Q355B角部橫裂紋產生原因及其控制

鐘 鵬，毛 鳴，范海寧

(馬鋼股份公司制造管理部 安徽馬鞍山 243011)

近年來，為了調節奧氏體的晶粒尺寸以及鐵素體的析出行為，提升鋼的強度，通常會在鋼中添加Nb、Ti等微合金元素。然而微合金鋼在連鑄過程中經常會出現角部橫裂紋，尤其是碳當量在0.08%-0.20%的包晶鋼、亞包晶鋼具有很強的裂紋敏感性。同時連鑄板坯角部屬于二維傳熱，凝固條件相對復雜，傳熱均勻性較難控制，容易產生角部橫裂紋。如果角部橫裂紋在精整庫不予以清除，會造成熱軋帶鋼邊裂缺陷，如圖1。而隨著生產率的提高與熱送熱軋率增加的需求，鑄坯角部橫裂紋成為影響鋼廠生產工序順行的重要缺陷，因此防止鑄坯角部橫裂紋越來越被企業重視。

圖1 熱軋卷邊裂形貌

針對角部橫裂紋，國內外科研機構和鋼廠進行了大量研究，MintZ等研究了鋼熱塑性的影響因素，發現N易于和Ti、Nb等元素形成化合物質點沉積在奧氏體晶界，弱化了鋼的熱塑性，促進鑄坯角部橫裂紋的發生。Takeuch認為微合金在鋼中容易產生小裂紋，頂彎、矯直以及對弧偏差均會造成拉應力超過鑄坯的抗拉強度，造成裂紋的繼續擴展。Harada等人的研究認為振痕底部晶界偏析是造成橫裂紋的起源，同時由于振痕凹坑處傳熱緩慢，造成的粗大的奧氏體晶粒，進一步惡化了鋼的塑性，同時Penar等人研究認為產生角部橫裂紋的臨界奧氏體直徑約為1 mm。

Q355B具有較高的強度，廣泛應用于汽車、船舶、建筑、壓力容器、特種設備等，作為低合金鋼，其裂紋始終難以控制。筆者所在的鋼廠從結晶器改造、保護渣特性、振動曲線優化、二冷水優化以及設備精度控制等方面做了大量研究，均未徹底解決。本文研究了Q355B鑄坯角部裂紋產生的原因，在此基礎上進行了成分優化，在保證產品性能和降低成本的條件下，徹底消除了Q355B的角部橫裂紋，實現了該鋼種的熱裝熱送。

1 熱軋板Q355B角部裂紋特征

1.1 工藝流程

Q355B的冶煉工藝流程：鐵水預處理→轉爐冶煉→LF精煉→連鑄。

1.2 試驗方法

試驗所用Q355B的成分如表1。

表1 Q355B原化學成分/(%)

對下線板坯切角(10 mm*10 mm*800 mm)，用銑床銑掉表層，見圖2，然后在裂紋處取15 mm*15 mm*20 mm試樣，經打磨、拋光，用5%的硝酸酒精熱溶液對試樣表面侵蝕后，用光學顯微鏡觀察裂紋的擴展情況，結果見圖3，試樣表面有深約0.9 mm的裂紋，裂紋全貌見圖3，裂紋內部有斷續的氧化物質點，裂紋處組織為鐵素體+珠光體組織，裂紋兩側有明顯的脫碳現象。

圖2 Q355B鑄坯角部裂紋

圖3 試樣裂紋

2 角部橫裂紋成因分析

2.1 鋼水成分的影響

上述鋼水成分CP(碳當量)為0.15 ppm，式(1)出示了低合金鋼碳當量的計算公式，當CP處在包晶反應區，澆注過程中會在結晶器彎月面下部發生包晶反應(LB+ δH→AJ),使坯殼向中心收縮(收縮率高達0.38%),與結晶器形成氣隙，阻礙熱流傳播，不利于坯殼生長，致使坯殼減薄，同時由于坯殼回溫，綜合導致原始奧氏體粗大，如圖4，加上晶間偏析，會成為裂紋敏感源，在澆注過程，頂彎和矯直，會加劇裂紋擴展。

CP=(%C)+0.02(%Mn)+0.04(%NI)-0.1(%Si)-0.04(%Cr)-0.1(%Mo)-0.1(%S)

(1)

