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某鋼廠生產(chǎn)的鋼板表面經(jīng)常出現(xiàn)星形裂紋，其為一種類似于簇狀或不閉環(huán)多邊形等形狀的較為復(fù)雜、深淺不一、清晰可見的裂紋。該類裂紋一般沿軋制方向呈帶狀分布，密集程度不均勻。對于較淺的星形裂紋，可以用機(jī)械方式修磨，對于有較深星形裂紋的鋼板，可以直接判為廢品。來自福建三鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司的童云峰采用一系列理化檢驗(yàn)方法對該類裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。

 

01 理化檢驗(yàn)

 

1.1 宏觀觀察

 

      如果鑄坯表面存在氣泡，經(jīng)軋制后，在鋼板表面就會(huì)產(chǎn)生星形裂紋，用鹽酸水溶液熱酸洗鋼板試樣，觀察鋼板星形裂紋的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)表面裂紋大部分閉合且呈水滴狀，閉合環(huán)內(nèi)略有塌陷，部分裂紋呈鉤狀，鉤內(nèi)側(cè)略有塌陷(見圖1)。塌陷的形態(tài)呈水滴狀、橢圓、無規(guī)則閉環(huán)等。

 

 

      如果鑄坯表面存在晶間裂紋，經(jīng)軋制后，在鋼板表面也會(huì)產(chǎn)生星形裂紋。用鹽酸水溶液熱酸洗鋼板試樣，觀察鋼板星形裂紋的宏觀形貌。試樣表面裂紋大部分閉合，開口方向不一致，多邊形特征明顯(見圖2)。

 

 

 

     如果鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)(如Cu，Sn，Pb等)選擇性氧化或其含量高，經(jīng)軋制后，鋼板表面也會(huì)產(chǎn)生星形裂紋，裂紋的多邊形特征最為明顯，一般無鉤狀特征，其形態(tài)類似皸裂(見圖3)。

 

 

 

1.2 金相檢驗(yàn)

 

      用光學(xué)顯微鏡觀察鑄坯表面存在氣泡的鋼板試樣，發(fā)現(xiàn)星形裂紋缺陷尾部圓鈍，缺陷處干凈，周圍無氧化原點(diǎn)(見圖4)。用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，發(fā)現(xiàn)缺陷處組織為鐵素體+珠光體，且明顯觀察到兩側(cè)組織晶粒大小不均(見圖5)。

 

 

     用光學(xué)顯微鏡觀察鑄坯表面存在晶間裂紋的鋼板試樣，發(fā)現(xiàn)在裂紋周圍基體中存在大量二次氧化顆粒，而鋼板表面未發(fā)現(xiàn)二次氧化顆粒。經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，發(fā)現(xiàn)裂紋處組織為鐵素體+珠光體，存在脫碳現(xiàn)象(見圖6)。

 

      對鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高的鋼板試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋深約0.07mm，并向內(nèi)延伸至0.51mm處，在裂紋周圍基體、裂紋延伸處均存在大量二次氧化顆粒。用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，發(fā)現(xiàn)裂紋頭部組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，存在脫碳現(xiàn)象(見圖7)。

 

 

 

 

1.3 能譜分析

 

     對鑄坯表面存在晶間裂紋的鋼板試樣進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)裂紋周圍基體中存在二次氧化顆粒，其主要為含錳和硅的氧化顆粒(見圖8)。

 

 

     對鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高的鋼板試樣進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)裂紋處存在低熔點(diǎn)元素Cu富集(沿著試樣表面裂紋的方向延伸聚集)(見圖9)。裂紋周圍基體及裂紋延伸處均存在大量二次氧化顆粒，主要為含錳和硅元素的氧化顆粒(見圖10)。

 

 

02  綜合分析

 

      對于鑄坯表面存在氣泡的鋼板試樣，其顯微組織的形態(tài)特征為周圍無氧化原點(diǎn)，兩側(cè)組織的晶粒大小不同。說明缺陷為淺表層缺陷，其在軋制時(shí)破裂，造成缺陷兩側(cè)組織的晶粒大小不同。一般鑄坯距離皮下10mm范圍內(nèi)的氣泡在軋制過程中會(huì)傳到鋼板表面并形成缺陷。小氣泡在后續(xù)軋制過程中可以愈合，而大氣泡則很難愈合。淺層的皮下氣泡在軋制過程中破裂形成星形裂紋；皮下很淺的氣泡在鑄坯加熱時(shí)，因燒損而被消除；皮下較深的氣泡在軋制過程中無破裂現(xiàn)象產(chǎn)生，也不會(huì)形成星形裂紋。皮下氣泡在軋制過程中，形狀由原來的球形、橄欖形變得扁平，且距表面越來越近，最終破裂形成星形裂紋。星形裂紋形成后，如軋制過程還在持續(xù)，則部分缺陷會(huì)被軋合。

