Q390GJD特厚鋼板Z向性能不合格原因分析

劉源 ，叢津功 ，喬馨 ，李新玲 ，應(yīng)傳濤 ，張濤 ，林田子

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，由于結(jié)構(gòu)承載力的需要，要求鋼板具有一定程度的抗層狀撕裂性能。層狀撕裂是一種危害性極大的破壞形式，簡單說其形成機制是在焊接應(yīng)力（Z向應(yīng)力）作用下，基體金屬沿某個缺陷部位開裂并擴展，最終導(dǎo)致基體金屬沿層狀臺階撕裂斷開［1］,對鋼結(jié)構(gòu)整體造成災(zāi)難性的破壞。因此，高層建筑用鋼板優(yōu)異的Z向性能，對于保證鋼結(jié)構(gòu)整體的安全性具有重要的意義。

鞍鋼鲅魚圈5500 mm厚板線自2012年開始進行高建鋼的批量供貨以來，80 mm厚以下的高建鋼的各項常規(guī)性能及Z向性能合格率一直處于很高的水平，但在近期生產(chǎn)正火態(tài)100 mm厚Q390GJD的過程中，出現(xiàn)了批量不能滿足Z35性能要求的情況。本文對正火態(tài)100 mm厚Q390GJD鋼板Z向性能不合格原因進行分析，為今后該鋼種的生產(chǎn)提供可借鑒經(jīng)驗。

1 Q390GJD特厚鋼板生產(chǎn)工藝

針對高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼的性能要求特點，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際及設(shè)備特點，設(shè)計Q390GJD特厚鋼板工藝流程如下:

鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐冶煉—LF精煉—RH真空處理—連鑄（輕壓下）—鋼坯緩冷—加熱—軋制—矯直—堆垛緩冷—正火—切邊—噴印—檢查、檢驗—入庫。

2 Q390GJD Z向性能不合格原因分析

選取5500厚板線生產(chǎn)的正火態(tài)100 mm厚Q390GJD中Z35性能不合格鋼板。取樣進行成分、夾雜物及組織分析。按照國標要求制備成拉伸、沖擊及厚度方向拉伸試樣，進行各項力學(xué)性能檢驗，然后利用QUANTA 400掃描電鏡，對Z向試樣斷口的顯微組織和夾雜物進行分析。

2.1 化學(xué)成分和性能分析

按照GB19879—2005對100 mm厚Q390GJD化學(xué)成分及力學(xué)性能的檢驗標準，進行鋼板成分及性能檢驗，結(jié)果見表1、表2。

表1 100 mm厚Q390GJD化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

表2 100 mm厚Q390GJD檢驗力學(xué)性能

從表1看出，鋼板成分均控制在標準要求范圍，尤其是對Z向性能影響顯著的S元素含量達到0.004%的較低水平。由表2可知，試樣強度、延伸率和沖擊性能均滿足標準要求，但Z向性能未達到Z35級別的要求，進一步排查生產(chǎn)記錄，發(fā)現(xiàn)此批鋼板的軋制及熱處理參數(shù)也都在技術(shù)要求范圍內(nèi)，因此需要對影響Z向性能的原因做進一步分析。

2.2 試樣夾雜物分析

取Z向性能不合格的100 mm厚鋼板試樣，按照GB/T 10561—2005標準進行夾雜物評定，評定結(jié)果見表3。由表3可以看出，A類硫化物類夾雜含量較高，主要形貌為條帶形和球環(huán)形，條帶形夾雜物形貌如圖1所示。

表3 Q390GJD試樣夾雜物評級 級

2.3 金相組織分析

取Z向性能不合的100 mm厚鋼板制成金相試樣，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察鋼板中心部位組織，中心部金相組織見圖2。從圖中可見，試樣中心局部區(qū)域均形成不同程度的組織偏析帶。同時在過冷組織偏析區(qū)域存在一定程度的應(yīng)力裂紋，裂紋沿組織偏析帶方向擴展，且偏析主要發(fā)生在較寬的帶狀組織附近。由于偏析的存在，導(dǎo)致鋼板在軋后的空冷過程中，在偏析帶部位形成部分貝氏體或馬氏體，由于偏析帶與周圍組織在冷卻過程中比容變化的差異性，使得偏析帶附近存在一定程度的裂紋，再附加馬氏體、貝氏體的溫度應(yīng)力及組織應(yīng)力，使得裂紋沿偏析帶進一步擴展，從而大大降低了鋼板的厚度方向性能。