2.2 晶粒組織的影響

對鑄坯進行金相組織觀察，觀察發現鑄坯基體組織以鐵素體和珠光體為主，在鑄坯原始奧氏體晶界處有大量的鐵素體析出，并在晶界處連接成片形成膜狀鐵素體帶，其形貌如圖所示，其中圖5(a)展示了原始奧氏體的局部形貌,箭頭是沿晶鐵素體形貌，圖5(b)是沿晶鐵素體的局部放大圖，鐵素體膜寬度在15 μm-30 μm范圍內。

圖4 結晶器坯殼生長示意圖

圖5 缺陷處析出物形貌及成分

包晶鋼在連鑄過程，角部屬于二維冷卻，當溫度降到A3溫度以下，由于晶界質點排列取向紊亂，自由能高，加之結構疏松，晶界會成為原子或離子的擴散的快速通道，因此鐵素體優先在晶界處形核，隨著溫度降低，鐵素體逐漸長大，相互之間連接，最終在奧氏體周圍形成沿晶鐵素體膜。鐵素體與工業純鐵大致相同，硬度偏低，約為奧氏體的1/4,在彎曲和矯直的過程，容易發生應力集中，造成鑄坯角部裂紋。

綜合上述原因分析，認為該鋼種鑄坯角部橫裂紋的產生是由于鋼種成分處于包晶范疇，澆注過程，體積收縮，造成坯殼脫離銅板，產生氣隙，坯殼回溫，奧氏體長大，同時由于晶間偏析和先共析鐵素體膜的存在，共同引起裂紋的產生。

3 采取措施

3.1 成分設計原理

筆者所在的鋼廠在結晶器改造、保護渣特性、振動曲線優化、二冷水優化以及設備精度控制等方面做了大量工作，雖然角部裂紋得到相對改善，但始終沒有徹底消除。本次試驗是在保證客戶使用性能的前提條件下，我們依照M.wolf等使用鐵素體量FP(ferrite potenial)來評價包晶鋼的裂紋敏感性，通過設計鋼水成分來優化FP，鐵素體量區間在0.85-1.05時裂紋敏感性最強。

M.Wolf依據式(1)、式(2)來計算CP、FP，鐵素體當量與裂紋敏感性的關系如圖6所示。

FP=2.5(0.5-CP)

(2)

式中，FP：理論鐵素體量；CP:包晶鋼碳當量。

3.2 成分優化

為了避免發生包晶反應，產生坯殼劇烈收縮，試驗過程盡量調整鋼水目標成分偏離包晶區，成分設計使CP控制在0.08%以下，如表2所示，由于C元素的降低造成的強度不足，通過補加Ti、Nb合金來彌補。調整后的CP值由原先的0.15降到0.05，FP由0.875調整到1.125，避開強裂紋敏感區。

表2 Q355B成分調整后化學成分/(%)

圖6 裂紋敏感性和鐵素體量的關系

對澆注的鋼種進行角部酸洗分析，鑄坯未發現角部裂紋，如圖7所示，總共試驗130爐Q355B，共軋制出熱軋卷1380個，總重37866.35 t。其中試驗爐次35爐，共軋制出382個熱軋卷；原成分爐次95爐，軋制出998個熱軋卷。

表3 鑄坯軋制后改判情況

試驗爐次有16個熱軋卷因夾渣、卷形、溫度不符、性能不符、異物壓入等原因而改判，其中有2卷因性能不符改判，未出現因裂紋改判的情況；原成分爐次有19個熱軋卷因分層邊裂、卷形、性能不符而改判，其中因性能不符改判14卷，因裂紋改判1卷。

圖7 優化后鑄坯角部照片

3.3 熱軋產品性能

為進一步檢驗成分調整后的產品性能，對試驗成分和原成分熱軋卷的屈服強度、抗拉強度、延伸率等性能過程控制能力進行了對比，產品各性能相當且滿足技術條件要求。如表4所示。

表4 熱卷性能對比

成分優化后，Q355B鑄坯均可以不清理直接軋制，雖然優化后增加了合金成本，但是鑄坯清理成本，物流倒運成本均減少，同時增加了熱裝熱送，總計節約噸鋼成本可達23.9元/噸。

4 結論

通過金相顯微鏡和掃描電鏡對原成分鑄坯微觀組織、裂紋形貌進行觀察和分析，認為原始奧氏體粗大和先共析鐵素體膜是引起裂紋發生的主要因素。

成分優化調整后，鑄坯徹底消除了連鑄坯角部橫裂紋，實現了不清理直接軋制，滿足熱裝熱送條件。

試驗成分鑄坯與原成分鑄坯生產的熱軋卷的性能相當，滿足成品的性能要求。