刀具鋼酸洗斷裂原因分析及改進措施

亓欣華，李 峰，王俊海，吳月龍，郭燕喜

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 271100）

隨著市場對不銹鋼品種多元化、品質高端化的需求，高端不銹鋼刀具越來越受青睞，刀具鋼具有色澤光亮、硬度高、良好耐磨性和耐蝕性等特點，成為高端刀具的主要原材料之一，但在連續酸洗線進行生產時易發斷帶事故而導致生產中斷，嚴重制約生產效率的提升。

1 斷帶原因分析

1.1 斷帶缺陷宏觀描述

罩式退火后的刀具鋼鋼帶在連續酸洗線進行生產時易發生開裂缺陷，斷帶主要分為兩種：一種是鋼帶與鋼帶銜接的焊縫位置開裂導致斷帶；另一種是鋼帶母材位置處發生斷裂，該類斷裂一般出現在焊縫附近位置，開裂為不規則的斷裂形態。出現斷帶事故后需緊急停機進行斷口對接、補焊，嚴重影響酸洗線的生產節奏，同時會導致酸洗槽停留的部分鋼帶出現過酸洗、酸斑等缺陷。

為查明缺陷原因，前往生產一線取得樣品2組。一組沿焊接的母材處開裂，并將焊縫補丁折斷，在焊縫處呈直線性裂開；另一組靠近焊縫位置的母材處發生不規則斷裂，斷裂沿著邊部向板寬脆斷，斷口形貌光滑，鋼帶中間部位未發現分層現象。

1.2 化學成分檢測結果

取樣后使用直讀光譜儀進行化學成分檢測，結果見表1。各元素成分含量均符合控制要求范圍，但碳含量處于控制范圍的上限。使用氧氮分析儀進行氧氮氣體成分檢測，發現氧含量［O］為0.0186%、氮含量［N］為0.066%。

表1 化學成分檢測結果（質量分數） %

1.3 夾雜物和金相分析結果

在斷口附近截取縱向樣品，磨制、拋光后進行非金屬夾雜物檢測，結果見圖1。檢測面存在少量的B類和D類夾雜物，級別均為0.5級，夾雜物級別較低。

圖1 非金屬夾雜物檢測結果

分別在正常部位、撕裂斷口部位和剪切邊部位截取橫向樣品，磨制、拋光經三氯化鐵溶液腐蝕后進行顯微組織觀察，結果見圖2，基體部位組織為鐵素體＋碳化物組織，靠近端口位置處存在明顯的碳化物偏析條帶。

1.4 結果分析

化學成分檢測可知，碳元素含量接近控制范圍上限，碳含量偏高在連鑄過程中會造成碳化物析出，對鋼帶冷塑性變形不利，加大酸洗過程中冷彎和矯直變形難度。夾雜物檢測可知，檢測面僅存在少量、低級別的B 類和D 類夾雜物存在，無夾雜物聚集現象，因此，斷帶與夾雜物無直接關系。顯微組織檢測可知，基體組織為鐵素體+碳化物，斷裂位置附近存在明顯的碳化物條帶分布，因碳化物條帶的存在容易引起應力集中，鋼帶在酸洗轉向輥、破鱗輥的張力作用下，極易在碳化物條帶部位出現裂紋造成酸洗斷帶。因此，組織中存在的碳化物條帶是造成斷帶的主要原因，需從消除碳化物條帶方向入手，優化工藝，消除斷帶缺陷。

2 工藝過程追溯分析

2.1 連鑄工藝

追溯連鑄工藝參數，斷帶鋼卷對應的鑄坯均為澆注第一爐次的鑄坯，拉速為0.8 m/min，中包溫度為1 495～1 515 ℃，比水量0.8～1.05 L/kg，鑄坯下線后，立即將板坯吊運至緩冷區域進行緩冷。經統計分析，發現比水量低于0.9 L/kg 的爐次對應鋼帶均出現不同程度的母材斷帶缺陷。

2.2 軋制工藝

追溯軋制工藝參數，軋制前緩冷鑄坯出坑轉序至軋制工序，轉序紅坯表面溫度不低于500 ℃，鑄坯轉序后直接入加熱爐，加熱溫度在1 220～1 240 ℃，出鋼溫度在1 210～1 230 ℃，駐爐時間在220 min，精軋開軋溫度≥980 ℃，精軋終軋溫度≥850 ℃，關鍵參數均在工藝控制范圍內，同一批次軋制的鋼帶，沒有明顯斷帶規律。

2.3 罩退工藝

為提高刀具鋼的性能，罩式退火采取了不同退火工藝，退火溫度840～850 ℃，保溫時間23～26 h，檢測性能屈服強度500～550 MPa，抗拉強度690～730 MPa，伸長率25%～32%，硬度＜98 HRB，各項性能均符合標準。追溯斷帶鋼卷對應的退火工藝，分布在不同退火溫度，認為刀具鋼母材斷帶與罩退工藝沒有明顯的對應關系。

