焊絲鋼ER70S表面結(jié)疤原因分析與控制

王明慧，田 振，張慶雷，許繼勇

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照276806）

焊絲鋼ER70S表面結(jié)疤原因分析與控制

王明慧，田 振，張慶雷，許繼勇

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照276806）

在Φ5.5mm熱軋盤條ER70S結(jié)疤缺陷部位取樣進(jìn)行金相、掃描電鏡及電子探針分析，結(jié)果表明，結(jié)疤處表面裂紋延伸至皮下，裂紋兩側(cè)伴有脫碳組織，說明連鑄坯料有裂紋、皮下氣泡等原始缺陷。鑄坯EPMA檢測表明，鑄坯裂紋處有嚴(yán)重的Sn富集，從而導(dǎo)致了鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋，ER70S盤條結(jié)疤主要由鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋引起。通過提高鋼水質(zhì)量、優(yōu)化連鑄工藝等措施，ER70S盤條結(jié)疤判次率從5.3%降低至0.3%。

ER70S焊絲鋼；表面結(jié)疤；Sn富集；表面網(wǎng)狀裂紋

1 前 言

ER70S盤條主要是拉拔后用作氣體保護(hù)焊焊絲。在熱軋盤條ER70S生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)表面結(jié)疤等類型的缺陷。表面結(jié)疤缺陷會導(dǎo)致后續(xù)拉拔加工時的斷帶事故，近期此類結(jié)疤缺陷的發(fā)生率逐步增加，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。為此對熱軋盤條結(jié)疤缺陷的成因進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施。

2 ER70S盤條結(jié)疤原因分析

日照鋼鐵生產(chǎn)焊絲鋼ER70S的工藝流程：60 t轉(zhuǎn)爐—吹氬站—LF爐—六機(jī)六流連鑄機(jī)（斷面160mm×160mm）—加熱爐—軋制—Φ5.5mm熱軋盤條。截取結(jié)疤材樣觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)疤缺陷在成品上一般相對隨機(jī)出現(xiàn)，無明顯分布規(guī)律，延伸長度1圈或多圈，形貌深淺不一。變形量較小的凹坑結(jié)疤在線材表面一側(cè)翹起，另一側(cè)與基體相連，一般呈分散型塊狀或連續(xù)翹皮狀結(jié)疤[1]。

2.1 結(jié)疤盤條樣微觀組織形貌分析

取結(jié)疤盤條樣利用金相顯微鏡觀察其微觀形貌如圖1所示。基體組織為F+P，結(jié)疤處表面裂紋延伸至皮下，未脫離的疤皮與鋼材本體鋼種成分、組織相同。缺陷部位裂紋過渡圓滑，尾端有細(xì)小的支裂紋，裂紋深度0.38mm，內(nèi)部存在淺灰色氧化鐵，裂紋兩側(cè)鐵素體晶粒無關(guān)聯(lián)，裂紋兩側(cè)伴有脫碳組織。對裂紋處進(jìn)行掃描電鏡分析，裂紋內(nèi)的顯微夾雜如圖2所示。其中灰色物質(zhì)主要包含 Ca、Si、Mg、Al、Na 等保護(hù)渣成分，CaO、SiO2含量與保護(hù)渣堿度類似。

對結(jié)疤線材試樣進(jìn)行高倍檢驗分析表明，高倍試樣裂紋周圍存在明顯脫碳或晶粒粗大現(xiàn)象，并且裂紋內(nèi)部存有保護(hù)渣成分，說明該缺陷在進(jìn)加熱爐之前已經(jīng)存在，經(jīng)過加熱爐高溫烘烤導(dǎo)致了裂紋處的過燒現(xiàn)象而形成脫碳層。因此，根據(jù)現(xiàn)有宏觀微觀缺陷特征分析推斷，連鑄坯料有裂紋、皮下氣泡等原始缺陷，在后續(xù)軋制過程中形成盤條表面結(jié)疤。

圖1 ER70S結(jié)疤盤條金相組織

圖2 ER70S結(jié)疤盤條裂紋內(nèi)部成分

2.2 鑄坯缺陷分析

對ER70S連鑄坯取低倍試樣，經(jīng)過加工酸洗后試樣形貌如圖3所示。從連鑄方坯酸洗低倍檢驗結(jié)果看，出現(xiàn)結(jié)疤的批次，方坯表面存在毛細(xì)裂紋，特別在角部附近存在較嚴(yán)重的網(wǎng)狀裂紋。因此推斷，方坯表面存在網(wǎng)狀裂紋是造成線材結(jié)疤的主要原因。

圖3 ER70S連鑄坯酸洗后低倍形貌

2.3 鑄坯EPMA檢測

對ER70S方坯裂紋處進(jìn)行EPMA-1600電子探針X射線顯微分析，對鑄坯表面星狀裂紋附近進(jìn)行電子探針點(diǎn)定量分析，在距離裂紋5～10 μm處共檢測4個點(diǎn)，檢測點(diǎn)見圖4。發(fā)現(xiàn)存在Sn等微量元素局部富集現(xiàn)象，Sn元素含量最高值達(dá)0.81%，化學(xué)成分見表1，是正常部位檢測數(shù)據(jù)的200倍。

