Q460GJCZ35钢宽厚板缺陷及预防措施

高 军 高 峰 赵 棪 樊立峰

(1.内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014000；2.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010000)

宽厚板生产流程较长，影响成品板质量的因素复杂[1]。在实际生产中，受设备和工艺控制等条件的限制，包钢在宽厚板质量控制方面与国内先进水平相比还存在很大差距，造成宽厚板性能不稳定[2]。与国外同钢号同规格钢板相比，我国宽厚板的成分和性能控制的离散度大，性能不稳定；钢质不纯，硫、磷、氢含量高，波动范围大；晶粒度和组织不均匀，钢板中经常出现夹杂、偏析等缺陷，钢板的内部缺陷会导致最终产品存在安全隐患，影响使用寿命[3- 4]。利用超声波探伤可检测出宽厚板的内裂、偏析、非金属夹杂物、严重粗晶等缺陷。本文通过控制精炼、连铸、轧制和冷却等关键工序，研究影响宽厚板质量的主要因素。

1 试验材料与方法

试验材料是厚度为35 mm的Q460GJCZ35钢热轧板。在实验室进行超声波探伤，利用超声波将缺陷部位的探伤波形锁定，与解剖后的试样进行对照，找出宽厚板中夹杂物、偏析、带状组织和中心裂纹等缺陷与探伤波形的关系。将制备的金相试样用硝酸酒精溶液浸蚀15～20 s，清洗并干燥，在光学金相显微镜下观察分析。采用德国LEO50HV型扫描电镜观察微观组织，用美国EDAX能谱仪进行成分分析。测定试样的硬度。

2 结果与讨论

超声波探伤仪显示，缺陷出现在钢板宽度的1/4处和板厚的中心部位。图1、图2分别为试样的探伤波形和低倍组织，缺陷主要位于钢板心部。由于轧制过程中钢板冷却过快，导致产生缩孔等缺陷。随着钢板厚度的增加和压缩比的减小，缺陷增多。

图1 试样的超声波探伤波形Fig.1 Flow detection waveform of the sample

图2 试样的低倍组织Fig.2 Macrostructure of the sample

测定了不合格宽厚板中心异常部位的硬度，结果如表2所示，钢板中心存在严重的成分偏析，导致相变曲线右移，因轧后快速冷却而形成贝氏体和马氏体。贝氏体和马氏体硬度较高，但韧性差，易形成缺陷。

表2 不合格钢板组织的显微硬度Table 2 Microhardness of microstructures in the unqualified plate HV10

超声波探伤表明，钢板的缺陷主要位于钢板厚度的中心部位，因此对钢板中心部位进行金相分析，结果如图3所示。图3表明，合格钢板厚度中心区域的珠光体均匀，比不合格钢板的珠光体细密。由于宽厚板是中碳高锰钢，中心易出现严重的偏析带，由金相分析可知，钢板厚度中心的带状组织密集。珠光体带是碳和锰元素的富集区，而铁素体带几乎不存在碳或锰元素，连铸板坯在凝固过程中形成树枝晶， 这与铸坯冷却过程中产生枝晶间偏析的程度有关。碳、锰和硫等偏析元素在树枝晶的枝干部位含量较低，晶间部位含量较高，而且锰、硫的聚集又有利于(Mn、Fe)S夹杂物的形成，偏析带常伴有夹杂物存在，轧后在奥氏体向铁素体和珠光体转变的过程中进一步加剧了带状组织的形成[5- 6]。

图3 (a)不合格钢板和 (b)合格钢板的心部组织Fig.3 Microstructures in core of (a) the unqualified and (b) the qualified steel plates

在一些偏析严重的钢板试样中，中心带状组织中存在微裂纹，如图4(a)所示。图4(b)为微裂纹的SEM形貌。可以看出，这种微裂纹宽度为1～3 μm，长度从几十到几百μm不等。钢板试样的组织为铁素体和珠光体，但钢板的中心偏析带组织异常，并有微裂纹[7]。中心偏析带组织的微裂纹中往往存在较多的塑性夹杂物，其与基体间为低聚合力界面，结合能很低，在钢板冷却过程中，夹杂物的收缩量大于基体，其收缩过程中会产生空隙。另外，这些显微空隙处存在组织应力和热应力，易引起开裂[8]。

图5是不合格钢板中夹杂物的形貌和能谱分析结果。由图5可知，夹杂物中铝、钙和氧的含量较高，链状夹杂物主要为铝钙氧化物，硅、硫等元素的含量较少，还发现少量的镁。这些元素均为耐火材料所独有，因而可判定夹杂物是由于卷渣所致。在连铸坯凝固过程中，由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度发生变化，致使低熔点夹杂物最后凝固，在钢板中心部位形成了多层链状的大块状夹杂物。采取延长RH真空处理时间和软吹时间，以及恒速、恒液位拉钢等措施，可避免这类夹杂物产生[9]。

图4 不合格钢板心部的(a)裂纹及其(b)SEM形貌Fig.4 (a) Cracks in core of the unqualified steel plate and (b) their SEM image

图5 不合格钢板中的夹杂物的(a)形貌和(b)能谱分析结果Fig.5 (a)Morphologies and (b) EDS analysis result of inclusions in the unqualified steel plate

3 预防措施

3.1 夹杂物

采用双重挡渣来减少氧化性炉渣进入钢水；转炉出钢后向钢包内添加炉渣改质剂和适量的石灰，使炉渣由黑色向绿色过渡，使钢包内炉渣改性。在精炼炉中采用轻质、小粒度铝粒进行炉渣改质处理，使炉渣二次优化。采取热渣回收工艺缩短精炼造渣时间，实现埋弧加热，减少了钢水二次氧化，也降低了钢水增氮的概率。

