連鑄坯表面缺陷在圓鋼軋制過程中的演變規律研究

劉明遠

（河鋼宣鋼技術中心，河北 張家口075100）

1 前 言

河北鋼鐵集團宣鋼公司2014年建成投產一條高速棒材生產線，產品規格為Φ20～70 mm，使用坯料尺寸為165 mm×165 mm×12 000 mm，鋼種包括碳素結構鋼、合金結構鋼、軸承鋼、齒輪鋼等。對于優特鋼圓鋼產品，下游用戶加工工藝多樣，對產品表面質量要求較為嚴格，圓鋼表面缺陷將直接導致鍛造開裂、車削裂紋及穿管外折等。圓鋼產品表面缺陷形成原因復雜，經過近年來質量提升攻關及相應研究表明，產品表面缺陷主要來源于鋼坯。鋼坯表面常見的缺陷有裂紋、結疤、渣溝、劃傷等，若鑄坯表面缺陷較為嚴重，軋制后有可能遺傳到圓鋼產品表面，影響產品質量。為了合理確定鋼坯檢驗標準，控制圓鋼產品表面質量，因此十分有必要對鑄坯表面缺陷在圓鋼軋制過程的演變規律進行研究。

2 試驗設計

2.1 鑄坯劃傷、渣溝及結疤試驗

對鑄坯表面缺陷進行分類、確認，測量缺陷深度、寬度、長度以及其位置，軋后利用體積守恒定理計算缺陷對應位置，取樣后進行酸洗、頂鍛及金相檢測，以跟蹤缺陷在軋后產品表現的形貌，從而得出鑄坯各類表面缺陷在現有軋制工藝下的演變規律，制定新的鑄坯檢驗標準。選定10 支斷面尺寸為165 mm×165 mm 的表面缺陷方坯，涉及鋼種包括GCr15、9SiCr、45#，軋制規格為Φ20、Φ40、Φ60 mm，主要缺陷類型包括劃傷、渣溝、結疤，其缺陷類型及尺寸如表1所示。

2.2 鑄坯裂紋試驗設計

選取45#鋼連鑄方坯2支，斷面尺寸為165 mm×165 mm。利用修磨機對鋼坯表面進行修磨，確認試驗鋼坯表面質量良好后，在其中1支方坯尾部0.5 m處人工預制縱裂紋1條，寬度1 mm、深度5 mm；距頭部2 m處預制寬度1 mm、深度2 mm縱裂紋1條。在另一支鋼坯尾部0.5 m處人工預制橫裂紋1條，寬度1 mm、深度5 mm；距頭部2 m處預制寬度1 mm、深度2 mm橫裂紋1條。將鋼坯在加熱爐加熱后，經高壓水除磷、粗軋、中軋和精軋軋制，最終軋制成Φ40 mm規格圓鋼。按照提前計算好的缺陷位置做好倍尺成品標記并取樣，檢測裂紋形貌和深度變化。

表1 方坯缺陷類型及尺寸

3 試驗結果及分析

3.1 劃傷缺陷分析

本次選定劃傷鋼坯按照深度可分為兩類：深度＜2 mm；深度≥2 mm。按照理論計算的缺陷位置進行取樣、酸洗、頂鍛試驗，試樣a1、a4 未發現表面缺陷；a2試樣酸洗后表面存在淺裂紋，頂鍛后未開裂；a3、a5 試樣酸洗后表面可見淺裂紋，頂鍛后試樣表面開裂深度較淺；a6 酸洗試樣表面可見明顯裂紋，頂鍛后試樣裂紋呈開口狀，且具有一定深度，如圖1所示。

由圖2可看出，兩類鑄坯劃傷經軋制后存在較明顯的區別：劃傷深度＜2 mm 沒有導致明顯的圓鋼表面裂紋，這是由于鑄坯表面在加熱爐內被氧化，經高壓水除鱗后使得部分缺陷被消除，同時在后序的軋制變形過程中逐漸軋合消除，不會對后續加工造成明顯的影響；劃傷深度＞2 mm 會導致圓鋼表面出現裂紋，對試樣進行1/3頂鍛后，試樣出現開裂，且隨著規格增大，開裂越明顯，同時對酸洗試樣進行進項檢測，裂紋形貌如圖2所示。

圖1 鑄坯劃傷對應的圓鋼表面缺陷

圖2 圓鋼表面裂紋的金相組織100×

在100 倍顯微鏡下觀測，裂紋處存在脫碳現象，無延伸，底部較為圓鈍。

通過跟蹤劃傷鑄坯在軋制過程中的變化，結合不同規格圓鋼表面形貌變化，連鑄坯劃傷缺陷在軋制過程中變化規律如圖3所示。

圖3 軋制過程中劃傷變化規律示意圖

通過高溫氧化和后續的軋機平-立交替軋制，軋件的截面積逐漸減小，缺陷深度也隨之降低，最終劃傷缺陷暴露在軋材表面，初始深度＜2 mm 的劃傷缺陷會消失在鋼材表面。

3.2 渣溝缺陷分析

選取2支表面渣溝深度不同的鋼坯進行軋制。9SiCr 缺陷鑄坯，渣溝長度約為2 m，深度最深處約為5 mm。GCr15缺陷鑄坯，深度1 mm，長度約1 m。同樣軋制Φ60 mm 規格穿管用鋼，對成品及穿管效果進行跟蹤。成品酸洗后發現試樣存在缺陷如圖4所示。取缺陷部位進行電鏡、金相分析，結果如圖5所示。

