CSP薄板表面裂纹的形成机理与预防措施.pdf_大学文库

[D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.04.005 第24卷第4期北京科技大学学报 Vol.24N0.4 2002年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2002 CSP 薄板表面裂纹的形成机理与预防措施周德光”傅杰”柳得橹)康永林)王忠丙”王元立) 1)北京科技大学治金学院，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要对薄板坯连铸连轧生产线(CSP)生产的钢板出现表面裂纹及边裂进行了研究，并对 CSP钢板表面裂纹的形成机理及其影响因素进行了分析，提出了防止裂纹的措施.X-射线能谱分析结果表明：在基体与氧化铁皮间的界面富集有铜等低熔点杂质元素，钢中残余元素含量偏高是产生表面裂纹的主要原因关键词CSP,残余元素；铜含量；表面裂纹分类号T℉777.7 自1990年世界上第1条薄板坯连铸连轧生为改进工艺提供依据. 产线(CSP)在美国投产至今10余年来，由于该工艺具有节能、投资省、生产周期短、生产率高、 1实验方法成本低、适应性强等优点，已引起国际冶金界的用线切割方法在出现裂纹的钢板部位取下重视.目前国外已投产和在建的CSP生产线有几块小试样，尺寸约20mm×10mm,试样的平均 29条，我国引进的3条CSP生产线中，珠钢和化学成分列于表1.将试样的横截面磨平、抛光，邯钢已开始试生产，包钢也将于2001年6月前仔细清洗后进行扫描电镜观察和超薄窗口X- 后投产，近几年还将建5~7条该生产线.据统计射线能谱分析.同时用LECORO型气体分析仪 1999年CSP工艺生产的热轧板带占世界钢产分析了钢板基体与边缘处的氧、氨含量. 总量的5%，预计2013年将上升到50%-，可见，CSP生产线在世界范围内都有迅速发展趋表1试样的平均化学成分（质量分数）势，其产量的增长速度非常快.与此相应，CSP Table 1 Average chemical composition of testing specim- 薄板坯连铸连轧生产中出现的各种质量控制问 ens % 题、新品种开发问题也已提到议事日程上 Si Mn P Cu 长期以来，国内外的冶金工作者，在关于钢 0.053 0.32 0.38 0.0950.0010.26 材表面裂纹的形成原因及影响因素方面，做了 2 实验结果一些卓有成效的研究工作，取得了很多研究成果.文献[4,5]指出：钢中含有一定数量的残余元 2.1表面裂纹形貌素，如Cu,Sn,Pb,Zn等，对钢的加工热脆性有着表面裂纹形貌如图1，图2所示，从图中可重要的影响，钢坯在加热过程中铜等低熔点杂以看出，钢板表面呈银白色斑痕，裂纹基本上沿质元素将在氧化铁皮与基体界面析出，富铜相轧制方向延伸，长度约几至十几毫米，宽度在1 在加热过程中处于熔融状态，轧制时就会导致 mm以下，并有少量结疤，裂纹中夹有炉渣与氧表面开裂.但关于CSP薄板表面裂纹及边裂的化铁皮形成机制还未见文献报道，有待进一步研究. 2.2边裂形貌为了促进CSP技术的发展，本文对CSP薄图3和图4是钢板边缘横截面的2次电子板出现表面裂纹及边裂进行系统的分析研究，像.从图中可以看出，裂纹基本上都是由钢板边缘向板内延伸，其内包含有许多小颗粒，形状是收稿日期2001-06-28周德光男，38岁，高级工程师，博士后球形、不规则的方块形等；对裂纹及其所包含颗 *“973”基金资助项目No.G19980615) 粒物的X-射线能谱分析表明，几乎每一条裂纹

第 2 4卷第 4 期 2 0 0 2 年 8 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n iv e r si yt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o yg B e ij i n g Vb l . 2 4 N o . 4 A u g . 2 0 0 2 C S P 薄板表面裂纹的形成机理与预防措施周德光 ” 傅杰 ` , 柳得槽 ” 康永林 ” 王忠丙 ” 王元立 ” l) 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 8 3 2 ) 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘要对薄板坯连铸连轧生产线 (C sP )生产的钢板出现表面裂纹及边裂进行了研究 , 并对 C sP 钢板表面裂纹的形成机理及其影响因素进行了分析 , 提出了防止裂纹的措施 . 