田永久，于海岐，方恩俊，崔福祥，黄岩，殷东明，李超

（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口115007）

众所周知，高强船板是通过向钢中加入微合金元素以有效提高钢的强度、低温韧性及焊接性能等。然而，高强船板中的合金元素会对铸坯质量带来诸如铸坯表面和皮下微裂纹等缺陷，在轧制过程中这些缺陷多进一步扩展表现为钢板表面的线状、星形等晶界裂纹缺陷[1]。大量研究均表明，高强船板表面存在的不同程度晶界裂纹缺陷很大程度上与连铸坯表面微裂纹缺陷直接相关[2-6]。

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司的宽厚板连铸机自投产以来，高强船板铸坯轧后的钢板表面晶界裂纹发生率达5%以上，严重影响了产品整体质量。为此，对高强船板钢种进行了试验，分别对铸坯的装炉、冷却方式及对应铸坯的组织结构进行研究分析，据此优化工艺，制定了高强船板晶界裂纹缺陷控制技术，彻底消除了高强船板铸坯轧后晶界裂纹缺陷，提高了钢板质量和板坯直装率。

1 原因分析

1.1 晶界裂纹形貌及金相分析

图1所示为热轧船板钢冷弯裂纹形貌。观察图1和能谱图发现，在钢板表面发现大量沿轧向的纵向裂纹；裂纹走向并没有沿着厚度方向进行扩展，而是沿着平行于表面的方向进行扩展延伸，属于晶界裂纹。对裂纹两侧的组织进行深入观察发现，裂纹靠近表面一侧的组织为铁素体＋少量珠光体组织，这是由于裂纹靠近表面的一侧经受过高温加热处理，表面脱碳后造成珠光体组织的减少。由此可以看出，裂纹在坯料加热时就已存在。同时，发现在裂纹内部存在大量成分为氧化铁的沉积物，这表明该裂纹在冷弯之前已经存在，冷弯只是造成裂纹进一步开裂的外力因素。

针对钢板表面裂纹，通过对连铸和轧制工艺制度进行一系列优化试验发现，造成热送高强船板系列钢板晶界裂纹的直接原因并不是由于铸坯本身存在裂纹，而是应该与铸坯热送工艺有关，即厚板坯热送温度制度存在问题。

1.2 晶界裂纹产生机理分析

对于含Nb、V、Ti等一种或多种微合金元素的连铸坯，由于柱状晶发达，未变形的奥氏体晶粒粗大，凝固过程中微合金元素在树枝晶界的显微偏析会导致高温下沉淀物析出，在连铸二冷区冷却时，铸坯表面温度分布不均匀，产生热应力及铸坯表面承受外力形变的作用，会促使微合金元素的第二相质点在粗大的奥氏体晶界沉淀，从而引起晶界脆性，降低钢的高温塑性，增加其裂纹敏感性，导致铸坯经直装或热装轧制后容易产生晶界裂纹[1]。图2为未受力与受力状态下铸坯轧后晶界裂纹形貌。低合金钢板在没有受力时的晶界裂纹表现为图2（a）所示的沿轧制方向微小的线状缺陷；但当钢板受力（特别是冷弯）后，此缺陷就会充分暴露出来，形成如图2（b）所示的明显撕裂状裂纹。

图2 未受力与受力状态下铸坯轧后晶界裂纹形貌Fig.2 Morphology for Cracks at Grain-boundary of Casting Blank after Rolling with Force and without Force

上述分析表明，铸坯表面晶界裂纹是沿初生奥氏体晶界开裂扩展的，且裂纹两侧有脱碳现象，这说明铸坯表面微裂纹是在高温区形成的。因此，通过现场生产试验重点研究了影响表面晶界裂纹的控制工艺技术包括铸坯表面温度、冷却时间和冷却速率。

2 钢板晶界裂纹控制工艺优化

2.1 试验方案

试验用钢AH36的化学成分如表1所示，铸坯规格为250 mm×2 200 mm×4 100 mm。

试验方案如下：

表1 试验用钢AH36的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in AH36 Tested Steel(Mass Fraction) %

（1）准确标定铸坯出现晶界裂纹的装炉温度。随机挑选了100块铸坯，平均分5组进行了不同装炉温度的对比试验。

（2）明确不同冷却时间对铸坯表面晶界裂纹的影响规律。随机挑选了100块铸坯，平均分5组并分别按直装、冷却5 h、冷却10 h、冷却16 h及冷却24 h进行冷却试验，统计轧制后出现晶界裂纹的比率。

