熱軋H 型鋼翼緣邊裂成因分析

邵永紅，崔新華

（福建鼎盛鋼鐵有限公司，福建福鼎355200）

某鋼廠(chǎng)型鋼生產(chǎn)線(xiàn)連續(xù)5 天生產(chǎn)過(guò)程中，每次都在開(kāi)澆爐的前幾支熱送后，在型鋼軋制時(shí)出現(xiàn)邊部裂紋缺陷，被迫報(bào)廢處理,造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。該鋼廠(chǎng)生產(chǎn)工藝流程為：廢鋼→電爐→精煉→方坯連鑄→熱送→加熱爐→軋制成材。邊裂缺陷出現(xiàn)在H300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm 產(chǎn)品規(guī)格中，主要鋼種為Q235B，該規(guī)格H 型鋼采用350 mm×230 mm 連鑄坯軋制而成，其化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 Q235B 熱軋H 型鋼化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

為了降低及杜絕裂邊產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題再次發(fā)生，控制質(zhì)量缺陷，筆者對(duì)型鋼出現(xiàn)邊裂缺陷的部分取樣并進(jìn)行了檢驗(yàn)分析,對(duì)連鑄生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤，檢查了中間包砌筑及烘烤情況，觀(guān)察開(kāi)澆生產(chǎn)過(guò)程并將每次開(kāi)澆的第一只鋼坯下線(xiàn)檢查其表面質(zhì)量。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀(guān)檢驗(yàn)

1.1.1 型鋼邊部裂紋宏觀(guān)檢驗(yàn)

熱軋H 型鋼翼緣開(kāi)裂缺陷是指熱軋H 型鋼翼緣邊部沿軋制方向出現(xiàn)的基體破裂，如圖1 所示。裂紋主要分布在H 型鋼翼緣兩側(cè)邊部，分布并不規(guī)則，開(kāi)口大小不一，邊緣部分粗糙且裂口方向沒(méi)有規(guī)律；有些裂紋沿著軋制方向伸長(zhǎng)，間斷不連續(xù)，整支H型鋼的翼緣都有裂紋。

圖1 H 型鋼邊部長(zhǎng)裂紋形貌圖

1.1.2 鑄坯端面檢查

由于熱送軋制時(shí)出現(xiàn)幾只邊裂，將每次開(kāi)澆的每流第一只鑄坯下線(xiàn)檢查，發(fā)現(xiàn)鑄坯的端部有明顯的表面氣孔，如圖2 所示。

圖2 鑄坯端面形貌圖

1.1.3 鑄坯低倍檢驗(yàn)

為了繼續(xù)驗(yàn)證連鑄坯內(nèi)部缺陷，首先將鋼坯斷面鋸切并用銑床加工，然后采用熱酸浸蝕，對(duì)坯樣進(jìn)行清洗后，觀(guān)察檢驗(yàn)其低倍組織，結(jié)果如圖3 所示。圖（a）低倍組織出現(xiàn)了三角區(qū)裂紋，圖（b）存在皮下氣泡、角裂等缺陷。

圖3 鑄坯低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果圖

鑄坯送到加熱爐內(nèi)加熱后，其表面氣泡及角部裂紋的間隙在空氣中逐步被氧化，由于表面氧化物在軋制過(guò)程中無(wú)法軋合，不斷拉伸變形導(dǎo)致了H 型鋼邊部產(chǎn)生裂紋，形成邊裂缺陷。

1.2 顯微組織分析

為更好地研究分析型鋼裂紋產(chǎn)生的具體原因，對(duì)型鋼邊裂缺陷部位取樣進(jìn)行高倍組織分析。試樣的裂紋沿樣板上部斜向下延伸，裂紋內(nèi)部有夾雜物，裂紋兩側(cè)均有明顯的氧化、脫碳現(xiàn)象；鋼材基體高倍組織形狀是鐵素體和珠光體，晶粒較細(xì)，晶粒度約為8 級(jí)，如圖4 所示。

圖4 金相組織及裂紋形貌圖

翼緣開(kāi)裂缺陷均因鑄坯的缺陷在加熱爐中被氧化，再經(jīng)軋制被暴露和擴(kuò)展形成，而裂紋周?chē)奂植嫉难趸瘖A雜無(wú)法軋合，促進(jìn)了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)張。

1.3 化學(xué)成分分析

從邊裂缺陷的樣板上取樣進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。鋼坯樣熔煉成分可以看出，成分正常且全部符合Q235B 熱軋H 型鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分范圍。

