冷鐓鋼SWRCH35K盤條開裂原因分析及解決措施*

陸繼歡，陶群南，趙滿堂，史 楊，林作津，劉志勇

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

冷鐓鋼的變形抗力是衡量緊固件用冷鐓鋼的一個重要性能[1]。冷鐓鋼盤條必須具有良好的冷鐓、冷擠壓等成型性，加工過程應(yīng)盡可能的具備較高的冷變形能力[2]。緊固件對冷鐓盤條的表面裂紋、盤條機(jī)械劃傷、內(nèi)在非金屬夾雜物質(zhì)量、化學(xué)成分和金相組織的均勻性、冷加工性能和尺寸精度都有很高的要求。冷鐓鋼質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為冷鐓樣品表面開裂，并且最嚴(yán)重是質(zhì)量問題同樣為冷鐓開裂，部分冷鐓品種鋼開裂比例高達(dá)20%[3]。

緊固件用SWRCH35K熱軋盤條具有冷鐓冷擠壓成型性能好、抗疲勞性能優(yōu)、熱處理操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此緊固件用SWRCH35K熱軋盤條的開發(fā)及生產(chǎn)得到了眾多鋼鐵企業(yè)的重視。在生產(chǎn)過程中也存在不同程度的力學(xué)性能和工藝性能不夠穩(wěn)定、冷鐓開裂、材質(zhì)硬度不均勻等質(zhì)量問題，某公司生產(chǎn)的SWRCH35K同樣出現(xiàn)盤條開裂現(xiàn)象，從坯料進(jìn)入加熱爐開始跟蹤當(dāng)批材料，發(fā)現(xiàn)過程軋件1#剪頭尾剪切試樣、成品盤條試樣存在裂紋缺陷，對此進(jìn)行宏觀特征、金相檢測檢測分析并制定了整改措施，盤條表面開裂得到明顯改善。

1 生產(chǎn)工藝路線

某公司生產(chǎn)工藝路線：高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF精煉→10機(jī)10流（180×180） mm2連鑄坯→鑄坯緩冷→鑄坯外觀檢驗→高線加熱爐加熱→高壓水除磷→高線軋制→斯泰爾摩風(fēng)冷線→盤圓打包入庫。SWRCH35K鋼化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 SWRCH35K鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical component of SWRCH35K steel %

2 盤條裂紋缺陷原因分析

在生產(chǎn)檢驗中發(fā)現(xiàn)SWRCH35K盤條1/2冷頂鍛合格率較其它系列冷鐓鋼低，廢品較多，給生產(chǎn)順行造成較大影響。生產(chǎn)檢驗中檢驗情況如表2所示。

表2 冷鐓鋼SWRCH35K頂鍛合格率Tab.2 The qualified rate of SWRCH35K top forging of cold heading steel

該鋼種生產(chǎn)檢驗中，發(fā)現(xiàn)盤條1/2冷頂鍛開裂及盤條表面酸洗裂紋的現(xiàn)象，為研究其產(chǎn)生的原因，多次跟蹤盤條軋制過程，有針對性的從SWRCH35坯料進(jìn)入高線車間加熱爐開始跟蹤，發(fā)現(xiàn)過程軋件1#飛剪頭尾剪切試樣、2#飛剪頭尾剪切試樣、3#飛剪頭尾剪切試樣、成品盤條試樣存在裂紋缺陷，對此進(jìn)行宏觀特征、金相檢測檢測分析。

2.1 軋件裂紋原因分析

1）軋件裂紋宏觀特征。檢查粗軋機(jī)組后1#飛剪所剪切的軋件料頭，其表面存在裂紋缺陷，裂紋為間斷性裂紋，裂紋通常沿軋制方向的某個面不規(guī)則分布，裂紋宏觀形貌如圖1所示；

圖1 軋件裂紋宏觀形貌Fig.1 The macroscopic feature of rolled parts'cracking

2）軋件裂紋顯微特征。沿軋件橫截面截取裂紋試樣，經(jīng)鑲嵌后進(jìn)行橫截面研磨、拋光后，在顯微鏡下觀察未腐蝕裂紋試樣，發(fā)現(xiàn)裂紋深度1 231.46 μm，見圖2（a），經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，檢測其金相組織，其過程軋件樣品金相檢測顯微組織為正常珠光體+塊狀鐵素體，軋件表面裂紋周圍存在有明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，見圖 2（b）；