（3）确定铸坯缓冷的冷却速率。随机挑选了100块铸坯，分别测量存放垛位顶部、中部、底部温度变化情况。

2.2 铸坯装炉温度

表2所示为铸坯装炉温度与轧后晶界裂纹发生率的关系。由表2可知，当铸坯表面温度在500～780℃范围内装炉时，轧制后发生晶界裂纹的比率随温度升高而增加；当温度低于500℃或高于780℃时，轧后没有出现晶界裂纹缺陷。因此，该钢种合理的热送温度区间为500℃以下和780℃以上，铸坯热送时应选择避开500～780℃之间的混晶温度区间。

表2 铸坯装炉温度与轧后晶界裂纹发生率的关系Table 2 Relationship between the Charging Temperature of the Casting Blank and Occurrence Rate of Cracks at Grain-boundary after Rolling

2.3 铸坯冷却时间

表3为铸坯运行过程中表面温度的变化情况。由表3可知，装炉前的铸坯表面温度平均在798℃，但实际生产中容易受外界因素影响而导致铸坯表面温度低于该温度。为有效控制铸坯表面直装温度＞780℃，应控制铸坯出铸机后至装炉的运行时间在60 min以内。

表3 铸坯运行过程中表面温度的变化情况Table 3 Changes of Surface Temperature of Casting Blank during Transferring

表4所示为铸坯冷却时间与轧后晶界裂纹发生率的关系。表4表明，铸坯经冷却5 h后轧制，钢板表面出现晶界裂纹几率最高；其次是直装工艺；随着冷却时间的延长，其表面晶界裂纹出现的几率明显降低；冷却时间达24 h时，表面晶界裂纹发生率为零。因此，该钢种下线缓冷时间应控制≥24 h，可避免轧后晶界裂纹的产生。

表4 铸坯冷却时间与轧后晶界裂纹发生率的关系Table 4 Relationship between Cooling Time for the Casting Blank and Occurrence Rate of the Cracks at Grain-boundary after Rolling

2.4 铸坯冷却速率

图3所示为铸坯下线堆垛缓冷过程的表面温度变化曲线。

图3 铸坯下线堆垛缓冷过程的表面温度变化曲线Fig.3 Changing Curves of Surface Temperature of Casting Blank during Slow Cooling by Offline Stacking

由图3可知，铸坯下线堆垛缓冷过程中，垛位顶部铸坯表面温降速度较快，达16.6℃/h，垛位中间铸坯表面温降速度基本恒定在11.6℃/h。根据前述试验铸坯装炉温度控制结果和铸坯在不同位置处的温度分布，并结合此温降速度曲线，即可推算出铸坯下线堆垛缓冷的最低冷却时间也应为24 h。

3 工艺优化及应用效果

根据前述原因分析与试验结果，最终确定了三种控制高强船板钢铸坯表面晶界裂纹的工艺，即铸坯高温直装工艺、铸坯下线缓冷工艺和铸坯在线表面强冷直装。具体参数如下：

（1）铸坯高温直装工艺：铸坯切断时间至装炉时间≤60 min，铸坯装炉温度控制在780℃以上。

（2）铸坯下线缓冷工艺：铸坯下线堆垛缓冷≥24 h，铸坯表面温度降低到500℃以下。

（3）铸坯在线表面强冷直装工艺：连铸坯切割后，在线采取降温措施，保证铸坯表面温度降至500℃以下后直装轧制。

表5为三种工艺条件下钢板晶界裂纹发生率。

表5 工艺优化后钢板晶界裂纹发生率Table 5 Occurrence Rate of Cracks at Grain-boundary of Steel Plate after Optimization of Process %

由表5可知，采用上述三种工艺方案后，高强船板类钢种连铸坯轧后晶界裂纹均可得到有效控制。三种工艺均能达到消除晶界裂纹的目的，下线缓冷和在线表面强冷直装冷却工艺效果更稳定。

4 结语

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司高强船板钢热装轧后产生表面晶界裂纹缺陷的主要原因是铸坯热送温度制度不合理。通过采取三种工艺，即高温直装工艺控制铸坯装炉温度＞780℃、铸坯下线缓冷工艺控制铸坯表面温度＜500℃、在线表面强冷直装冷却工艺使铸坯表面温度降至500℃以下后直装轧制，均可杜绝轧后钢板晶界裂纹缺陷的发生。铸坯下线堆垛缓冷和在线表面强冷直装工艺效果更稳定。