煉鋼缺陷

煉鋼缺陷是鋼在冶煉和軋制（鍛造）加工過程中，由於設備、工藝和操作等原因造成鋼的欠缺。主要包括結疤、裂紋、縮孔殘餘、分層、白點、偏析、非金屬夾雜、疏鬆和帶狀組織等。

基本介紹

• 中文名：煉鋼缺陷
• 外文名：Steel defect
• 解釋：由於設備和操作等原因造成鋼欠缺
• 主要包括：結疤、裂紋、縮孔殘餘

名詞解釋

鋼在冶煉和軋制（鍛造）加工過程中，由於設備、工藝和操作等原因造成鋼的欠缺。主要包括結疤、裂紋、縮孔殘餘、分層、白點、偏析、非金屬夾雜、疏鬆和帶狀組織等。

形成原因

結疤

煉鋼（澆鑄）造成的主要原因有：（1）上鑄錠未採取防濺措施或下鑄錠開鑄過猛造成飛濺結疤。（2）下鑄錠保護渣性能不佳或模子不清潔、不乾燥，造成鋼錠（連鑄坯）表面或皮下夾雜、氣泡和重皮。（3）模壁嚴重缺陷或鑄溫過高造成凸疤和粘模，經軋制或鍛壓加工演變為結疤。

軋鋼方面造成結疤的原因有：（1）成品前某道（架）軋輥或導衛裝置缺陷或操作不當造成軋件凸包、耳子、劃疤，經再軋形成結疤。（2）鋼坯火焰清理清痕過陡或殘渣未除淨，外物落在鋼坯上被軋成結疤。

裂紋

按裂紋形狀和形成原因有多種名稱，如拉裂、橫裂、裂縫、裂紋、發紋、炸裂（響裂）、脆裂（矯裂）、軋裂和剪裂等。從煉鋼、軋鋼到鋼材深加工幾乎每道工序都有造成裂紋的因素。

（1）煉鋼方面。鋼中硫、磷含量高，鋼的強度、塑性低；鑄錠澆鑄（模鑄、連鑄）溫度過高，澆鑄速度過快，鑄流不正；鋼錠模、結晶器設計不合理；冷卻強度不足或冷卻不均，造成激冷層薄或局部應力過大；鋼錠模有嚴重缺陷或保溫帽安裝不良造成鋼錠凝固過程懸掛；保護渣性能不佳，模子潮和各種澆鑄操作不良都能造成鋼錠表面質量不佳，在鋼材上形成裂紋。

（2）軋鋼（鍛造）方面。鋼錠、鋼坯加熱溫度不均或過燒造成裂紋；高碳鋼加熱或冷卻過快，火焰清理或火焰切割鋼材溫度過低造成炸裂；鋼材矯直應力過大，矯直次數過多而又未進行適當熱處理時易產生矯裂；冷拔管、線鋼料熱處理不良或過酸洗造成裂紋；鋼件在藍脆區剪下易剪裂；焊接工藝不當造成焊縫或熱影響區裂紋。

分層

鋼材基體上出現的互不結合的兩層結構。分層一般都平行於壓力加工表面，在縱、橫向斷面低倍試片上均有黑線。分層嚴重時有裂縫發生，在裂縫中往往有氧化鐵、非金屬夾雜和嚴重的偏析物質。

白點

在鋼材縱、橫斷面酸浸試片上，出現的不同長度無規則的發紋。它在橫向低倍試片上呈放射狀、同心圓或不規則分布，多距鋼件中心或與表面有一定距離。型鋼在橫向或縱向斷口上，呈圓形或橢圓形白亮點（圖5）。直徑一般為3～10mm。
白點產生的原因，一般認為是鋼中氫含量偏高和組織應力共同作用的結果。奧氏體中溶解的氫，在冷卻相變過程中，其溶解度顯著降低，所析出的氫原子聚集在鋼材微孔中或晶間偏析區或夾雜物周圍，結合成氫分子，產生巨大局部壓力，當這種壓力與相變組織應力相結合超過鋼的強度時，則產生裂紋，形成白點。

偏析

產生的原因是鋼水在凝固過程中，由於選分結晶造成的。首先結晶出來的晶核純度較高，雜質遺留在後結晶的鋼水中。因此，結晶前沿的鋼水為碳、硫、磷等雜質富集。隨著溫度降低，雜質凝固在樹枝晶間，或形成不同程度的偏析帶。此外，隨著溫度降低，氣體在鋼水中溶解度下降，在結晶前沿析出並形成氣泡上浮，富集雜質的鋼水沿上山軌跡形成條狀偏析帶。由於偏析在鋼錠上出現部位不同和在低倍試片上表現出形式各異，偏析可分為方形偏析、“V”、“＾”形偏析、點狀偏析、中心偏析和晶間偏析等。