1 射线能谱分析结果表明 : 在基体与氧化铁皮间的界面富集有铜等低熔点杂质元素 , 钢中残余元素含量偏高是产生表面裂纹的主要原因 . 关键词 c s P , 残余元素; 铜含量 ; 表面裂纹分类号吓 7 7 .7 自 19 9 0 年世界上第 1 条薄板坯连铸连轧生产线 ( c s )P 在美国投产至今 10 余年来 , 由于该工艺具有节能、投资省、生产周期短、生产率高、成本低、适应性强等优点 , 已引起国际冶金界的重视 . 目前国外已投产和在建的 C S P 生产线有 2 9 条 , 我国引进的 3 条 C S P 生产线中 , 珠钢和邯钢已开始试生产 , 包钢也将于 2 0 01 年 6 月前后投产 , 近几年还将建 5一 7 条该生产线 . 据统计 19 9 年 c s P 工艺生产的热轧板带占世界钢产总量的 5 % , 预计 2 0 13 年将上升到 50 % `回 , 可见 , C S P 生产线在世界范围内都有迅速发展趋势 , 其产量的增长速度非常快 . 与此相应 , C S P 薄板坯连铸连轧生产中出现的各种质量控制问题、新品种开发问题也已提到议事日程上 . 长期以来 , 国内外的冶金工作者 , 在关于钢材表面裂纹的形成原因及影响因素方面 , 做了一些卓有成效的研究工作 , 取得了很多研究成果 . 文献 4[ ,s] 指出 : 钢中含有一定数量的残余元素 , 如 C u , s n , Pb , z n 等 , 对钢的加工热脆性有着重要的影响 , 钢坯在加热过程中铜等低熔点杂质元素将在氧化铁皮与基体界面析出 , 富铜相在加热过程中处于熔融状态 , 轧制时就会导致表面开裂 . 但关于 C S P 薄板表面裂纹及边裂的形成机制还未见文献报道 , 有待进一步研究 . 为了促进 C S P 技术的发展 , 本文对 C S P 薄板出现表面裂纹及边裂进行系统的分析研究 , 为改进工艺提供依据 . 1 实验方法用线切割方法在出现裂纹的钢板部位取下几块小试样 , 尺寸约 20 ~ 、 10 ~ , 试样的平均化学成分列于表 1 . 将试样的横截面磨平、抛光 , 仔细清洗后进行扫描电镜观察和超薄窗口 -x 射线能谱分析 . 同时用 L E C O R O 型气体分析仪分析了钢板基体与边缘处的氧、氮含量 . 表 1 试样的平均化学成分 (质 , 分数 ) aT b l e 1 vA e r a g e c h e m ic a l e o m P 0 s it o n o f et s it n g s P e c i m - e n s % C 5 1 M n P 5 C u 0 . 0 5 3 0 3 2 0 . 3 8 0 . 0 9 5 0 . 00 1 、 0 . 2 6 收稿日期 2 0 01 一 -6 2 8 周德光男 , 38 岁 , 高级工程师 , 博士后 * `勺7 3 ” 基金资助项目(N o . G 19 9 8 0 6 1 5) 2 实验结果 .2 1 表面裂纹形貌表面裂纹形貌如图 1 , 图 2 所示 , 从图中可以看出 , 钢板表面呈银白色斑痕 , 裂纹基本上沿轧制方向延伸 , 长度约几至十几毫米 , 宽度在 1 ~ 以下 , 并有少量结疤 , 裂纹中夹有炉渣与氧化铁皮 . .2 2 边裂形貌图 3 和图 4 是钢板边缘横截面的 2 次电子像 . 从图中可以看出 , 裂纹基本上都是由钢板边缘向板内延伸 , 其内包含有许多小颗粒 , 形状是球形、不规则的方块形等; ’ 对裂纹及其所包含颗粒物的 -X 射线能谱分析表明 , 几乎每一条裂纹 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 04. 005

VoL.24 No.4 周德光等：CSP薄板表面裂纹的形成机理与顶防措施 ·405· 0 4000 Fe 产生边裂的原因和上述热脆相同.但板坯两侧氧化性气氛较强，边部氧化更严重，使铜等 3000 低熔点杂质元素在氧化皮与基体间富集，同时士2000 薄板坯在轧制时边部受较大拉应力的作用，导 1000 致薄板坯在轧制过程中产生边裂. Ca 0 Nicu Zo 为了提高CSP钢板的质量，防止“热脆”现 0 6 P 象发生，可采用的方法大体有：(1)在钢中加人适 E/keV 量的Ni,Si,可使晶间产生熔点较高的铜镍化合图6氯化铁碎块与钢板基体界面处（图5中箭头所指处）物，还可以阻碍铜向奥氏体晶界渗透，提高铜在的XEDS谱奥氏体中的溶解度，防止钢坯加热过程中在表 Fig.6 XEDS spectrum of the interface of matrix and iron 面与铜形成Sn,Sb和As的铜合金；(2)将轧钢温 scale(showed with arrowed in Fig.5) 度降到铜的熔点(1083℃)以下，防止“热脆”缺内除了保护渣的小颗粒和含锌的金属球外，还陷发生；(3)采用弱氧化气氛、最好是还原性气氛有许多小块氧化铁存在，这些氧化铁碎片被压加热；(4)加快升温速度；(5)缩短加热时间；(6)提入钢中，有些与钢的基体紧密相连，有的成堆夹高加热温度，当温度达到1300℃时，在氧化层中在裂缝内.X-射线能谱分析表明在“氧化铁”碎将有熔融的2Fe0·SiO,相存在，它能将熔融铜块内还含有Si,Cr,A1等，但没有检测到Cu,Zn 吸附在其中，使其不与钢基体接触，防止产生表及其他有害元素.