2.4 酸洗焊接工藝

跟蹤刀具鋼焊接控制，選擇同等厚規格的06Cr13不銹鋼鋼帶與刀具鋼鋼帶穿插酸洗和銜接，按酸洗計劃編排實施鋼種交替酸洗的原則，用開卷機開卷剪去帶頭、帶尾，剪除長度≮300 m，將刀具鋼鋼帶與410S 不銹鋼鋼帶在焊接部位壓緊對接焊接，焊接電流控制在270～300 A，焊槍速度為600 mm/min，焊縫均勻無結瘤，焊縫表面平滑，焊縫連接部位再用304 材質補丁將兩個鋼種的鋼帶進行再次連接，采用補丁長度270～300 mm、寬度80 mm，補丁的焊接電流在220～260 A，補丁錯位焊接，補丁焊好先空冷4～5 min，再開啟霧化水冷卻模式至常溫，焊縫溫度在60～75 ℃時停止冷卻開始運行沖套。

針對焊縫部位及補丁折斷形貌，結合焊接、冷卻等相關控制參數，焊縫斷裂位置處于刀具鋼母材與06Cr13焊接處，分析認為焊縫斷裂是冷卻速度過快、冷卻強度大造成焊縫組織急冷，降低了鋼帶焊接部位的塑性。

3 改進措施

3.1 優化成分控制

鋼中碳、氮含量是影響鋼帶強度和塑性關鍵元素，鋼水成分的均勻和鋼水純凈度也是影響鋼帶質量的重要因素。刀具鋼屬于中高碳鋼不銹鋼，碳含量偏差和鑄坯冷卻不當極易造成鑄坯的碳化物析出，碳化物一旦形成，在后續的軋制和退火工序很難消除。為此，在冶煉方面提高鋼水純凈度和成分的均勻性，實施窄成分控制，提高GOR爐的出鋼碳成分一次命中率，減少GOR 爐出鋼和精煉過程補加碳粉的概率，LF 吹氬時間控制在20～25 min，均勻鋼水成分和溫度，為穩連鑄生產創造好條件。

3.2 改善鑄坯冷卻制度

優化電磁攪拌輥的控制參數來抑制鑄坯組織偏析，在不影響結晶器液面波動的情況下，電磁攪拌參數電流由250 A調整到300 A，頻率由4.0 Hz調整至5.0 Hz，提高鑄坯等軸晶比例，有效改善鑄坯組織偏析和碳化物的析出。

斷帶鋼卷對應鑄坯主要是開產時的鑄坯，起步拉速慢，冷卻強度低。為此，逐步優化開產爐次冷卻強度，在保證坯殼厚度的情況下，結晶器寬邊水量控制在2 500～2 600 L/min，窄邊水量控制在300～350 L/min，進出水溫度控制在6～8 ℃，快速提升拉速，在提速的同時適當加大一冷、二冷水比水量。結合鋼種凝固特點，在鑄坯凝固末端實施強冷，比水量控制在0.9 L/kg 以上，有效改善鑄坯中心疏松和中間偏析缺陷。

為提高鑄坯緩冷質量，規范鑄坯的緩冷和修磨，生產中重點管控調度，紅坯下線后快速進緩冷坑，坯溫控制在500 ℃以上，嚴格按照鋼種緩冷曲線實施。

3.3 降低焊縫冷卻強度

優化鋼帶焊接，根據鋼帶厚度選擇合適的焊接電流和焊槍速度，焊縫、補丁的冷卻方法采用空冷5～6 min，再熱水霧化冷卻2～3 min降低冷卻強度，再冷水霧化間斷式冷卻2 min，然后用壓縮空氣吹干水分，焊縫緩慢冷卻至60～70 ℃開始運行，有效地改善焊縫的冷卻強度。另外在焊縫和補丁的裂紋敏感區域打小孔等措施來消除焊接產生的熱應力，阻止裂紋的進一步擴展。

3.4 實施效果

通過措施的實施，刀具鋼焊縫脆斷和母材開裂缺陷得到有效控制，檢測發現退火后的刀具鋼帶條帶明顯改善，鋼帶性能穩定，酸洗得到持續運行。

4 結 語

鋼帶組織中存在的碳化物條帶是刀具鋼在酸洗線生產時斷帶的主要原因，消除此類缺陷，應采取以下措施：（1）提高冶煉出鋼一次成分命中率，實施窄成分控制，碳含量按鋼種的中限控制。（2）改善鑄坯冷卻制度，提高板坯內部組織和等軸晶比例，優化二冷配水，抑制鑄坯的碳化物析出。（3）降低焊縫冷卻強度，采取緩慢冷卻方式，消除焊接產生熱應力。