。

3.2 進一步的驗證統計試驗

針對熱裂紋，筆者做了進一步的驗證統計試驗。將同一澆次連鑄坯分別熱送和冷送軋制，統計其產生網裂的指數，結果兩者差距達到49倍。

筆者所在地區，每年3月和7月會有顯著的氣候變化。其對連鑄坯以及鋼板裂紋產生某種外在關聯影響，即每到3月和7月，出現裂紋異常敏感期，集中爆發裂紋缺陷。2008年3月16日，現場軋制時連續出現鋼板裂紋，隨即組織了冷熱送（含溫送）對比試驗。對3個爐號（7509662、7509663、7509994）的連鑄坯按澆注順序分單雙號進行軋制對比，單序號在線熱送軋制，雙序號下線冷卻48 h再上線軋制。7509665爐號整爐熱送軋制。7509666、7509667爐號下線冷卻至600℃以下時溫送再加熱軋制。7509668爐號部分溫送軋制，部分冷送軋制。對比結果見表1。統計表明，鑄坯熱送軋制鋼板裂紋率高達36.4%，溫送裂紋率為零，冷送裂紋率為0.74%。

表1的結果說明鋼板裂紋來源于加熱過程，即Al、Ti、Nb、C的N化物引起的晶界熱脆性裂紋［2］。但是，對裂紋進行的微觀分析，發現該批次無論熱送或冷送軋制，鋼板表面出現的無論是網裂還是小縱裂，均伴有前述氧化物圓點及脫碳現象。這說明，在高溫連鑄坯冷卻階段，已經存在晶界熱脆性裂紋。熱送軋制時，裂紋更容易得到擴展或者暴露，冷送時能夠得到較好抑制，并且由于加熱時間更長，部分輕微裂紋會燒淺延平而近似消失。筆者對該批次連鑄坯進行了表面扒皮檢查，在皮下0～1 mm深度內找到了微裂紋（2～5 mm），而且在更深的深度（扒皮2 mm后）后裂紋消失，這就證明了筆者的判斷。

表1 不同溫度下裝爐軋制裂紋率對比

根據上述分析結果，采取的控制措施除結晶器及二冷段弱冷、改進保護渣、恒拉速澆注、高溫矯直等之外，更加注意控制連鑄坯熱送溫度控制，即含Nb等裂紋敏感元素的低合金鋼裝入加熱爐時避開第三脆性溫度區間，實行冷裝或者緩冷控溫后裝爐。目前，濟鋼各鋼板產線平均裂紋缺陷產生比率已經穩定控制在0.1%以下，有的產線實現了0.01%以下。

熱裝溫度對鋼板裂紋率的影響規律筆者已經做過專門論述［4］，簡言之，熱履歷對連鑄坯及鋼板表面裂紋產生概率及程度有較大影響，需根據各鋼種熱態特性制定其熱裝制度。

4 結語

通過分析鋼板裂紋處氧化物圓點及脫碳程度，能夠較容易地找出產生裂紋的工序或時間節點，從而查找生成之原因及采取針對性解決措施。鋼板網裂根據其產生的根源及其時間節點不同，其表現形式及程度有較大差異，需依據裂紋周圍微觀分析仔細勘驗。

［1］ 祝桂合，萬友堂，張繼明，等.鋼板表面裂紋及氧化物圓點形成條件模擬試驗［J］.山東冶金，2012，34（2）：30-33.

［2］ 蔡開科.連鑄坯質量控制［M］.北京：冶金工業出版社，2010：231.

［3］ 董金剛，虞敵衛.板坯開裂原因分析［J］.寶鋼技術，2000（4）：20-23.

［4］ 祝桂合，趙乾，馬興云，等，含Nb低合金鋼熱履歷對鑄坯及軋后鋼板的影響［J］.鋼鐵研究學報（英文版），2008，15：694.