異形坯生產(chǎn)S450J0V鋼樁鋼表面質(zhì)量控制與改善

張年華　李亮　渠松濤

摘 要：采用異形坯生產(chǎn)S450J0V鋼樁鋼過(guò)程中，鑄坯表面出現(xiàn)腹板裂紋、R角裂紋、以及腿部橫裂紋，導(dǎo)致鑄坯廢次。通過(guò)提升鋼水純凈度、優(yōu)化結(jié)晶器水及二冷水，提升拉速等措施控制裂紋，鑄坯表面質(zhì)量取得明顯改善。

關(guān)鍵詞：S450J0V；異形坯；表面裂紋；改善

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.001

H型鋼樁在生產(chǎn)時(shí)采用一次軋制而成，較鋼管樁在成本上便宜40%左右，同時(shí)具有易于拼接、可采用兩面焊接等特點(diǎn)，既可以提高接頭施工效率，又可以保證接頭強(qiáng)度與樁身強(qiáng)度接近，實(shí)際應(yīng)用中具有沉樁灌入能力強(qiáng)、擠土量小、易拼接等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種地質(zhì)復(fù)雜、巖面起伏大、混凝土樁難以施打的地基中[1]，目前H型鋼樁在美國(guó)、日本、新加坡及國(guó)內(nèi)的香港、上海等軟土層較厚的地區(qū)得到了大量應(yīng)用。日照鋼鐵2014年引入異形坯后，不斷拓展新品種，通過(guò)技術(shù)人員與生產(chǎn)單位的共同努力，成功開(kāi)發(fā)出鋼樁鋼S450J0V。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到性能不合、R角裂紋、腹板裂紋、腿部橫裂紋諸多問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，跟蹤生產(chǎn)并分析總結(jié)最終獲得了較為成熟的生產(chǎn)工藝流程。

1 生產(chǎn)工藝控制

1.1 工藝流程

煉鋼按照混鐵爐→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→異形坯連鑄機(jī)→下線碼垛。為了保證鋼水的純凈度，精煉嚴(yán)格控制鋼水氧含量，采用延長(zhǎng)精煉軟吹時(shí)間，全程保護(hù)澆注等措施。針對(duì)存在質(zhì)量問(wèn)題鑄坯采用修磨處理，嚴(yán)重者切廢處理。

1.2 化學(xué)成分控制

S450J0V鋼樁鋼對(duì)于機(jī)械性能的要求以及日鋼異形坯的軋制設(shè)備與技術(shù)共同決定了化學(xué)成分設(shè)計(jì)，為了保證型材的品質(zhì)，采用氮化釩鐵與釩鐵混合的方式，鋼中氮含量控制在110ppm左右，P+S≤0.030%。實(shí)際化學(xué)成分控制如下表所示：

1.3 關(guān)鍵工藝控制

轉(zhuǎn)爐采用點(diǎn)吹1次出鋼，控制出鋼P(yáng)含量≤0.020%；精煉爐精煉時(shí)間≥35min，軟吹時(shí)間≥10min，精煉渣堿度2.3≤R≤2.8，白渣時(shí)間≥10min；連鑄機(jī)采用3流3機(jī)BB3斷面異形坯，全程保護(hù)澆鑄，結(jié)晶器冷卻水量：1190/675，進(jìn)水溫度30-35℃；二冷水采用“弱冷”模式，中包過(guò)熱度20-35℃，拉速控制在1m±0.05m/min，保護(hù)渣使用ST-SP/BM-BB3。

2 異形坯表面質(zhì)量缺陷及原因分析

2.1 異形坯R角縱裂紋

通過(guò)觀察連鑄坯R角裂紋缺陷部分，可以看到R角裂紋周?chē)嬖谳p微凹陷。R角裂紋主要出現(xiàn)在BB3斷面生產(chǎn)過(guò)程中，BB1斷面所產(chǎn)鑄坯R角裂紋較少，但是由于BB1斷面生產(chǎn)鑄坯腹板裂紋較多，且在軋制過(guò)程中無(wú)法彌合。因此在實(shí)際生產(chǎn)中更多采用BB3斷面生產(chǎn)S450J0V。將裂紋部分取樣酸洗后切片，R角裂紋如圖1所示：

