熱軋卷板邊部直裂紋的成因分析及控制

楊文芳，楊海西，劉錦強，張少凱，曹曉運，樊利智

（敬業集團有限公司，河北 石家莊 050400）

熱軋卷板，以板坯為原料，在加熱后經過粗軋和精軋而制成的鋼板。由于具有高強度、高韌性且易于加工成型的優點，是非常重要的鋼材品種，廣泛用于建筑、機械、汽車、石油、船舶、橋梁等行業。作為世界上最大的熱軋卷板生產、消費和出口國，截止2019年4月，我國國內熱軋卷板生產線共有64條，年產能約2.5億t。

當前，熱軋卷板的生產企業在裝備、規模、品種等方面，與世界一流水平的差距越來越小，競爭核心也由裝備硬件轉向產品質量上。受到生產工藝的限制，卷板鋼材不能像中厚板那樣切邊，因此，卷板的邊部質量直接決定著卷板產品的整體質量，是質量控制的重點所在。通常情況下，由于熱軋卷板邊部工藝的穩定性不強，在生產過程中其邊部會不時出現鋸齒、橫裂、折疊等裂紋或缺陷，這些缺陷多由鑄坯帶來，一般情況下可以通過切邊的措施來降低消除對成品的危害。但事實上，卷板邊中直形裂紋缺陷往往難以去除，甚至會出現切邊增大而直裂紋更加嚴重的問題。

1 實例概況

近年來，A公司研發了一系列具有高附加值的產品，其中管線鋼材共有G80、G70兩個型號，累計生產40萬t，主要用于石化油氣運輸管線工程，另外出口約3.6萬t，為該企業創造了巨大的經濟效益。根據某鋼鐵生產企業A公司的統計，其2019年下半年的熱軋卷板產品中，有900余噸產品出現了邊部直裂紋的缺陷，造成了嚴重的質量事故，經濟損失巨大。經過統計，邊部直裂紋占到缺陷總量的93%。由于管線鋼較為敏感，通常會出現裂紋，因此其鑄坯的邊部質量難以得到確保。本文對此進行生產環節的觀察檢測，發現這些缺陷多由鑄坯大切角被軋制放大造成。在此基礎上通過針對性地改善鑄坯三角區質量、優化切邊量，最終消除了邊部直裂紋缺陷的發生。

2 缺陷描述

截止2019年11月份，共發現有900余噸出現邊部缺陷的G60產品。根據觀察與統計，發現此次裂紋與以往卷板邊部的發文缺陷有明顯差異，主要以短直條形為主，集中分布在卷板距離邊線0mm～30mm之間，長度從20mm～80mm之間不等。從外觀形態上觀察，與卷板邊部的劃傷相比，除長度較短以外，其他較為類似。每段裂紋之間有100mm以上長度不等的間隔區間，說明卷板這一區域內的質量良好。

熱軋卷析的裂紋缺陷一般都發生在卷板的表面，主要有單個發散和多個連續的狀態。截止目前，已經有大量的文獻研究表明，熱軋卷板的裂紋缺陷通常是由連鑄坯的裂紋演變而來，當結晶器中的初生鑄坯進入二冷階段時由于受到低塑性的影響就會導致裂紋的形成。在前期通過調查振動參數、優化保護渣等方法，可以使結晶器內的初生鑄坯得到質量保障，減少裂紋產生，甚至會基本消失，但到了二冷鑄階段時卻依然會出現裂紋。通過現場調研，發現導致這種缺陷的原因主要有兩點：一是二冷操作規程不合理，鑄坯邊部冷卻強度過大，矯直區發黑現象嚴重；二是相應的設備維護不到位，導致鑄坯表面出現了較為嚴重的回溫現象，出現大小不等的暗斑。這些原因導致鑄坯邊部仍會出現小面積的裂紋，采取切邊的方法可以去除這些缺陷，降低裂紋的發生率。