但是在氧化铁与钢板基体的面裂纹. 界面有Cu的富集，铜质量分数在0.39%至1.66% 采用以上方法的目的都是从减少选择氧化之间，大部分在0.60%以上.这里应说明：在着手，避开临界温度，减缓铜等在界面的析出， XEDS分析时得到的是试样上直径1m以上体减少“热脆”缺陷，但很难完全避免.因此防止热积内的平均成分，而富铜区的宽度可能明显小脆最有效的办法是精选原材料，多用优质铁水、于1m,因此在这个富铜区内的含铜量可能大生铁、海棉铁以及含残余元素量低的废钢，将钢大高于上述分析结果中的有害杂质元素降到较低的范围内.对于含铜钢板，钢中需要一定量的铜，要完全防止热脆 3CSP薄板表面裂纹形成机理有相当难度.为了防止发生“热脆”现象，国外许多厂家都规定Cu和Sn含量须限制在一定范围由于在EAF-CSP工艺流程中采用电弧炉内.如美国伯利恒钢公司要求铜锡比大于4，根炼钢，废钢是主要的炉料，其中往往含有Cu,Zn, 据具体钢种与工艺确定比值A的大小，一般控制 Cr,Sn等残余元素.当钢中的残余元素含量偏在0.4~1.0之间；文献[46提出，为了防止薄板高时薄板坯在加热过程中，钢中的铜、锡、锑和及合金钢产生热脆，应满足如下公式：碑等元素的氧化位能比铁低，氧化性气体与钢 wCu)+w(6(Sn+Sb)》

N o 一 4 周德光等 : C S P 薄板表面裂纹的形成机理与预防措施 4 0 0 0 泞 3 D0 0 燕卞 2 0 0 0 1 0 00 卫怪1 5 N i犷u 一 8 U 6 瓜eV E4 , n ó à 图 ` 叙化铁碎块与钢板基体界面处 (图 5 中箭头所指处 ) 的 X E D S 谱 F ig · 6 X E D S s P e e t r u m o f th e in t e r af e e o f m a t r妞 a n d i or n s c a l e ( s 卜ow e d w it h a r r o , 甲e d i n F i g . 5 ) 内除了保护渣的小颗粒和含锌的金属球外 , 还有许多小块氧化铁存在 , 这些氧化铁碎片被压人钢中 , 有些与钢的基体紧密相连 , 有的成堆夹在裂缝内 . -X 射线能谱分析表明在 “ 氧化铁 ” 碎块内还含有 is , C r , A I等 , 但没有检测到 C u , Z n 及其他有害元素 . 但是在氧化铁与钢板基体的界面有 C u 的富集 , 铜质量分数在 .0 39 % 至 1 . “ % 之间 , 大部分在住 60 % 以上 . 这里应说明 : 在 x E D S 分析时得到的是试样上直径 1 脚以上体积内的平均成分 , 而富铜区的宽度可能明显小于 1卿 , 因此在这个富铜区内的含铜量可能大大高于上述分析结果 . 3 C S P 薄板表面裂纹形成机理由于在 E A F 一 C S P 工艺流程中采用电弧炉炼钢 , 废钢是主要的炉料 , 其中往往含有 C u , zn , Cr , sn 等残余元素 . 当钢中的残余元素含量偏高时薄板坯在加热过程中 , 钢中的铜、锡、锑和砷等元素的氧化位能比铁低 , 氧化性气体与钢料发生氧化反应 , 铁优先氧化 (铜、锡、锑和砷等元素在铁没氧化前是固溶在基体中的) 二由于选择氧化 , 杂质元素必将在过渡层即氧化铁与基体之间析出 , 随着氧化反应的进行 , 在板坯表面逐渐富集杂质元素 (富集元素主要以 C u 为主 , 其熔点为 1 0 8 3℃ , 如果形成铜与锡、锑和砷等合金熔点则更低 ) . 当加热到 1 10 ℃ 左右 , 富铜相处于熔融状态甚至呈液相 , 达到一定程度时 , 在钢坯表面形成网状裂纹 , 即 “ 热脆 ” 裂纹缺陷 4[] , 有的也称其为 “ 铜脆 ” . 在轧制过程中处于熔融状态或液相的富铜相 , 沿着轧制方向延伸 , 形成方向性裂纹 , 并且未脱落的渣子与氧化铁皮将粘在裂纹坑处 . 产生边裂的原因和上述热脆相同 . 但板坯两侧氧化性气氛较强 , 边部氧化更严重 , 使铜等低熔点杂质元素在氧化皮与基体间富集 , 同时薄板坯在轧制时边部受较大拉应力的作用 , 导致薄板坯在轧制过程中产生边裂 . 