表面R角裂紋產(chǎn)生的原因主要是保護(hù)渣性能不良和冷卻水配比不當(dāng)?shù)?。保護(hù)渣主要是防止鋼液二次氧化和在振動(dòng)過(guò)程中起潤(rùn)滑作用，但它又是鋼液夾雜來(lái)源之一，因此選擇合適的保護(hù)渣顯得尤為重要。異形坯所用保護(hù)渣與一般方坯用保護(hù)渣相比黏度稍高些，以便能均勻地流入鑄坯的各個(gè)冷卻面，起到良好的潤(rùn)滑和傳熱作用，若結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣潤(rùn)滑效果不好，渣膜厚度不均勻，會(huì)導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，渣膜較厚的地方坯殼薄，強(qiáng)度較差，容易產(chǎn)生裂紋。

2.2 異形坯腹板縱裂紋

造成異形坯腹板裂紋的原因主要有：

（1）異形坯形狀特殊，與普通板坯相比受力更加復(fù)雜（如下圖2所示），其最大區(qū)別在于：a、腹板坯殼收縮受翼緣 （ 結(jié)晶器凸出部分） 的牽制，形成額外的應(yīng)力，而板坯寬面坯殼自由收縮；b、翼緣的變形使得腹板與結(jié)晶器壁之間的摩擦力增加，造成腹板坯殼冷卻收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力更大；c、在結(jié)晶器下部和二次冷卻區(qū)，翼緣的收縮變形使腹板表面裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)增大。

（2）表面溫度梯度對(duì)腹板裂紋的影響異形坯斷面形狀不規(guī)則，很難實(shí)現(xiàn)均勻冷卻，表現(xiàn)在鑄坯上是表面溫度梯度大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明腹板溫度比其他部位低 120 ～ 240 ℃，且腹板處于低溫脆性區(qū)，裂紋敏感性強(qiáng)。BB1斷面較BB3斷面腹板薄20mm，生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)中顯示，腹板裂紋數(shù)量明顯較多。

（3）應(yīng)力集中對(duì)腹板裂紋的影響溫度的不均勻造成應(yīng)力分布不均勻，且異形坯表面受力多維，異形坯 表面應(yīng)力分布更加復(fù)雜。通過(guò)有限元分析法模擬溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果顯示應(yīng)力集中于腹板部位，是其他部位的10倍以上（上圖3所示）。腹板部位應(yīng)力集中，增加了裂紋的出現(xiàn)概率 。

2.3 異形坯腿部橫裂紋

在采用BB3斷面生產(chǎn)S450J0V時(shí)個(gè)別澆次鑄坯表面出現(xiàn)嚴(yán)重的橫裂紋（如下圖4、圖5所示）。鑄坯翼R角以上靠近翼緣的部位有翼板橫向開(kāi)裂，裂紋無(wú)確定起始位置，火焰吹掃掉氧化鐵皮后隱約可見(jiàn)。長(zhǎng)度20-100mm左右，深度不等，有的不開(kāi)口，有的開(kāi)口很大在振痕的波谷處，多發(fā)生在內(nèi)弧，兩側(cè)翼緣發(fā)生概率基本一樣，外弧幾乎沒(méi)有，裂紋深度達(dá)4mm以上，幾乎達(dá)到深不見(jiàn)底的情況。此鑄坯在軋制后出現(xiàn)嚴(yán)重的腿部結(jié)疤，從軋鋼退出的半成品鑄坯可以看到，經(jīng)過(guò)粗軋機(jī)BD1一個(gè)道次后，腿部橫裂紋加深加寬加長(zhǎng)。橫裂紋的產(chǎn)生原因具體有以下幾個(gè)方面：

（1）鑄坯轎直溫度較低，異形坯在進(jìn)入拉矯機(jī)前表面溫度較低，由于異形坯的特殊性，翼緣散熱較快而腹板散熱較慢在拉矯機(jī)入口第一矯直點(diǎn)前測(cè)量連鑄坯的表面溫度，異形坯在矯直區(qū)溫度分布很不均勻[3]，表面溫度從翼緣頂端、R角、腹板等位置溫度差異跨度200℃左右，翼緣端部到R角溫差較大，翼緣矯直溫度較低，矯直度處于第三脆性區(qū)，鑄坯內(nèi)弧在張力作用易下產(chǎn)生裂紋。

（2）化學(xué)成分影響，該鋼含有一定量的V、N等元素，由于本鋼種對(duì)于機(jī)械性能的要求，鋼中N含量往往超過(guò)100ppm。鑄坯冷卻過(guò)程中，氮化物在晶界析出導(dǎo)致降低鋼的熱塑性，促進(jìn)異形坯表面橫裂紋的發(fā)生；在晶界的析出物越細(xì)小，析出物體積百分比越高對(duì)鋼種的熱塑性惡化越嚴(yán)重[4]，N對(duì)橫裂紋敏感性的影響會(huì)因鋼種合金元素的不同而不同，但最大限度地減少氮含量可減少橫裂紋的發(fā)生。endprint