疏鬆

鋼材截面熱酸蝕試片上組織不緻密的現象。在鋼材橫斷面熱酸蝕試片上，存在許多孔隙和小黑點子，呈現組織不緻密現象，當這些孔隙和小黑點子分布在整個試片上時叫一股疏鬆，集中分布在中心的叫做中心疏鬆。在縱向熱酸蝕試片上，疏鬆表現為不同長度的條紋，但仔細觀察或用8～10倍放大鏡觀察，條紋沒有深度。用掃描電子顯微鏡觀察孔隙或條紋，可以發現樹枝晶末梢有金屬結晶的自由表面特徵。
疏鬆的成因與鋼水冷凝收縮和選分結晶有關。鋼水在結晶時，先結晶的樹枝晶晶軸比較純淨，而枝晶問富集偏析元素、氣體、非金屬夾雜和少量未凝固的鋼水，最後凝固時，不能夠全部充滿枝晶間，因而形成一些細小微孔。

SPHC鋼白色條狀缺陷的形成及控制

SPHC鋼為普通熱軋產品，雖然強度較低，但具有較高的塑性、韌性、焊接性能和良好的壓力加工性能，廣泛用於製造各種面板、焊接結構件、冷熱軋薄鋼板及以其為原板製成的鍍鋅、鍍錫及塑膠複合薄鋼板等。近年來該類產品在國內市場中的需求量逐年上升，用戶對該鋼種的要求也越來越嚴格。用戶在使用本鋼生產的熱軋SPHC產品的過程中連續反饋出現白色條狀缺陷。

缺陷形貌及微觀組成

1、巨觀形貌

SPHC冷軋基料主要供用戶鍍錫生產罐頭瓶、瓶蓋等，鍍鋅生產各種管、面板等。

2、微觀形貌及組成

通過大量的SPHC熱軋產品白色條狀缺陷樣品微觀組織的觀察及對比，白色條狀缺陷的微觀組織基本可以分為圖1中所示兩種組織形態。

圖1 白色條狀缺陷的微觀組織

在微觀下觀察表面缺陷部位，圖1（a）中存在明顯分層、起皮，而圖1（b）中則表現為長條鏈線狀碎裂異物嵌入。

圖2中缺陷部位繼續放大，微觀形貌及主要成分情況如圖2。

圖2（a）中1、3點及圖2（b）中主要是氧化鋁、氧化鐵夾雜，且含有鈣和磷的夾雜物，導致白色條狀的原因是以氧化鋁為主複合類夾雜物。而圖2（a）中2、4點則不含Al、Si等元素，應為鑄坯皮下氣泡在後續軋制過程中拉長並破裂導致缺陷產生。

圖2 缺陷部位繼續放大，微觀形貌及主要成分情況

缺陷形成原因分析

綜上微觀形貌及組成成分含量分析，白色條狀缺陷的形成主要是氣泡與以氧化鋁為主的複合類夾雜物共同作用的結果。轉爐出鋼過程中會將部分高氧化性爐渣帶入到鋼包中，精煉處理過程中對鋼包頂渣改質不徹底，在澆鑄過程中通過長水口進入中包中污染中包鋼水，或者合金化後軟吹時間及鎮靜時間不足，造成鋼水脫氧產物Al₂O₃夾雜物上浮不充分，滯留在鋼水中，在後續軋制過程中成為裂紋源，並在均熱之前導致裂紋形成，然後在後續軋制過程中Al₂O₃夾雜物再被壓碎，形成長條鏈線狀缺陷，這些線狀缺陷在鍍鋅、錫過程中被覆蓋，從而形成板麵條狀缺陷。

如果鋼水脫氧不徹底，澆鑄保護不好導致澆鑄過程中鋼水吸氧，大包澆鑄末期下渣導致中包中全氧含量過高或者連鑄澆鑄過程中長水口和浸入水口吹氬過大導致鋼水中氬氣氣泡未充分上浮形成鑄坯皮下氣泡，在後續軋制過程中氣泡破裂形成表面起皮，巨觀表現為板面白色條狀缺陷針對上述產生白色條狀夾雜原因，對煉鋼廠的生產工藝進行分析，發現存在以下問題：為降低合金成本，脫氧合金化調整到精煉前進行，致使大量脫氧產物上浮不充分；部分用戶因C含量設計偏低，必須選擇RH路徑生產，導致頂渣無法改質；LF路徑生產的SPHC處理時間較短，無法對頂渣進行充分改質，且軟吹時間偏短；連鑄澆鑄過程中，大包澆鑄末期下渣量較多，污染中包鋼水；為防止澆鑄過程中水口堵，浸入水口氬氣量較大，導致鑄坯內氬氣泡較多，上浮不充分。因此，冷軋用SPHC鋼種生產過程中必須進行工藝最佳化，以保證鋼水純淨度滿足後續軋制工藝的要求。