炉渣经过转炉初步改性处理后，渣子碱度上升，氧化性明显降低，吸附夹杂的效果大大提高。炉渣二次优化后，其 CaO含量增加，与Al2O3结合的概率增大，即吸附Al2O3夹杂物的能力进一步加大。由表3可知，炉渣改性后，(MnO+FeO)含量降低，其总量减少到0.99%，氧化物向钢中传递的概率减小，避免了氧化物夹杂的形成。

表3 炉渣二次改性前、后的成分(质量分数)Table 3 Composition of the furnace slag before and after secondary modification (mass fraction) %

3.2 中心偏析及裂纹

在产品1/4厚度处出现严重的负偏析缺陷，在负偏析白亮带上出现镜面状整齐的等轴晶带，其形成是电磁搅拌产生的流股沿凝固前沿流动，将两相区树枝晶间富集溶质的母液冲刷掉而造成的。白亮带中碳和合金元素含量比周围金属中少，严重的负偏析会影响钢的淬透性和力学性能。为消除这一现象，对铸机电磁搅拌参数进行了调整，将电磁搅拌电流由420 A逐步调整为270 A，结果铸坯组织有所改善，负偏析白亮带变宽且不再致密。

生产中发现，钢板出现白点，并且热轧钢板在冷却过程中开裂，明显降低宽厚板的合格率。分析认为，这一现象是由于钢板在热送坯轧制的过程中冷速过快，产生的热应力、组织应力过大所致。在钢板堆垛冷却时添加缓冷罩延长冷却时间，结果，连铸坯堆垛缓冷12 h后送轧的钢板合格率，比热送坯轧制的合格率高0.5%。连铸坯堆垛缓冷后，逸氢现象更明显，碳和锰的扩散更显著，减轻了中心偏析的程度。特厚板在控冷阶段快速冷却会增大相变驱动力，促进钢板心部偏析组织转变为贝氏体或马氏体，加上中心夹杂物及冷却应力的影响，易导致心部分层开裂。添加缓冷罩并进行12 h缓冷后，裂纹、中心偏析等缺陷减少，轧后的缓冷过程等同于长时间的扩散退火，钢板中心的碳、锰等偏析元素扩散比较充分，使钢中硬相组织和微裂纹难以形成。

调整电磁搅拌电流强度后，铸坯的月平均碳偏析指数2.0以上级别的钢板比例由之前的75%上升至92%，低倍检验结果达到YB/T 4003—2016的C1.5类标准，铸坯质量得到有效改善。添加缓冷罩并进行12 h缓冷后，钢板中心偏析、裂纹等缺陷明显减少。

3.3 轧制工艺优化

厚度70 mm以上的宽厚板主要用于法兰、风电门框或高层建筑支柱等，一般要求宽度大于3 000 mm。由于宽厚板最大板坯宽度2 300 mm的限制和粗轧机扭矩限制，导致展宽道次较多，展宽后延伸道次压下量较小，粗轧阶段应力应变不能完全渗透到轧件中心，没有完全发挥粗轧阶段利用高温大变形量改善板坯中心质量的作用。此外，因轧制厚度小于42 mm，精轧阶段容易翘曲，再加上平整道次过多，导致钢板不合格。

采用两阶段控轧工艺，在奥氏体再结晶区轧制，尽可能增大单道次压下率，减少轧制道次，以达到破碎铸态组织、消除心部疏松的目的。由于受最大压缩比的限制，压下率有限，因此适当降低轧制速度，破碎中心柱状晶，减小心部疏松带厚度。采用较少的轧制道次和大的压下量，更易使轧制力渗透到钢板内部，使板材组织均匀，从而有利于钢板内部缺陷的消除，有效改善钢板厚度方向的性能。釆用大的压下量，能在钢板轧制时将铸坯中原来存在的裂纹、缩孔、疏松等缺陷轧合在一起，提高宽厚板合格率。

为了减少轧制道次、提高道次压下率，按照生产线的最大设计坯重组坯后，突破常规轧制模式，将板坯长度按照钢板宽度轧制，从而有效减少展宽道次数，增加粗轧延伸道次的压下量和压下率，同时设计粗轧纵轧→转钢→展宽→转钢→粗轧纵轧→待温→精轧纵轧→精轧平整的轧制模式。优化后的轧制模式为展宽(板坯长度当钢板宽度)→转钢→粗轧纵轧→待温→精轧纵轧。

通过以上改进，钢板的合格率明显提高，低温冲击性能也明显改善，晶粒度细化到了10级。

图6为改进轧制工艺后35 mm厚热轧板的指标参数，低温冲击吸收能量平均值由100 J提高到了155 J，心部碳偏析指数由1.1降到了1.0，锰偏析指数由1.05降至1.0，铸坯C类偏析由74.3%提高到了92.6%，钢板合格率由96.97%提高到了100%。

图6 优化轧制工艺后钢板的(a)-40 ℃冲击吸收能量和(b)缺陷量统计图Fig.6 (a) Impact toughness at -40 ℃ and (b) statistical graph of amount of defect for the steel plate after optimizing rolling process

4 结论

(1)造成Q460GJCZ35钢宽厚板不合格的主要缺陷为含钙、铝的夹杂物，严重的中心偏析，带状组织以及微裂纹。

(2)采取对炉渣进行改性处理，改进电磁搅拌电流强度，添加缓冷罩并进行缓冷处理和改进轧制工艺等措施后，Q460GJCZ35钢板的低温冲击吸收能量平均值由100 J提高到155 J，月平均碳偏析指数2.0以上级别的钢板的比例由75%上升至92%，心部碳偏析指数由1.1降到1.0，锰偏析指数由1.05降到1.0，钢板合格率由96.97%提高至100%。