圖4 ER70S方坯裂紋處電子探針檢測形貌

表1 ER70S方坯裂紋處電子探針檢測成分 %

3 結(jié)疤機(jī)理分析

1）裂紋形成。Sn熔點(diǎn)低，氧化位能比鐵低，鑄坯在高溫冷卻過程中殘余元素偏聚在γ晶界造成晶界弱化。鐵的優(yōu)先氧化速度明顯大于Sn向基體內(nèi)擴(kuò)散的速度，Sn在氧化鐵層與鋼基體層之間析出，在連鑄坯表面逐漸形成低熔點(diǎn)富集，受到拉矯等外力作用時，在鑄坯表面容易形成原始網(wǎng)狀裂紋，特別是鑄坯的振痕波谷、凹陷處更容易產(chǎn)生裂紋。

2）裂紋擴(kuò)展。鑄坯已經(jīng)存在晶界弱化或者在結(jié)晶器內(nèi)已經(jīng)形成了微小裂紋的情況下，再次受到外力、強(qiáng)冷卻熱應(yīng)力、冷卻不均等情況時，會導(dǎo)致裂紋向鑄坯內(nèi)部擴(kuò)展。

3）加熱影響。在后續(xù)加熱爐二次加熱過程中，溫度主要控制在1000～1100℃，連鑄坯在加熱爐內(nèi)加熱造成鑄坯表面選擇性氧化，低熔點(diǎn)富集的Sn元素沿著奧氏體晶界向鋼基體內(nèi)滲透擴(kuò)散，削弱晶界界面能，降低鋼材熱塑性[2]。同時原始裂紋會形成脫碳層，致使鑄坯原始裂紋無法焊合。

4）網(wǎng)狀裂紋形成。Sn能夠誘導(dǎo)Cu元素的熱脆性而增加表面裂紋[3]，Sn元素能夠降低Cu-Fe合金的液相線溫度。在Cu-Sn二元相圖中，Sn含量≥10%時固相線溫度從1083℃降低到835℃。實際檢測發(fā)現(xiàn)Sn含量的增加明顯促進(jìn)Fe-Cu系統(tǒng)中富集相的形成（見表1），Sn富集的部位Cu元素也有一定程度的富集，同時含Cu、Sn的鋼更易于產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋[4]。

5）裂紋形成原因。基于保護(hù)環(huán)境和降低生產(chǎn)成本的考慮，近期煉鋼工場廢鋼的使用量提高，從原來的20 kg/t增加至100 kg/t。ER70S大批量結(jié)疤爐次，轉(zhuǎn)爐添加的廢鋼中含有大量鍍錫板、鍍鋅板等原料，導(dǎo)致鋼中Sn等元素增加。在煉鋼過程中Cu、Sn、Zn等元素難以去除而完全進(jìn)入鋼液，導(dǎo)致連鑄坯表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。

因此，廢鋼使用量增加導(dǎo)致鋼水中Sn等元素增加，導(dǎo)致裂紋處嚴(yán)重的Sn富集，導(dǎo)致了鑄坯的表面網(wǎng)狀裂紋，從而導(dǎo)致了ER70S盤條結(jié)疤。

4 控制措施

1）改進(jìn)轉(zhuǎn)爐廢鋼原料加入配比，將鍍鋅板、鍍錫板等含Sn元素的廢鋼加入量降低至≤5 kg/t，鋼水中Sn含量控制在50×10-6以下。

2）改進(jìn)連鑄工藝，鑄坯冷卻制度比水量降低0.2 L/kg，矯直溫度提升至970～1000℃。

3）改進(jìn)鑄坯加熱制度，對表面質(zhì)量要求高的鑄坯采用冷送制度，加熱溫度在1200～1300℃保持。

采取上述改進(jìn)措施后，ER70S盤條結(jié)疤判次率從5.3%降低至0.3%。

[1] 胡封軒，付軍紅，周桂蘭.高速線材表面結(jié)疤成因探討[J].金屬制品，2006，32（4）：26.

[2] 耿明山，王新華，張炯明，等.鋼中殘余元素在連鑄坯和熱軋板中的富集行為[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31（3）：30.

[3] Matsuoka H,Osaw a K,Ono M.Influence of Cu and Sn on hot ductility of steels with various C content[J].ISIJ Int,1997,37（3）：255.

[4] 孫彥輝，趙長亮，蔡開科，等.連鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋的成因研究[J].中國冶金，2008，18（4）：15.

Cause Analysis and Control of Surtace Scab of Welding Wire Steel ER70S

WANG Minghui,TIAN Zhen,ZHANG Qinglei,XU Jiyong
（Rizhao Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Rizhao 276806,China）

The surface scars defeat of hot rolling ER70S wire was studied bymetallographmethod,scanning electronmicroscope and Electron Probe Micro-analysis（EPMA)in this paper.The result shown that the surface network cracks extend to the subcutaneous part and both sides of the crack are accompanied by decarburization,which shows there were original cracks and subsurface defects in the continuous casting slab.EPMA inspection of slab shows that the slab crack had seriously Sn enrichment,that lead to the surface network cracks of slab,which was themain reason for the formation of surface scars.The defective rate of ER70S wire rod had been decreased to 0.3%from 5.3%usingmeasures such as improving the quality of liquid steel and continuous casting process.

ER70S weld wire steel;surface scar;Sn enrichment;surface network crack

TQ142.2

A

1004-4620（2017）04-0039-02

2017-03-24

王明慧，女，1986年生，2011年畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)，碩士。現(xiàn)為日照鋼鐵有限公司品質(zhì)保證部工程師，從事鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量管理工作。