 

      對于鑄坯表面存在晶間裂紋的鋼板試樣，裂紋周圍基體中存在二次氧化顆粒，腐蝕后裂紋處組織存在脫碳現(xiàn)象。能譜分析結(jié)果表明：這些氧化物主要為含硅和錳的氧化顆粒。二次氧化顆粒的形成十分緩慢，必須將鋼板置于高溫下，且較長時(shí)間放置于有氧的環(huán)境中。如果鋼板處于高溫環(huán)境的時(shí)間較短，就只能在表皮形成氧化鐵。如果精軋和粗軋持續(xù)的時(shí)間較短，就不能生成二次氧化顆粒。同時(shí)，由于軋制過程中鋼板的表面處在氧含量高的環(huán)境下，因此迅速生成了氧化鐵保護(hù)膜，阻止了氧氣的進(jìn)入，不能產(chǎn)生二次氧化顆粒。這也可以證明，二次氧化顆粒不是在軋制過程中產(chǎn)生的，而是在加熱爐內(nèi)長時(shí)間放置產(chǎn)生的，因此該類星形裂紋為鑄坯上的晶間裂紋。

 

      對于鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高的鋼板，由能譜分析結(jié)果可知：裂紋處發(fā)現(xiàn)低熔點(diǎn)元素Cu富集，就說明該裂紋的產(chǎn)生與Cu元素富集有關(guān)。

 

     熱軋鋼材表面及次表面的Cu元素富集包含兩種機(jī)制：一是選擇性氧化，選擇性氧化的機(jī)理是鋼基體中Cu元素含量較高，當(dāng)鋼坯處在高溫時(shí)，由于Cu元素較Fe，Si，Mn等元素活潑性差，Si，Mn，F(xiàn)e等元素首先被選擇性氧化，Cu元素殘余富集于氧化鐵皮下的基體中，形成Cu元素的富集，而且Cu原子在高溫下有較高的自由能，容易向晶界擴(kuò)散并富集在初生的奧氏體晶界上；二是鋼坯表面富集Cu，富集于晶界的機(jī)理是Cu原子在高溫下有較高的自由能，容易向原子排列不整齊的晶界擴(kuò)散并富集在初生的奧氏體晶界上。

 

03  改進(jìn)措施

 

     (1) 減少鑄坯皮下氣泡破裂形成的鋼板星形裂紋的措施為：首先應(yīng)該通過檢測鋼坯中的氣體總量來判斷氣泡是內(nèi)生的還是外生的。對氣體總量高引起的氣泡，應(yīng)從減少氣體總量入手(如加強(qiáng)脫氧)，從而防止在連鑄過程中因溫度降低而使氣體在鋼中逸出。對于外生氣泡，應(yīng)該考慮保護(hù)渣的干燥度及保護(hù)渣的適應(yīng)性，以避免氣體從外部進(jìn)入坯表形成皮下氣泡或針孔。

 

     (2) 減少鑄坯表面存在晶間裂紋形成的鋼板星形裂紋的措施為：判斷晶間裂紋的產(chǎn)生工序，對相應(yīng)的連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

 

     (3) 減少鑄坯表面低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高引起的鋼板星形裂紋的措施為：控制鋼中殘余元素的含量；在1100℃以上的高溫加熱區(qū)，保證爐膛呈還原性或略呈還原性，或者噴涂降低氧化的涂料，以減輕鋼基體的氧化程度；改進(jìn)連鑄工藝和提高結(jié)晶器質(zhì)量，降低結(jié)晶器鍍層的破損幾率。

 

04  結(jié)語

 

     總結(jié)了3種類型鋼板星形裂紋的產(chǎn)生原因。根據(jù)其宏觀特征、微觀特征、缺陷分布、出現(xiàn)幾率等，可區(qū)分和判別鋼板星形裂紋的特征及根源，以指導(dǎo)鋼廠快速應(yīng)對生產(chǎn)問題。