圖4 鑄坯渣溝對應的圓鋼表面缺陷

圖5 渣溝坯圓鋼表面裂紋電鏡、金相分析

渣溝鑄坯軋制后裂紋內部殘留有氧化鐵皮及大量夾雜物，脫碳嚴重，且向鋼材基體延伸。有研究表明［1-4］，鑄坯渣溝缺陷必然伴生裂紋及夾雜，鑄坯軋制后由于產品表面氧化鐵皮覆蓋不易發現，出廠后造成用戶穿管外折缺陷，影響正常使用，因此必須進行鑄坯修磨后方可軋制。

3.3 表面結疤分析

選取形貌較為類似的結疤缺陷鋼坯2支，分別軋制Φ20、Φ60 mm規格圓鋼，從理論計算位置截取試樣，并進行頂鍛、酸洗、金相檢測。從圖6、圖7金相分析表明，裂紋處無夾雜，裂紋底部無延伸，但因軋制規格存在差異，導致裂紋深度不同。對于內部無夾雜的鑄坯表面結疤在軋制過程中變化規律如圖8所示，缺陷在軋制過程中沿軋制方向上逐漸被拉長，深度變淺，隨著軋制道次增多，結疤底部被軋制表面，直至消失。

圖6 c1鑄坯缺陷對應圓鋼缺陷

圖7 c2鑄坯缺陷對應圓鋼缺陷

圖8 軋制過程中鑄坯表面結疤變化規律

3.4 鑄坯裂紋分析

試驗鑄坯軋制后在成品對應位置進行取樣，未發現鑄坯頭部預制裂紋對應缺陷，鑄坯尾部對應成品表面可見明顯裂紋存在。經過觀察確認為，5 mm深預制裂紋經軋制后遺傳裂紋，其形貌見圖9。

圖9 鑄坯深裂紋對應的圓鋼表面缺陷

將以上試樣制成金相試樣并觀測微觀形貌（見圖10），縱裂紋和表面呈接近垂直狀態，根部尖銳，趨于閉合；橫裂紋與表面呈一定角度，底部不規則，內部存在氧化鐵皮；兩處裂紋均在加熱過程發生脫碳現象并遺傳至成品。

圖10 鑄坯深裂紋對應的圓鋼表面缺陷微觀形貌100×

喻海良等認為裂紋在軋制過程中同時受到拉應力和壓應力作用，壓應力使裂紋趨于閉合，拉應力導致裂紋擴展［5］。軋制過程中鑄坯表面裂紋情況分為以下3種情況：

①軋制時，裂紋處金屬處于壓應力狀況，裂紋會逐漸閉合，裂紋邊部發生接觸，當裂紋邊部未發生氧化時，在高溫下產生原子遷移，實現了局部區域的裂紋軋合，隨著軋制道次的增多，裂紋會完全閉合，如圖11a 所示。②若在壓應力狀態下，裂紋末端只發生了部分冶金結合，而未閉合部分裂紋軋制過程中被“拉開”，隨著軋制道次增多，裂紋表面演變為軋材表面，而裂紋末端則發生冶金結合，這兩種情況都可使裂紋發生軋合，如圖11b 所示。③若裂紋表面所受的拉應力將裂紋完全拉開，隨著軋制道次的增加，裂紋有可能完全演變為軋材表面，或進一步擴展，保留在成品上，影響產品質量，如圖11c所示［6］。

圖11 軋制過程中鑄坯表面裂紋演變機制

4 結 論

4.1 鑄坯表面劃傷的深度遺傳性較強，而寬度影響則不明顯，劃傷缺陷在加熱時會被氧化消失，危害程度減輕；劃傷深度一定時，成品表面裂紋會隨著變形量的增加而減小。劃傷深度＞2 mm時會在圓鋼表面留下一定深度的裂紋。

4.2 鑄坯渣溝缺陷遺傳性較強，同時渣溝處會伴生內部裂紋及夾雜物，軋制后形成折疊缺陷，被氧化鐵皮覆蓋后不易檢驗，影響下游用戶加工，需清除缺陷后軋制。

4.3 對于內部無夾雜的表面結疤，在軋制過程中缺陷在軋制方向上逐漸被拉長，隨著軋制道次增多，結疤深度變淺。軋制不同規格圓鋼時對鑄坯表面結疤深度要求不同，軋制規格越大，對鑄坯表面質量要求越嚴格。

4.4 鑄坯裂紋會在圓鋼軋制過程產生對應缺陷，但裂紋深度＜2 mm時會被氧化消失。深度裂紋根據其氧化及受力情況其演變機制不同。