3 改進(jìn)措施

S450J0V的V目標(biāo)值控制在0.11%，氮化釩鐵的加入量在實(shí)際生產(chǎn)中不斷的摸索試驗(yàn)，采用BB3斷面時(shí)，分別試驗(yàn)過(guò)使用1.2kg/t—2kg/t，力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氮化釩鐵在1.4kg/t可以滿足機(jī)械性能要求，此時(shí)鋼中氮含量110ppm左右。此時(shí)氮化物在冷卻過(guò)程中極易析出，造成矯直橫裂紋，因此需要提高對(duì)鑄坯矯直溫度的控制。BB3斷面R角裂紋多少取決于保護(hù)渣性能。因此控制措施主要從以下幾個(gè)方面：

3.1 保護(hù)渣調(diào)整

日鋼在生產(chǎn)S450J0V過(guò)程中，主要使用斯多伯格保護(hù)渣，經(jīng)過(guò)研究對(duì)比使用，目前使用的斯多伯格ST-SP/BM-BB3在BB3斷面上應(yīng)用較為廣泛。

實(shí)際生產(chǎn)中鑄坯檢驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)型保護(hù)渣ST-SP/BM-BB3對(duì)異形坯表面質(zhì)量改善作用較好，能夠保證鑄坯質(zhì)量R角裂紋可控。

3.2 連鑄拉速控制

連鑄坯矯直區(qū)溫度除了受到冷卻制度的直接影響外，異形坯連鑄拉速也起到重要影響。提高拉速，雖然不影響直接冷卻強(qiáng)度，但二冷區(qū)停留時(shí)間變短，實(shí)際出坯溫度明顯升高。BB3斷面拉速在0.7m/min與1.0m/min時(shí)矯直區(qū)溫度相差100℃以上。經(jīng)過(guò)不斷實(shí)踐，結(jié)合日鋼生產(chǎn)節(jié)奏，采用BB3斷面生產(chǎn)S450J0V時(shí)拉速控制在1.0±0.05m/min。

3.3 冷卻制度改善

生產(chǎn)異形坯品種鋼采用盡可能弱的一冷與二冷可以改善裂紋，通過(guò)對(duì)某先進(jìn)鋼企品種鋼生產(chǎn)的交流與學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)日鋼設(shè)備原設(shè)計(jì)冷卻強(qiáng)度過(guò)大，腹板部位冷卻過(guò)強(qiáng)，鑄坯在出二冷段后回?zé)幔瑹釕?yīng)力再次集中，容易導(dǎo)致裂紋在二冷區(qū)擴(kuò)展，使裂紋在深度和寬度上得以延伸，有些皮下裂紋甚至?xí)l(fā)展為表面裂紋。根據(jù)避開(kāi)溫度脆性區(qū)的原則，通過(guò)實(shí)測(cè)鑄坯溫度，結(jié)合日鋼生產(chǎn)的實(shí)際情況，將BB3斷面一冷水調(diào)整為1190/675，二冷水采用弱冷，比水量0.55L/kg。使鑄坯腿部裂紋敏感區(qū)在二次冷卻過(guò)后溫度達(dá)到900℃，通過(guò)圖6可以看出，提高鑄坯表面溫度一定程度的避開(kāi)了低溫脆性區(qū)，有效少緩橫裂紋產(chǎn)生。

4 改善效果

通過(guò)實(shí)施以上的改進(jìn)措施，BB3斷面異形坯生產(chǎn)S450J0V時(shí)鑄坯表面質(zhì)量取得較大進(jìn)步，目前鑄坯表面僅有少量R角裂紋與腹板裂紋，通過(guò)修磨處理，能夠滿足軋鋼生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

（1）化學(xué)成分穩(wěn)定的前提下，氮化釩鐵加入量控制在1.4kg/t可以滿足客戶對(duì)機(jī)械性能要求，又可以最大限度控制氮化物的析出，型材氮含量110ppm左右。

（2）采用改進(jìn)后的保護(hù)渣斯多伯格ST-SP/BM-BB3可以有效降低鑄坯R角裂紋的產(chǎn)生。

（3）拉速控制在1.0±0.05m/min，冷卻制度采用弱冷卻，有助于提高鑄坯矯直區(qū)溫度，使鑄坯在矯直過(guò)程中減少橫裂紋的產(chǎn)生。

綜上幾種措施，異形坯生產(chǎn)S450J0V鑄坯裂紋率的到有效控制，鑄坯表面質(zhì)量取得極大改善。

參考文獻(xiàn)：

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（01）：50.endprint