E级船板马蜂窝裂纹的原因分析及改进

【摘 要】为分析E级船板钢连铸坯轧后钢板表面马蜂窝裂纹的成因，采用光谱分析仪、金相显微镜、扫描电镜及能谱仪分别对E级船板裂纹及附近处的化学成分、金相组织、显微形貌进行了试验分析。结果表明：连铸板坯已经存在皮下气泡或者微小裂纹，加热后形成脆性的二次氧化颗粒在后来的轧制过程中，缺陷区不能参与同步变形，裂纹不但不能轧合，反而开口扩展增大，最终形成马蜂窝状的裂纹。通过改善连铸坯质量，使马蜂窝裂纹得到明显改善，钢板质量得到提升。

【关键词】E级船板；马蜂窝裂纹；皮下气泡；二次氧化颗粒

0 前言

表面裂纹是济钢船板生产过程中较为常见的缺陷。钢板表面的裂纹缺陷种类很多，如大纵裂、小纵裂、横裂、网裂等，马蜂窝裂纹虽不是非常普遍的一种但是其开裂严重无法修磨可直接导致钢板的降级甚至判废，影响到生产计划执行和订单的交付，增加质量损失。因此，研究马蜂窝裂纹的形成原因，针对性地采取措施加以控制，对实现船板的连续稳定生产和提高产品效益都有重要意义。

1 裂纹宏观形貌

通过观察E3船板的两处马蜂窝裂纹宏观形貌，分布很不规律，一般开口较大，裂纹长度较小。

2 裂纹微观特征

2.1 成分检验

对E级船板个别钢板表面出现的马蜂窝现场取下样品，利用锯床把带有缺陷的钢板切割成小样品，然后利用自动研磨抛光设备进行抛光处理，把研磨抛光处理后的样品利用直读光谱仪进行成分检测，检测结果表明，根据炉号查询炼钢过程的熔炼成分与化验室光谱分析成分对比二者基本一致，说明裂纹附近成分无异常变化。

2.2 试样金相分析

在钢板马蜂窝裂纹处沿轧制方向剖开，对平行于轧制方向的横截面机械研磨抛光腐蚀后，进行金相组织观察，E3船板的金相组织为铁素体+珠光体组织，珠光体呈带状分布。马蜂窝裂纹开口较大，由表面成喇叭状向里延伸，在裂纹近表面的一侧可以观察到严重的脱碳区，而裂纹的另一侧仅在裂纹的附近存在轻微脱碳，可以观察到少量的珠光体组织。裂纹开口内充满灰色的氧化物。观察另一较深的马蜂窝裂纹及其周围的金相组织形貌，裂纹两侧的组织存在较轻微的脱碳，而且两侧组织形貌存在很明显的差异，裂纹近表面一侧的珠光体组织弥散分布，铁素体晶粒呈等轴状，有长大迹象；而在裂纹另一侧的基体中，珠光体成明显的带状分布，裂纹开口和裂纹扩展方向均平行于带状珠光体组织的分布方向。

2.3 试样扫描电镜分析

对试样的裂纹处及裂纹周围进行扫描电镜分析和能谱分析。可以看到裂纹及其附近位置均有颗粒性物质存在。对颗粒进行能谱分析表明，这些颗粒性物质主要为含Si和Mn的氧化物颗粒。此外，对比可以发现裂纹附近处的氧化颗粒密度和尺寸都明显高于裂纹处。

二次氧化颗粒的形成必须具备三个条件：一是材料在高温状态，对钢来说应该在900℃以上；二是基体首先脱碳，并且有氧的氛围；三是必须有较长的时间，如果时间较短，即使在高温下，也只能在表层生成氧化铁皮，而不能在氧化铁皮的下面再生成二次氧化颗粒[1-2]。具体反应过程为：在高温加热过程中，裂纹表面氧化皮发生还原反应，氧化铁中的氧被置换出来，基体中的碳会和置换出的氧或者外部渗入的氧发生反应，生成二氧化碳或者一氧化碳气体，造成基体脱碳，这时炉内的氧含量极低，存在一个相对缺氧的环境，脱碳后基体中的Si和Mn会优先和少量的氧发生反应，生成二次氧化颗粒。二次氧化颗粒的生成是一个比较缓慢的过程，需要有充足的时间，另外周围的氧含量不能太高，否则会在表面迅速生成氧化铁保护膜，阻止氧气的进入，不能产生二次氧化颗粒。