表2 化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2 鑄坯表面氣泡分析

2.1 鑄坯表面氣泡形成原因

方坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，鋼液含有各種氣體，凝固過(guò)程氣體分壓大于大氣壓和鋼水靜壓力之和時(shí)，就會(huì)有氣泡產(chǎn)生，如果這些氣泡聚集長(zhǎng)大或者在鋼水凝固時(shí)不能溢出揮發(fā)就會(huì)成為氣泡缺陷。連鑄坯氣泡缺陷的形成與中間包砌筑及烘烤、鋼水過(guò)熱度、脫氧程度、鋼水二次氧化等均有一定關(guān)系。

2.2 鋼水過(guò)熱度

氣泡形成的動(dòng)力學(xué)可由如下公式表示：

氣泡半徑r 與兩相區(qū)寬度（x1-x2）成正比例關(guān)系。當(dāng)鋼液的過(guò)熱度大時(shí)兩相區(qū)的溫度梯度增大，寬度減小，則有利于柱狀晶的生長(zhǎng)。由于兩相區(qū)寬度（x1-x2）減小，氣泡半徑減小不易上浮排除，殘留在鋼中形成氣泡。

式中：r—?dú)馀莅霃?，μm

β—凝固收縮系數(shù)，αV

η—鋼液粘度，mPa·s

R—樹(shù)枝晶生長(zhǎng)速度，μm/s

x1-x2—兩相之間的寬度，μm

ρ—鋼液密度，g/cm3

H—鋼液面高度，mm

δ—鋼液表面張力，N/m

Pg—凝固前沿母液中富集氣體的平衡分壓，Pa

降低鋼水過(guò)熱度，在接近液相線(xiàn)合適溫度區(qū)間進(jìn)行鋼水澆注，可增加兩相區(qū)寬度（x1-x2），使氣泡半徑增大，促進(jìn)鋼液中氣體上浮，減少鑄坯氣泡的出現(xiàn)。研究表明鋼水過(guò)熱度在30 ℃以上時(shí)，鋼坯出現(xiàn)氣泡的幾率比合適過(guò)熱度條件下高出3～4 倍。

實(shí)際生產(chǎn)的第一爐上鋼溫度、中包溫度與過(guò)熱度見(jiàn)表3。

表3 連鑄上鋼溫度、中包溫度與過(guò)熱度

由上表可以看出，開(kāi)澆第一爐的溫度都偏高，過(guò)熱度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍較多。較高的過(guò)熱度會(huì)造成鋼液氧、氫氣體含量升高，尤其是剛開(kāi)澆時(shí)，中間包溫度更是大大高出要求范圍，而且中間包內(nèi)沒(méi)有完全被覆蓋劑覆蓋，保護(hù)澆鑄尚未到位，造成大面積與空氣接觸，二次氧化吸氣嚴(yán)重，所以高溫也是造成氣體含量高的原因。

2.3 脫氧程度

當(dāng)鋼水脫氧不良時(shí)，鋼液中氧含量會(huì)較高，澆注降溫過(guò)程會(huì)發(fā)生碳氧反應(yīng)，生成CO 氣體，部分CO氣泡長(zhǎng)大后,在浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氣液界面持續(xù)碳氧反應(yīng),并吸附所遇到的雜質(zhì)和其它氣泡，最后從鋼水中逸出或被凝固界面捕獲留在連鑄坯中，一部分氣泡不運(yùn)動(dòng)，附著在原枝晶間，成為連鑄坯“針孔”或皮下氣泡。

該廠(chǎng)連鑄生產(chǎn)的鋼種全部經(jīng)過(guò)精煉爐處理，而且精煉時(shí)間都能夠保證，過(guò)程白渣良好成分正常，精煉渣樣TFe含量＜0.5%，所以鋼水脫氧程度沒(méi)有問(wèn)題，不是鋼坯氣泡形成的原因。

2.4 二次氧化

中間包烘烤后開(kāi)澆前，會(huì)有溫降吸氣現(xiàn)象，如果不采取措施，很可能造成開(kāi)澆鋼水接觸空氣二次氧化現(xiàn)象。為了降低二次氧化風(fēng)險(xiǎn)，一般都需要向中間包內(nèi)吹入氬氣，進(jìn)行氣體置換，減少中間包氧含量。前期煉鋼廠(chǎng)對(duì)方坯連鑄不重視，沒(méi)有采取相應(yīng)措施，連續(xù)出現(xiàn)開(kāi)澆頭坯氣泡后，也采取了氣體置換措施，和其他措施共同實(shí)施后，杜絕鑄坯氣孔的再次出現(xiàn)。