圖2 軋件裂紋試樣顯微組織Fig.2 The microscopic structure of rolling cracking sample

3）軋件裂紋原因分析。通過對軋制過程的軋件裂紋缺陷的顯微組織觀察及分析，軋件表面裂紋存在脫碳現(xiàn)象，根據(jù)金屬材料塑性變形理論及軋制過程組織變化的規(guī)律，可以得出完好無缺陷坯料在加熱爐內(nèi)加熱后軋制，不足以使軋件裂紋附近產(chǎn)生脫碳，由此說明連鑄方坯表面本身存在裂紋，鑄坯經(jīng)過高線車間加熱爐高溫加熱后，軋件裂紋周圍產(chǎn)生氧化脫碳，經(jīng)軋制無法消除，導(dǎo)致軋件裂紋。可以判斷粗軋機(jī)組后1#飛剪所剪切的軋件裂紋的主要是由于鑄坯裂紋所致。

2.2 成品盤條裂紋原因分析

1） 宏觀特征。熱軋SWRCH35K盤條試樣經(jīng)過1/2冷頂鍛檢驗，頂鍛試樣發(fā)現(xiàn)開裂，為了確定盤條表面裂紋和盤條的1/2冷鐓開裂的對應(yīng)關(guān)系，首先，對開裂盤條成品試樣表面進(jìn)行酸洗，酸洗溶液配比按鹽酸與水1∶1配制，加熱到（68～75） ℃，酸洗（8～10） min。酸洗后去除表面氧化鐵皮的盤條試樣表面開裂形貌如圖3所示。發(fā)現(xiàn)頂鍛的開裂試樣，對應(yīng)的盤條表面均有沿軋制方向的間斷性裂紋缺陷，裂紋的產(chǎn)生方向與盤條試樣的軸向方向平行，并且單條的連續(xù)裂紋的位置與冷頂鍛后開裂區(qū)的鼓肚上的裂紋位置一致。檢測的結(jié)果初步說明，酸洗后軋材表面裂紋與頂鍛開裂試樣有明顯的對應(yīng)關(guān)系；

圖3 盤條裂紋宏觀形貌Fig.3 The macroscopic feature of rolled parts'cracking

2）微觀特征。為保證盤條檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，截取盤條未酸洗區(qū)域進(jìn)行金相檢測，試樣經(jīng)鑲嵌后進(jìn)行橫截面研磨、拋光，在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋深度112.54 μm，見圖4（a）。裂紋試樣經(jīng)過腐蝕后（腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液），在光學(xué)顯微鏡下觀察，裂紋兩側(cè)的金相顯微組織為塊狀鐵素體+珠光體，裂紋的周圍均存在明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，見圖4（b）；

圖4 裂紋微觀特征Fig.4 The microscopic features of cracking

3） 盤條形成裂紋原因分析。通過對軋制生產(chǎn)的全過程的跟蹤和系統(tǒng)取樣分析，可以判斷盤條開裂的主要是由于鑄坯裂紋所帶來。由于高速線材的軋制速度快、時間較短不足以使盤條裂紋附近產(chǎn)生脫碳，由此表明鑄坯的表面缺陷在軋制過程中不會得到徹底消除，而是通過多道次軋制的不斷延伸，缺陷逐漸細(xì)小化，并且隨軋制道次的增加集中出現(xiàn)在軋件的某些區(qū)域，對于鑄坯裂紋缺陷在軋制過程中，隨軋件壓下量和延伸量的增加盤條表面裂紋會逐漸得到緩解，在成品盤條的表面一般不會表現(xiàn)出來；若鑄坯裂紋比較深，在成品盤條表面最終會有裂紋生產(chǎn)[4]。

3 鑄坯裂紋產(chǎn)生的原因分析

對鑄坯表面經(jīng)帶鋸沿距離表面（10～15） mm位置鋸切，將切下來的鑄坯表面切片酸洗去除鑄坯表面氧化皮（如圖5（a）），鑄坯表面質(zhì)量進(jìn)行跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)鑄坯角部酸洗后存在較多裂紋，裂紋缺陷樣品經(jīng)切割、鑲嵌、研磨、腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下檢測裂紋深度（如圖5（b）），其深度1 994.81 μm，裂紋周圍存在脫碳現(xiàn)象。從裂紋高倍分析有脫碳，說明裂紋主要還是源于結(jié)晶器或二次冷卻。