3 分析与讨论

根据两不同裂纹处的金相组织形貌可观察到在裂纹的近表面一侧有严重的脱碳区，且开口处存在严重脱碳现象，应该是铸坯中存在的裂纹。如果是轧制中的开裂，裂纹周围脱碳层应该只存在于裂纹表层。裂纹两侧组织形貌存在明显的差异，裂纹近表面一侧的珠光体组织弥散分布，而裂纹另一侧存在完整的带状组织形貌，且裂纹开口和扩展方向与带状珠光体组织近似平行，这说明在带状组织形成之前，裂纹已经存在。正是由于早就存在的裂纹，改变了轧制过程中裂纹处组织的受力状态，裂纹开口处不再受平行于轧制方向的拉应力，因而近表面的带状组织不明显；若是轧制中的开裂，轧制中带状组织已经存在，裂纹开口处的带状组织与裂纹应该是近似垂直关系，而不是所观察到的近似平行关系。

由裂纹处及裂纹周围扫描电镜和能谱分析观察到裂纹周围大量二次氧化颗粒存在，虽然轧制温度较高，但持续时间较短，不具备生成皮下二次氧化颗粒的条件，轧制过程中钢板的表面迅速产生氧化铁保护膜，不会在轧制过程产生大量二次氧化颗粒。

经以上分析可知：E级船板马蜂窝裂纹并不是在轧制过程中产生的，而是在铸坯中早已存在。由于在裂纹开口处并没有观察到保护渣成分，该裂纹的产生可能有两种：一是在结晶器内产生非常细微的裂纹，或者以气泡的形式存在[3]，没有卷入保护渣，经过轧钢加热炉内的高温加热后，形成大量脆性的二次氧化颗粒和裂纹内氧化铁皮，在轧制过程中裂纹不能焊合，反而开口扩展增大；二是有可能在浇铸后的冷却过程中产生的热裂纹。

4 改进措施

1）强化精炼手段，进一步控制钢中O、N、H等气体含量。从来源上控制好H的进入，保证所用原材料烘干后使用，强化LF、VD、连铸等各环节的保护浇注，避免吸气。

2）避免连铸过程的非稳态浇注，非稳态铸坯做好下线试清工作。

3）强化连铸过程控制，避免喷嘴堵塞，使铸坯过冷均匀。

4）确保证良好的铸机设备运行状态，加强弯曲段、矫直段的维护，保证对弧和开口度。

5 结语

E级船板马蜂窝裂纹并不是在轧制过程中产生的，而是在铸坯中早已存在。连铸板坯已经存在皮下气泡或者微小裂纹，加热后形成脆性的二次氧化颗粒在后来的轧制过程中，缺陷区不能参与同步变形，裂纹不但不能轧合，反而开口扩展增大，最终形成马蜂窝状的裂纹。通过强化对连铸、精炼的过程控制，获得了高质量的连铸坯，将济钢马蜂窝裂纹由原来的1.2%降低到了0.3%，大大减少了表面质量不合格补产造成的工艺成本，为E级船板的及时交付提供了保障。

【参考文献】

[1]许庆太，魏伯，赵晓飞，等.钢板表面纵向裂纹的金相检验和分析[J].理化检验・物理分册，2006，42（12）：634-635.

[2]彭凯，刘雅政，谢彬.硅钢裂纹处氧化圆点及脱硅现象的实验研究[J].北京科技大学学报，2007，29（11）：1087-1090.

[3]肖寄光，王福明.连铸坯中气泡产生原因分析及判断方法[J].宽厚板，2006，12（2）：32.