3 缺陷分析

對于管線鋼G60短直裂紋缺陷與常規卷板裂紋缺陷的不同，可以從化學成分、生產工藝、板材取樣等角度進行分析，同時進行相應的觀察與檢測。

如表1所示為管線鋼的化學成分分析。

表1 G60化學成分表

通過上述微觀分析，發現裂紋周邊和尖端存在氧化物和硫化物等。當錳含量較低時，不可能形成全部具有良好塑性的MnS，反而形成了較低熔點的FeS，并在晶界處形成了離異共晶的現象，當鑄坯受到外力作用時，容易產生裂紋。硫含量越高，鑄坯開裂的可能性越大，發生縱裂紋的概率明顯增加。

此外，通過對鋼板裂紋的觀察，發現鋼板中含有大量的AI、Si、Mn、Ti、Na等夾雜物。說明了裂紋周圍存在一種脫碳現象，裂紋在板坯加熱前就已存在，軋制過程中不加壓，碳是氧化產生的。

因此，鋼板斷裂的原因是鑄坯缺陷被硫化物和保護渣夾入，上述夾雜物在加熱過程中熔化，如果溶解的污染物在鋼板表面或接近表面，就會產生表面裂紋。由于端部冷卻速度快、混合性好、韌性好，在熱軋過程中產生拉應力，在延伸過程中產生斷裂，并在邊緣形成裂紋。

如圖1所示為G60生產工藝。

圖1 G60管線鋼生產工藝流程圖

隨后，在板材上取樣，并對其進行金相、電鏡與能譜分析，同時對軋甩中間坯進行形貌觀測與酸洗檢測。

在對鑄坯側邊進行定寬后，其棱線處往往會出現裂紋，并表現出斜向等距離分布的規律性特點，經測量，寬度大約為1mm～3mm，長度約為10mm～15mm，以梭子形狀呈現。對此取樣后，經過熱酸洗處理，可發現棱線處的裂紋更加清晰。此時，沿橫斷面進行加工，可以發現棱線處內部和下方都有閉合形狀的裂紋存在，并沿鑄坯寬窄兩面的交接處由外而內規律性地分布，并表現為梭子形狀。另外，對鑄坯棱線處切下部分酸洗處理，也可以發現較為嚴重的裂紋現象，主要表現在鑄坯寬窄交接面，沿拉坯方向的走向分布。

對鑄坯的角部外觀進行現場觀測，可發現鑄坯側面有較為嚴重的塌陷現象，分別有月牙形、弓形或其他不規則形狀。經推測分析，鑄坯在凝固過程中，會出現收縮不均勻的情況，導致寬窄兩面收縮不均，引發鑄坯皮下、三角區出現裂紋。

針對上述觀察、推測或分析的結論，對取樣中間坯進行切片酸洗檢測。將中間坯側邊沿垂直于拉坯方向加工成薄片，隨后進行熱酸洗檢測，對其截面形狀進行觀測。可以發現，鑄坯寬窄交接面出現較小的裂紋，同時伴隨有粗大、柱狀晶搭橋現象。裂紋長短不一，2mm～5mm不等，寬度約0.5mm，整體呈簇狀。

在此基礎上，再進行酸洗、金相檢測，可對卷板缺陷的形貌進行分析。

結果表明，軋制鋼板的熱酸洗呈現出短而直的焊接形式，如卷板表面，焊接面積在2mm～5mm之間。焊接形態沿軋制方向進行，良好的位置和形狀對應于表面的短直裂紋。試樣經酸洗后，焊接接頭處有明顯的缺陷坑，并伴隨著叢生裂紋的產生。結果發現，表面裂紋有內傾向，鑄坯地面有封閉空腔區，內壁呈撕裂狀，無明顯分層，局部有明顯的滾焊現象。觀察到典型的內部焊接區域，裂紋具有相同的織構方向，并形成向內部裂紋擴展的趨勢。

