高強船板晶界裂紋缺陷控制技術研究

田永久，于海岐，方恩俊，崔福祥，黃巖，殷東明，李超

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

眾所周知，高強船板是通過向鋼中加入微合金元素以有效提高鋼的強度、低溫韌性及焊接性能等。然而，高強船板中的合金元素會對鑄坯質量帶來諸如鑄坯表面和皮下微裂紋等缺陷，在軋制過程中這些缺陷多進一步擴展表現為鋼板表面的線狀、星形等晶界裂紋缺陷[1]。大量研究均表明，高強船板表面存在的不同程度晶界裂紋缺陷很大程度上與連鑄坯表面微裂紋缺陷直接相關[2-6]。

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司的寬厚板連鑄機自投產以來，高強船板鑄坯軋后的鋼板表面晶界裂紋發生率達5%以上，嚴重影響了產品整體質量。為此，對高強船板鋼種進行了試驗，分別對鑄坯的裝爐、冷卻方式及對應鑄坯的組織結構進行研究分析，據此優化工藝，制定了高強船板晶界裂紋缺陷控制技術，徹底消除了高強船板鑄坯軋后晶界裂紋缺陷，提高了鋼板質量和板坯直裝率。

1 原因分析

1.1 晶界裂紋形貌及金相分析

圖1所示為熱軋船板鋼冷彎裂紋形貌。觀察圖1和能譜圖發現，在鋼板表面發現大量沿軋向的縱向裂紋；裂紋走向并沒有沿著厚度方向進行擴展，而是沿著平行于表面的方向進行擴展延伸，屬于晶界裂紋。對裂紋兩側的組織進行深入觀察發現，裂紋靠近表面一側的組織為鐵素體＋少量珠光體組織，這是由于裂紋靠近表面的一側經受過高溫加熱處理，表面脫碳后造成珠光體組織的減少。由此可以看出，裂紋在坯料加熱時就已存在。同時，發現在裂紋內部存在大量成分為氧化鐵的沉積物，這表明該裂紋在冷彎之前已經存在，冷彎只是造成裂紋進一步開裂的外力因素。

針對鋼板表面裂紋，通過對連鑄和軋制工藝制度進行一系列優化試驗發現，造成熱送高強船板系列鋼板晶界裂紋的直接原因并不是由于鑄坯本身存在裂紋，而是應該與鑄坯熱送工藝有關，即厚板坯熱送溫度制度存在問題。

1.2 晶界裂紋產生機理分析

對于含Nb、V、Ti等一種或多種微合金元素的連鑄坯，由于柱狀晶發達，未變形的奧氏體晶粒粗大，凝固過程中微合金元素在樹枝晶界的顯微偏析會導致高溫下沉淀物析出，在連鑄二冷區冷卻時，鑄坯表面溫度分布不均勻，產生熱應力及鑄坯表面承受外力形變的作用，會促使微合金元素的第二相質點在粗大的奧氏體晶界沉淀，從而引起晶界脆性，降低鋼的高溫塑性，增加其裂紋敏感性，導致鑄坯經直裝或熱裝軋制后容易產生晶界裂紋[1]。圖2為未受力與受力狀態下鑄坯軋后晶界裂紋形貌。低合金鋼板在沒有受力時的晶界裂紋表現為圖2（a）所示的沿軋制方向微小的線狀缺陷；但當鋼板受力（特別是冷彎）后，此缺陷就會充分暴露出來，形成如圖2（b）所示的明顯撕裂狀裂紋。

圖2 未受力與受力狀態下鑄坯軋后晶界裂紋形貌Fig.2 Morphology for Cracks at Grain-boundary of Casting Blank after Rolling with Force and without Force

上述分析表明，鑄坯表面晶界裂紋是沿初生奧氏體晶界開裂擴展的，且裂紋兩側有脫碳現象，這說明鑄坯表面微裂紋是在高溫區形成的。因此，通過現場生產試驗重點研究了影響表面晶界裂紋的控制工藝技術包括鑄坯表面溫度、冷卻時間和冷卻速率。

2 鋼板晶界裂紋控制工藝優化

2.1 試驗方案

試驗用鋼AH36的化學成分如表1所示，鑄坯規格為250 mm×2 200 mm×4 100 mm。

試驗方案如下：

表1 試驗用鋼AH36的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical Compositions in AH36 Tested Steel(Mass Fraction) %

（1）準確標定鑄坯出現晶界裂紋的裝爐溫度。隨機挑選了100塊鑄坯，平均分5組進行了不同裝爐溫度的對比試驗。

（2）明確不同冷卻時間對鑄坯表面晶界裂紋的影響規律。隨機挑選了100塊鑄坯，平均分5組并分別按直裝、冷卻5 h、冷卻10 h、冷卻16 h及冷卻24 h進行冷卻試驗，統計軋制后出現晶界裂紋的比率。