为了提高 C S P 钢板的质量 , 防止 “ 热脆 ” 现象发生 , 可采用的方法大体有 : ( l) 在钢中加人适量的N i , is , 可使晶间产生熔点较高的铜镍化合物 , 还可以阻碍铜向奥氏体晶界渗透 , 提高铜在奥氏体中的溶解度 , 防止钢坯加热过程中在表面与铜形成 S n , S b 和 A s 的铜合金 ; ( 2 )将轧钢温度降到铜的熔点 ( 1 0 83 ℃ ) 以下 , 防止 “ 热脆 ” 缺陷发生 ; (3 )采用弱氧化气氛、最好是还原性气氛加热 ; ( 4 )加快升温速度 ; ( 5 )缩短加热时间 ; ( 6 )提高加热温度 , 当温度达到 13 0 0℃ 时 , 在氧化层中将有熔融的 ZeF O · 5 10 2 相存在 `5 , , 它能将熔融铜吸附在其中 , 使其不与钢基体接触 , 防止产生表面裂纹 . 采用以上方法的目的都是从减少选择氧化着手 , 避开临界温度 , 减缓铜等在界面的析出 , 减少 “ 热脆 ” 缺陷 , 但很难完全避免 . 因此防止热脆最有效的办法是精选原材料 , 多用优质铁水、生铁、海棉铁以及含残余元素量低的废钢 , 将钢中的有害杂质元素降到较低的范围内 . 对于含铜钢板 , 钢中需要一定量的铜 , 要完全防止热脆有相当难度 . 为了防止发生 “ 热脆 ” 现象 , 国外许多厂家都规定 C u 和 sn 含量须限制在一定范围内 . 如美国伯利恒钢公司要求铜锡比大于 4 , 根据具体钢种与工艺确定比值翅的大小 , 一般控制在 .0 4 一 1 . 0 之间 ; 文献 4[ 一 6] 提出 , 为了防止薄板及合金钢产生热脆 , 应满足如下公式 : w ( C u) + w ( 6 ( S n + S b )) < 0 . 3 % 一0 . 4 % . 有关研究指出 : 为了避免真空精炼 35 号钢锭锻造热脆 , 认为必须满足如下条件 (质量分数 ) : S n < 6 0 x l o 一 ` % , S b < 4 o x l o 一 ` % , A s < 3 5 x l 0 一 ` % , C u < 6 0 0 x l 0 一 4 % . 5 < 8 0 x l 0 一 4 % 才能僻龟热脆 4 预防措施为了防止 C S P 钢板出现表面裂纹或边裂 , 应采取如下措施 : ( l) 精选原材料 , 多用优质铁水、生铁、海棉铁以及采用含残余元素量低的废钢 , 将钢中的有害元素降到一个较低的范围内 , 对于含铜的

北京科技大学学报 2 0 0 2 年第 4 期低合金钢应精确控制其化学成分 , 将钢中的铜控制在标准规定的下限 , 硅控制到上限 , iN 与 C u 的量可按 1 : l 控制 , 同时将钢中铜、锡及锑总量控制在 w ( C u) +w ( 6 ( s n + s b )) < 0 . 3 % 一0 . 4 % 范围内 ; 而对于不含铜的 C S P 钢板 , 残余元素含量除了满足w ( C u ) +w ( 6 ( S n + S b )) < 0 . 3 % 一 0 . 4 % 以外 , 还应将钢中的 C u 控制在 0 . 15 % 以下 . (2 )采用 “ 高温快烧 ” 工艺 , 控制好加热期和均热期的温度与时间 , 将均热炉的温度升高到其允许的上限 , 温度控制在 1 15 0 ℃ 左右 , 并尽量缩短炉内停留时间与待轧时间 . (3 )采用弱氧化性气氛 , 最好是还原性气氛加热 . 将上述方案在 C sP 工厂进行试验 , 结果表明 , 基本上没有出现表面裂纹和边裂 . 参考文献 1 F r i t z 一 P e et r P l e s e h iut s e hn ig , G u n t e r F l e m m i n g , W Ol fg an g H e n i g . hT e L aet s t D ve e l o P m e nt s i n C S P 一 eT e ha o l o gy [C ] . I n : C SM A n n u a 1M e at i n g . B e ij ing , 1 9 9 9 . 1 9 2 B a ld W, nK叩 P e G , oR s e n th a l D , e t a l . In o v at i v e eT e h - n o l o g i e s fo r Sitr P P or d u c ti o n [C ] . nI : s ht W 6 r ld S t e e l C o n - fe er n e e . L o n d o n , 1 9 9 9 . 