由于鑄坯地面的凝固過程和質量，鑄坯地面的三角形區域沿45°線可分為四個部分。第一部分，初始凝固形成致密的淬火層，表面容易形成應變、皮下氣泡等缺陷。第二部分，和初凝區形成于后期，淬火后的結晶體與柱狀結晶體之間的過渡區易在鑄態白地的大側面和側面相交處形成柱狀截面。第三部分，柱狀生長區普遍存在嚴重缺陷。鑄坯地面質量優于2區。第四部分，鑄坯兩側大面與側面相交處易形成柱狀晶體，屬鑄坯質量最弱區，質量比較差。

25mm的切割角基本上保證了快速淬火層的存在，同時也能消除鑄坯角落的表面裂紋。在這種狀態下，50mm的切割角被切割以鑄造板坯外圈。同時，三角形區域的內部缺陷在軋制過程中沒有被切割并暴露在板的表面形成缺陷。在這種狀態下，80mm的切角是鑄坯外圈的一個急冷層，但三角形區域下的內部缺陷部分被切除，軋制過程中有一部分未被部分切除，盡管缺陷形成于卷板表面，且數量相對較少。

4 控制改善措施

4.1 鋼水成分

選擇適當的碳和合金添加劑，以避免包晶凝固。特別是避免了碳的質量在0.9%～0.14%之間，盡可能降低鋁和氮的含量，控制鋼中鋁的質量分數不超過0.03%，鋼中氮的質量分數小于50×10-6。

4.2 結晶保護渣

采用較低熔點、適當附著力、較高堿度和較高熔渣結晶溫度，改善結晶器結晶和鑄坯殼的均勻冷卻，并在熔渣中加入一定量的MnO，減少保護渣使用前后性能的變化。

4.3 晶體冷卻

提高結晶器浸水溫度3℃～8℃，優化結晶器窄面冷卻水量，削弱結晶器冷卻強度，降低均勻窄面熱流，使鑄坯在結晶器內均勻松弛。

4.4 冷水混合物

對兩冷系統進行改進，將原設計比的0.74L/kg改為0.61L/kg，并對兩冷水在各區域的分配進行優化，在鑄坯厚度方向上獲得一個小的溫度梯度，以保持鑄坯轉角處的高溫。

5 結語

通過對鋼中硫含量及連鑄工藝參數的控制，可減少或避免鋼中的硫化物夾雜和保護渣卷入，防止鋼板的邊部開裂。

卷板端部的短形裂紋缺陷從表面形態上與軋制損傷有許多相似之處，通過金相分析可以區分卷板缺陷的截面。傷口缺陷橫截面的根部沒有明顯的延伸，短直裂紋缺陷的橫截面根部明顯向內側延伸。鑄坯的三角形區域的裂紋被軋制并擴大，然后暴露在板上，在較短的右側形成缺陷。金相檢測在缺陷根部發現部分焊接區域，可以確定三角形區域的原始裂紋位置。

鑄坯三角區的裂紋表示為鑄坯底面內的不連續性，根據鑄坯底面的橫截面和酸洗情況判斷為重合，通過多點取樣酸洗判斷為鑄坯底面的橫截面切片法，在鑄坯底三角區，可沿切口向切片法進行多點取樣酸洗。

鑄坯底的側面形狀與三角區的質量有明顯的相關性。通過鑄件底座的外觀，可以很容易的確定地面三角形區域的質量。

鑄坯地面表層淬火層對防止鑄坯內部缺陷在軋制過程中暴露有很好的保護作用，當鑄坯基層的角部構件能夠得到保證時，鑄件白底的切削量盡可能小，以防止內部缺陷的暴露。

G60系列管線鋼鑄坯三角區缺陷在鑄坯臨界角軋制是造成該缺陷的主要原因。通過優化組分調整、保護渣優化、結晶器含水量調整、雙冷水箱優化、設備精度調整、切邊量優化，有效地控制了鑄坯三角區質量，有效地控制了熱壓板邊緣直缺陷的產生。質量檢測統計：2019年邊緣被撕破不足160t，取得了良好的質量控制和經濟效益。