（3）確定鑄坯緩冷的冷卻速率。隨機挑選了100塊鑄坯，分別測量存放垛位頂部、中部、底部溫度變化情況。

2.2 鑄坯裝爐溫度

表2所示為鑄坯裝爐溫度與軋后晶界裂紋發生率的關系。由表2可知，當鑄坯表面溫度在500～780℃范圍內裝爐時，軋制后發生晶界裂紋的比率隨溫度升高而增加；當溫度低于500℃或高于780℃時，軋后沒有出現晶界裂紋缺陷。因此，該鋼種合理的熱送溫度區間為500℃以下和780℃以上，鑄坯熱送時應選擇避開500～780℃之間的混晶溫度區間。

表2 鑄坯裝爐溫度與軋后晶界裂紋發生率的關系Table 2 Relationship between the Charging Temperature of the Casting Blank and Occurrence Rate of Cracks at Grain-boundary after Rolling

2.3 鑄坯冷卻時間

表3為鑄坯運行過程中表面溫度的變化情況。由表3可知，裝爐前的鑄坯表面溫度平均在798℃，但實際生產中容易受外界因素影響而導致鑄坯表面溫度低于該溫度。為有效控制鑄坯表面直裝溫度＞780℃，應控制鑄坯出鑄機后至裝爐的運行時間在60 min以內。

表3 鑄坯運行過程中表面溫度的變化情況Table 3 Changes of Surface Temperature of Casting Blank during Transferring

表4所示為鑄坯冷卻時間與軋后晶界裂紋發生率的關系。表4表明，鑄坯經冷卻5 h后軋制，鋼板表面出現晶界裂紋幾率最高；其次是直裝工藝；隨著冷卻時間的延長，其表面晶界裂紋出現的幾率明顯降低；冷卻時間達24 h時，表面晶界裂紋發生率為零。因此，該鋼種下線緩冷時間應控制≥24 h，可避免軋后晶界裂紋的產生。

表4 鑄坯冷卻時間與軋后晶界裂紋發生率的關系Table 4 Relationship between Cooling Time for the Casting Blank and Occurrence Rate of the Cracks at Grain-boundary after Rolling

2.4 鑄坯冷卻速率

圖3所示為鑄坯下線堆垛緩冷過程的表面溫度變化曲線。

圖3 鑄坯下線堆垛緩冷過程的表面溫度變化曲線Fig.3 Changing Curves of Surface Temperature of Casting Blank during Slow Cooling by Offline Stacking

由圖3可知，鑄坯下線堆垛緩冷過程中，垛位頂部鑄坯表面溫降速度較快，達16.6℃/h，垛位中間鑄坯表面溫降速度基本恒定在11.6℃/h。根據前述試驗鑄坯裝爐溫度控制結果和鑄坯在不同位置處的溫度分布，并結合此溫降速度曲線，即可推算出鑄坯下線堆垛緩冷的最低冷卻時間也應為24 h。

3 工藝優化及應用效果

根據前述原因分析與試驗結果，最終確定了三種控制高強船板鋼鑄坯表面晶界裂紋的工藝，即鑄坯高溫直裝工藝、鑄坯下線緩冷工藝和鑄坯在線表面強冷直裝。具體參數如下：

（1）鑄坯高溫直裝工藝：鑄坯切斷時間至裝爐時間≤60 min，鑄坯裝爐溫度控制在780℃以上。

（2）鑄坯下線緩冷工藝：鑄坯下線堆垛緩冷≥24 h，鑄坯表面溫度降低到500℃以下。

（3）鑄坯在線表面強冷直裝工藝：連鑄坯切割后，在線采取降溫措施，保證鑄坯表面溫度降至500℃以下后直裝軋制。

表5為三種工藝條件下鋼板晶界裂紋發生率。

表5 工藝優化后鋼板晶界裂紋發生率Table 5 Occurrence Rate of Cracks at Grain-boundary of Steel Plate after Optimization of Process %

由表5可知，采用上述三種工藝方案后，高強船板類鋼種連鑄坯軋后晶界裂紋均可得到有效控制。三種工藝均能達到消除晶界裂紋的目的，下線緩冷和在線表面強冷直裝冷卻工藝效果更穩定。

4 結語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司高強船板鋼熱裝軋后產生表面晶界裂紋缺陷的主要原因是鑄坯熱送溫度制度不合理。通過采取三種工藝，即高溫直裝工藝控制鑄坯裝爐溫度＞780℃、鑄坯下線緩冷工藝控制鑄坯表面溫度＜500℃、在線表面強冷直裝冷卻工藝使鑄坯表面溫度降至500℃以下后直裝軋制，均可杜絕軋后鋼板晶界裂紋缺陷的發生。鑄坯下線堆垛緩冷和在線表面強冷直裝工藝效果更穩定。