工藝最佳化

1、出鋼過程脫氧

煉鋼出鋼過程進行脫氧，保證精煉前鋼水中氧的質量分數<50×10^–6。為降低合金成本，脫氧合金化調整到精煉前進行，在實際使用過程中用戶反饋白色條狀缺陷增加，因此仍然調整為轉爐出鋼過程中脫氧合金化。煉鋼出鋼過程中脫氧，由於出鋼過程鋼水的攪動，以及出鋼後吊運到精煉處理位前鎮靜，促使大部分脫氧產物Al₂O₃夾雜顆粒上浮，由頂渣吸納。而如果在精煉處理前期脫氧，雖然可以吹氬攪拌使夾雜物上浮，但其攪拌力度較出鋼過程鋼水衝擊力度小，夾雜物上浮也不如前者充分。因此煉鋼出鋼過程充分脫氧可以減少白色條狀缺陷的形成。

通過對比生產的轉爐出鋼脫氧和精煉LF前脫氧的兩個牌號SPHC產量和熱連軋軋制過程中產生夾雜的比例發現，LF處理前脫氧爐次在熱軋軋制過程中產生的夾雜比例（3.28%）遠高於轉爐出鋼過程脫氧爐次的比例（0.62%）。

2、調整生產工藝

由於早期SPHC冷軋基料設計碳含量較低，工藝路徑採用RH，無法對頂渣進行改質，未改質的頂渣中氧含量較高，在精煉處理過程中與鋼水進行傳質，導致精煉處理困難，且在鎮靜過程中進一步向鋼水中擴散，造成燒鋁、矽等現象，且在澆鑄過程中在大包澆鑄結束前出現下渣現象造成未改質頂渣對鋼水的污染，導致鑄坯中產生Al₂O₃夾雜，進而在軋制過程中形成白色條狀缺陷。因此與用戶及研發部門協調，對鋼種設計成分進行調整。碳含量適當提高，採用精煉LF處理位進行處理，處理過程中造白渣對鋼包頂渣進行改質處理。

3、合理安排生產

合理安排生產節奏，保證精煉處理周期，尤其需要保證脫氧合金化後的軟吹時間和處理後鋼水鎮靜時間。精煉處理過程中要有充足的時間進行造渣處理，減少鋼水頂渣的氧含量；脫氧合金化後適當的軟吹和鎮靜時間能夠促使精煉處理過程中的二次脫氧產物充分上浮排除，減少白色條狀缺陷的形成。有資料表明，隨著軟吹氬氣時間的增加，鋼中總氧含量不斷降低，在軟吹氬12min後，鋼水總氧含量變化不明顯。從軟吹氬過程中鋼中夾雜物含量變化來看，鋼包軟吹氬時間應保持在15min以上。

調整精煉處理周期以前，冷軋基料SPHC精煉處理周期與其他低碳鋼種生產時間相同，按35min進行處理，如非必要在精煉處理過程中不進行改渣處理。而現在，冷軋基料生產時間延長10min，處理過程中必須對鋼包頂渣進行改渣處理，並延長精煉處理後的軟吹時間，考慮生產節奏、靜置時間等因素，軟吹時間由原來的6min延長到12~15min，通過吹氬使夾雜物充分上浮。

4、控制氬氣流量

在連鑄澆鑄過程中，為防止水口堵，水口保護氬氣流量較大，現場觀察經常可以看到澆鑄過程中為保證結晶器內鋼水液面的氣泡數量，浸入水口氬氣流量開到最大。

為避免氬氣流量過大致使氬氣氣泡進入鋼水中形成鑄坯皮下氣泡，在軋制過程中氣泡破裂出現白色條狀缺陷，在連鑄做好保護澆鑄，控制浸入水口氬氣流≤5L/h。

5、控制大包下渣量

在大包澆鑄末期，由於靠近鋼包水口處鋼水形成了漩渦，導致鋼包渣可能沿長水口進入中間包中。而煉鋼廠為降低鋼鐵料的損耗，大包澆鑄末期一般都是在下渣檢測紅燈亮後才關閉滑板，會出現少量鋼包渣進入中間包中污染鋼水。為避免這種現象的發生，煉鋼廠提高了冷軋基料SPHC生產過程的下渣檢測等級，規定黃燈亮即關閉滑板，減少進入中間包中的鋼包渣。