1 3 F e r n a n de z A , N a k a s h lm a J , T r e v in o V, et a l . Hi hg 一 q u a liyt U l t r a ~ thin Ho t Sitr P P r o d郎it o n i n yH l s a , 5 C S P P l ant I C I · In : M E T E C C o n g r e s s 1 9 9 9 . D u s s e ld o r f, 19 9 9 . 1 4 S teP h e n s o n E .T E fe ct o f eR c y e 11 n g o n eR s i du ia s , P r o e e s s - i n g , 叨d p r o P ert i e s o f C abr o n an d L ow 一 A lloy S et e l s【J』 . M e at ll u 笔i e ia T r an s叭i o n s A , 1 9 8 3 , 1 4 A ( 3) : 3 4 3 5 oT s h ih如 E m i , o ll e W Uk . eR s id u a l s in s et e l p r o du e t s 一 Im - Pac t s o n P or P e rt i e s an d M e as ur e s ot M i n im 滋 T h e m [C ] . I n : 19 9 6 Set e iln ak i n g C o n fe er n c e P r o e e e di n g s . l 9 9 6 . 5 5 l 6 梁英生 . 中国含砷钢研究的进展 [J] . 钢铁 , 19 86 , 21 (:l) 2 2 7 陈学武 . 微量有害元素对钢锭锻造过程引起表面热脆的影响 [ J ] . 钢铁 , 1 9 8 5 , 2 0( 2) : 3 1 8 赵秉军 . 钢中残存有害元素的影响与控制 [J] . 特殊钢 , 1 9 9 4 , 15 ( 3 ) : 1 7 F o mr i n g M e c h an i s m an d P r e v e nt i v e M e a s uer s o f ht e Sur af e e C r a c k i n T h i n S tr iP P r o du c e d b y C S P Z H O U D 邵 , a n岁几尸口 ieJ ,) L I U D e l u刀, 划刃 G oY n g li n )z, 恻刃召 hZ 口刀 g b i n岁气洲刃 G l公a n l:i) 1) M e t a ll u r gy S e ho o l , U S T B e ij ign , B e ij ing 10 0 0 8 3 , C h in a Z ) M at e r ial S e i e n e e an d nE g in e e r in g S e h o o l , U S T B e ij ing , B e ij in g l 0 0 0 8 3 , C hin a A B S T R A C T T h e s ur acf e an d fr ign e c r a e k s i n ht in st r 1Ps rP o du e e d b y C S P Por e e s s w e r e s tu d i e d . T h e of n n i n g m e c h an i sm an d vom l v e d in fl u e cn ign af e ot r s w er an ly ze d an d ht e n ht e rP e v e nt ive m e a s ure s w e r e Put of r - w a r d . hT e te st r e s u it s s h o w ht at ht e m a i n af e ot r s c au s in g sur acf e e r a e k o n ht in s itr P are ht e e n r i e l l ln e in o f im - Pur ity e l e m e in s (C u , S n , S b e t a .l ) in ht e int e r fac e o f m a tr i x an d ir on s e a l e a s w e ll a s het uP Pe r c o nt e nt s o f er - s id u a l e l e m e lt s in s t e e l . K E Y W O R D S C S P; er s idu a l e l e m e lt ; e OP p e r e o n t e in ; sur fa e e e ar e k