圖5 裂紋特征Fig.5 Features of cracking

為了找出鑄坯角部裂紋產(chǎn)生的主要原因，對生產(chǎn)過程跟蹤統(tǒng)計分析：

1）結(jié)晶器冷卻水水流量控制、結(jié)晶器進(jìn)出水溫差控制及出水溫度控制、鋼水過熱度控制等綜合統(tǒng)計分析，結(jié)晶器冷卻水的水流量為（120～125） m3/h，結(jié)晶器的進(jìn)出水溫度之差控制在（6.8～7.5）℃左右，同時結(jié)晶器的出水溫度控制在40℃以內(nèi)，均符合生產(chǎn)工藝要求；

2） 鋼水的過熱度要求控制范圍為（25～35）℃，但實際生產(chǎn)控制中，鋼水過熱度波動范圍較大，實際過熱度為（15～50）℃，過熱度變化大，為了生產(chǎn)順行，只能通過調(diào)整拉速來適應(yīng)生產(chǎn)，拉速變化頻繁。過高的過程鋼水澆鑄溫度，使得凝固的坯殼減薄，高溫的鋼水沖刷侵蝕著凝固坯殼，尤其是出現(xiàn)了浸入式水口未對中時，造成連鑄坯坯殼局部侵蝕得比較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致坯殼厚度不均勻且在鋼水的靜壓力作用下，而產(chǎn)生鑄坯角部的表面裂紋；

3）連鑄坯表面星狀裂紋、網(wǎng)狀裂紋、角部裂紋的產(chǎn)生與結(jié)晶器保護(hù)渣的理化指標(biāo)有著密切相關(guān)，熔化速度過慢或者過快，均會導(dǎo)致相對應(yīng)的液渣層過薄或者過厚，渣膜分布不均勻而出現(xiàn)鑄坯角部裂紋[5-6]。

針對以上情況，對煉鋼工序進(jìn)行加強(qiáng)控制，減少鑄坯裂紋的生成。

4 裂紋的控制措施

為了降低和防止連鑄方坯角部表面裂紋的產(chǎn)生，采取了以下控制裂紋產(chǎn)生的措施：

1）通過精煉工序?qū)︿撍线B鑄的鋼水溫度進(jìn)行調(diào)整，降低鋼水連鑄過程的過熱度，過熱度波動范圍控制在（25～35） ℃，穩(wěn)定連鑄工序生產(chǎn)節(jié)奏，中間包使用雙層覆蓋劑，全程大包套管氬封保護(hù)澆注；

2）結(jié)晶器影響主要在于弱冷。弱冷從結(jié)晶器水流量走中下限、提高保護(hù)渣填充均勻性和控制傳熱能力兩方面入手。結(jié)晶器冷卻水流量在原來結(jié)晶器冷卻水流量為（120～125）m3/h的基礎(chǔ)上降低15 m3/h，調(diào)整后的結(jié)晶器冷卻水流量為（105～115） m3/h；

3）生產(chǎn)過程出現(xiàn)液面異常波動時，對應(yīng)鑄坯進(jìn)行切除判廢，杜絕異常坯料流入軋制工序。

在接下來的時間對以上措施的實施及后續(xù)生產(chǎn)的盤條質(zhì)量進(jìn)行跟蹤，生產(chǎn)SWRCH35K鑄坯121爐，未再出現(xiàn)因鑄坯裂紋導(dǎo)致的盤圓冷鐓鋼開裂的問題，說明以上相應(yīng)的解決措施，對提高盤條質(zhì)量取得了良好的效果。

5 結(jié)語

1）SWRCH35K盤條表面裂紋主要是由于鑄坯表面裂紋在軋制過程無法消除造成；

2）鑄坯表面裂紋在軋鋼工序沒有完全消除，造成盤條表面裂紋，而導(dǎo)致1/2冷鐓開裂；

3）通過合理控制精煉工序鋼水溫度、連鑄工序結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度、連鑄異常坯剔除等措施，可以有效控制鑄坯表面裂紋缺陷，給軋制工序生產(chǎn)提供表面質(zhì)量合格的坯料，從而解決了盤條裂紋的問題。