2.4 Z向斷口分析

對Z向拉伸試樣斷口用無水乙醇清洗后進行掃描電鏡觀察，掃描結(jié)果如圖3所示，斷口無明顯頸縮現(xiàn)象，臺階斷面較平坦，無明顯韌窩，即呈較為明顯的脆性斷裂。對斷口處的夾雜進行能譜分析，結(jié)果顯示斷口處的大量夾雜物主要為MnS。MnS為塑性夾雜，在軋制過程中易沿軋制方向變形并呈條狀分布，當鋼板受到厚度方向拉應(yīng)力時，在夾雜物的末端產(chǎn)生應(yīng)力集中，由應(yīng)力引發(fā)的裂紋沿夾雜物所在平面擴展并通過剪切壁與其它平面上的裂紋相互連接，因而使得材料產(chǎn)生了沿厚度方向的層狀撕裂［2］。

3 改善Q390GJD Z向性能的措施

從以上檢驗及分析結(jié)果來看，導(dǎo)致特厚Q390GJD鋼板Z向性能不合格的主要原因是由于存在中心部位的組織偏析以及鋼板中的MnS夾雜，針對上述原因分析，在生產(chǎn)中采取了以下的控制措施。

3.1 控制鋼水中MnS數(shù)量及形態(tài)

通過調(diào)整鈣處理工藝，使塑性的MnS夾雜充分改性為非塑性的球狀CaS夾雜。同時，對未轉(zhuǎn)變的MnS夾雜，控制Ca/S≥3，增加MnS的等向性，盡量減少條帶狀MnS的含量。同時嚴格降低鋼中的有害元素S的含量，鋼板S含量控制在0.003%以下［3］。

3.2 優(yōu)化加熱和控軋工藝

在加熱制度上延長均熱段時間30 min，促進鋼坯在高溫段中心偏析元素的擴散。在軋制階段放開控制模型軋制力限制，提高單道次壓下量，保證變形滲透到芯部，充分破碎粗大晶粒和大顆粒夾雜物，減少組織偏析，進而提高抗層狀撕裂性能。

3.3 熱處理工藝

將升溫速率由原來的1.0 min/mm延長至1.5 min/mm，避免鋼板在加熱過程中產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，同時在達到目標熱處理溫度后，延長鋼板保溫時間20 min，使得帶狀組織充分均勻化。

4 改進后的效果

在5500 mm厚板線上實施上述改進措施后，進行了兩輪軋制，共軋制了5塊100 mm厚Q390GJD鋼板，性能指標如表4所示。

表4 采取改進措施后100 mm厚Q390GJD檢驗性能

由表4可以看出，采取改進措施后的Q390GJD鋼板的Z向性能得到了大幅提高，能夠滿足Z35標準要求，且富余量較大，同時鋼板的強度指標也有了提高，證明以上改進措施行之有效。

5 結(jié)論

（1）Z向性能不合格的正火態(tài)100 mmQ390GJD成分和軋制工藝均在技術(shù)要求的范圍內(nèi)，未見明顯異常。

（2）對Z向性能不合格試樣的分析結(jié)果表明，影響鋼板Z向性能的主要原因是鋼板內(nèi)部存在帶狀組織偏析及MnS的夾雜物，使得鋼板形成裂紋源，引發(fā)脆性斷裂。

（3）通過控制鋼水中MnS數(shù)量及形態(tài)、優(yōu)化加熱、控軋及熱處理工藝等措施，可以提高鋼板的Z向性能，滿足Z35性能的要求。

［1］ 孫齊松,王新華,許曉東，等.中厚鋼板缺陷分析及原因探討［J］.鋼鐵,2007,42（8）:42-45.

［2］ 鄭香增.抗層狀撕裂厚鋼板的研制開發(fā)［J］.山東冶金,2008,30（2）:39-41．

［3］ 劉中柱,蔡開科.純凈鋼生產(chǎn)技術(shù) ［J］.鋼鐵,2000,35（2）:64-69.

［4］ 孫齊松.連鑄板坯質(zhì)量與中厚板Z向性能研究［D］.北京：北京科技大學(xué),2007.