HRB400 螺紋鋼切分軋制開裂原因分析

常曉敏，劉文慧，鐘心峰

（山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司，山東 德州 251100）

螺紋鋼作為建筑用鋼的主要材料，廣泛應(yīng)用于房屋、橋梁、道路等工程建設(shè)。為更好滿足客戶和市場需求，螺紋鋼除成分、性能符合要求外，表面質(zhì)量也有嚴格要求。軋鋼某車間采用165mm*165mm方坯四切分軋制生產(chǎn)HRB40014螺紋鋼材時，鋼材成品表面的縱肋有間斷的無規(guī)則的開裂現(xiàn)象，共挑出開裂鋼材10 余噸，均判為廢品。在開裂鋼材區(qū)域取樣進行金相組織檢驗、能譜成分分析、鋼坯低倍檢驗以及連鑄工藝分析，找出螺紋鋼軋制開裂的主要原因，提出改善措施，提高成材率，實現(xiàn)降本增效。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌

圖1 所示為表面開裂試樣宏觀形貌，開裂位置位于鋼材縱肋處，呈間斷無規(guī)則分布，縱肋高2.3mm 左右，大于正常肋高1.0mm 左右，開口位置內(nèi)側(cè)較光滑（箭頭所指位置a）。

圖1 表面開裂試樣局部放大宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在開裂鋼材上取成分樣進行分析，成分結(jié)果顯示符合GB/T 1499.2-2018 標準規(guī)定的要求，S、P 等導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)熱脆開裂、冷脆開裂現(xiàn)象的元素含量控制在國標允許范圍內(nèi)。因此，鋼材軋制開裂與鋼材成分無關(guān)[1，2]。

表1 化學成分實測值

1.3 鋼坯低倍檢驗

在同一批次的剩余鋼坯上截取低倍試樣1 支，經(jīng)鋸床切割和銑床銑平后，用35%的工業(yè)鹽酸水溶液電解腐蝕25min，試樣取出后用清水清洗腐蝕面并吹干。通過觀察發(fā)現(xiàn)鋼坯內(nèi)弧一側(cè)，距離連鑄坯表面11mm ～22mm 區(qū)域內(nèi)存在大量非金屬夾雜物（圖2），采用YB/T4002-2013 對樣品進行評定，非金屬夾雜物級別為3.0 級，結(jié)果如表1 所示。

表2 低倍檢驗結(jié)果

圖2 165mm*165mm 方坯低倍檢驗宏觀形貌

1.4 金相檢驗

低倍檢測通常只能通過肉眼檢測尺寸較大的宏觀缺陷，而一些細小的夾雜和缺陷需對其進行微觀金相分析。

在試樣開裂位置取1 支橫向金相試樣，在開裂附近截取1 支縱向金相試樣，切割后的試樣經(jīng)粗磨、細磨、拋光后觀察。低倍檢驗，開裂試樣存在明顯的裂縫。光學顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)試樣中存在大量條狀硅酸鹽類夾雜物?？v向試樣作為夾雜物試樣，可發(fā)現(xiàn)縱截面上存在大量夾雜物，且大多為超尺寸夾雜，選取最嚴重視場進行評級，評級結(jié)果大于3.0 級。非金屬夾雜物容易偏聚，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且夾雜物與鋼基體塑性不同，存在變形差異，夾雜物的存在嚴重破壞了鋼材基體的連續(xù)性，采用切分軋制工藝生產(chǎn)時，鋼坯中的夾雜物容易暴露在表面，在夾雜物與鋼材基體間產(chǎn)生微裂紋，軋制過程中，裂紋在外力的作用下不斷擴展，最終導(dǎo)致成品鋼材出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。金相檢驗結(jié)果如圖3 ～圖5。

圖3 開裂試樣形貌10X

圖4 開裂處橫截面上硅酸鹽夾雜物形貌50X

圖5 縱截面硅酸鹽夾雜物形貌50X

將試樣采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕觀察，金相組織如圖6所示，為鐵素體和珠光體，晶粒度9.5 級，無異常組織，無晶粒粗大現(xiàn)象，符合熱軋帶肋鋼筋的國家標準。

圖6 開裂試樣的金相組織

2 夾雜物來源分析

能譜分析。鋼中夾雜物分為內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物，內(nèi)生夾雜物是鋼中O、S 等元素與金屬形成化合物，在冶煉過程中來不及上浮，鋼液凝固后形成夾雜物，夾雜物較細小，數(shù)量少，而外來夾雜物主要來自于耐材、結(jié)晶器保護渣、覆蓋劑等，一般數(shù)量較多，形狀不規(guī)則，尺寸較大。

為進一步確定夾雜物的來源，對試樣進行電鏡掃描和能譜分析，定性結(jié)果如圖7 所示，缺陷部位含有F、Na、Mg、Al、Si、Ca、Zr、O、Mn 等元素，屬于SiO2-CaO-MnO-ZrO 系的復(fù)雜氧化物，金相觀察發(fā)現(xiàn)夾雜物數(shù)量較多，確定為外來復(fù)合型非金屬夾雜物，是結(jié)晶器保護渣和浸入式水口的主要成分。

圖7 HRB400 螺紋鋼開裂位置和正常位置夾雜物能譜分析表能譜分析成分含量

表3 夾雜物中元素分配比例

對異常爐次連鑄工藝的浸入式水口部分和結(jié)晶器液面波動情況進行復(fù)查，水口使用中后期如圖8 所示，端部出現(xiàn)缺口，侵蝕嚴重，導(dǎo)致鋼液從中間包注入結(jié)晶器時的通鋼量增加，液面的波動曲線如圖9 所示，可以看出該爐次生產(chǎn)過程結(jié)晶器液面波動明顯，導(dǎo)致保護渣卷入到鋼水中，凝固后停留在鋼中形成夾雜物導(dǎo)致鋼材表面開裂。

圖8 浸入式水口侵蝕情況

圖9 結(jié)晶器液面波動曲線

3 結(jié)論和措施

（1）鋼坯在澆鑄時浸入式水口侵蝕嚴重，結(jié)晶器液面波動大，導(dǎo)致結(jié)晶器保護渣卷渣是產(chǎn)生裂紋的根本原因。

（2）軋鋼采用切分工藝軋制時，夾雜物容易暴露在鋼材的表面，在縱肋根部存在應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂。

（3）加強結(jié)晶器液面控制，浸入式水口插入深度嚴格按標準執(zhí)行。

（4）嚴格執(zhí)行套管使用標準，套管的烘烤溫度要達到550℃以上，且烘烤時間不宜過長，防止因氧化涂層被氧化而縮短套管的使用壽命。