如圖5 所示，在中間包烘烤結(jié)束后，將通有氬氣的鋼管放置到中間包蓋的上部三個(gè)孔內(nèi)，向中間包內(nèi)部吹氬氣，把中間包內(nèi)部的熱空氣置換出來(lái)，直到大包開(kāi)澆液面上漲并被中間包保護(hù)渣覆蓋后，將鋼管撤掉，停止向中間包內(nèi)吹氬氣。

圖5 中間包氣體置換現(xiàn)場(chǎng)圖

2.5 中間包砌筑與烘烤

通過(guò)檢查中間包烘烤記錄，連鑄車(chē)間嚴(yán)格執(zhí)行中間包砌筑廠(chǎng)家提供的烘烤曲線(xiàn)及時(shí)間，烘烤溫度達(dá)到1 000 ℃以上，但是在開(kāi)澆后中間包外部鋼殼排氣孔洞處仍存在滴水（見(jiàn)圖6）、冒氣現(xiàn)象，下線(xiàn)的第一只坯的頭部仍然有表面氣孔。

圖6 中間包氣孔滴水情況現(xiàn)場(chǎng)圖

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，中間包干式料現(xiàn)場(chǎng)擺放雜亂無(wú)章，無(wú)防潮、防濕措施，抽樣檢查過(guò)程中同時(shí)發(fā)現(xiàn)中間包干式料有水分超標(biāo)現(xiàn)象；另外中間包干式料和耐火泥都存在超期使用的情況。

中間包耐火材料含有水分烘烤不良時(shí)，在澆鑄的前一階段（主要是開(kāi)澆爐的頭幾只坯），水蒸氣會(huì)進(jìn)入鋼中變成[H]、[O]原子，若形成氣泡，其化學(xué)成分應(yīng)該是以CO（一般鋼種的方坯不加鋁合金脫氧）和H2為主。其的特點(diǎn)是，只有澆次的頭一爐的前幾支坯出現(xiàn)氣泡，越到后面氣泡越少。一些鋼廠(chǎng)的連鑄坯，經(jīng)常出現(xiàn)坯頭氣泡，這是原因之一。

3 改進(jìn)措施與效果

為避免H 型鋼邊裂質(zhì)量問(wèn)題，需要提高坯料的內(nèi)部質(zhì)量，杜絕鋼坯表面氣泡等缺陷，降低質(zhì)量事故的發(fā)生。筆者對(duì)鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了以下優(yōu)化改進(jìn)。

（1）對(duì)精煉爐提出造白渣操作，開(kāi)澆爐鋼水氧含量控制在20×10-6左右，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程。

（2）控制中間包鋼水過(guò)熱度在20～30 ℃范圍，使氣泡上浮具有良好的動(dòng)力學(xué)條件。

（3）開(kāi)澆前向中間包吹氬氣，進(jìn)行氣體置換，減少鋼水與空氣的接觸出現(xiàn)的二次氧化現(xiàn)象。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行中間包的管理制度及中間包砌筑工藝要求，要保證中間包耐火材料的質(zhì)量，注意生產(chǎn)日期及做好防潮、防濕措施，超期的澆注料或者干式料不能繼續(xù)使用。

（5）為了避免澆注料吸收空氣中的水分，在每次中間包打結(jié)干式料前，首先對(duì)中間包永久層進(jìn)行烘烤，保證干燥不潮濕。

（6）嚴(yán)格按照中間包線(xiàn)下、線(xiàn)上烘烤制度進(jìn)行烘烤，保證中間包的烘烤達(dá)到合適的時(shí)間和溫度，確保內(nèi)部的水分排除干凈。

（7）嚴(yán)格執(zhí)行中間包確認(rèn)制，中間包排氣孔堵塞時(shí)，必須及時(shí)處理干凈，保持排氣暢通。

在以上措施施行后，鑄坯檢測(cè)質(zhì)量有了明顯提高，鑄坯沒(méi)有出現(xiàn)氣泡問(wèn)題，未再出現(xiàn)H 型鋼軋制邊裂缺陷。圖7 是采取措施后生產(chǎn)的型鋼，表面質(zhì)量良好，判定為合格產(chǎn)品。

圖7 型鋼表面形貌圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）方坯連鑄澆注過(guò)程中鑄坯存在角部裂紋、表面氣泡等缺陷，是導(dǎo)致該廠(chǎng)H 型鋼軋制時(shí)出現(xiàn)邊部裂紋缺陷的主要原因。

（2）通過(guò)完善中間包砌筑烘烤制度，精煉深脫氧、中間包氣體置換及采取合適的連鑄鋼水過(guò)熱度等改進(jìn)措施，有效減少連鑄坯表面氣泡缺陷，H 型鋼邊部裂紋缺陷得到有效控制。