熱軋355 MPa高耐候H型鋼卡鋼原因分析

杜顯彬，韓蕾蕾

（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪 271104）

試驗研究

熱軋355 MPa高耐候H型鋼卡鋼原因分析

杜顯彬，韓蕾蕾

（山鋼股份萊蕪分公司，山東萊蕪 271104）

針對萊鋼熱軋355 MPa高耐候H型鋼生產中出現的“卡鋼”事故，對翼緣裂紋的部位取樣進行金相分析，結果表明裂紋為軋制過程產生。變形抗力測定結果表明，該鋼在1 000℃以下的變形抗力大，在此溫度區間加工容易產生卡鋼現象。通過優化加熱溫度、降低壓縮比和軋速等工藝措施，解決了熱軋高耐候H型鋼軋制過程的卡鋼問題，保證了生產順行。

高耐候鋼；熱軋H型鋼；卡鋼；軋制溫度

1 前言

熱軋H型鋼是一種截面面積分配更加優化、強重比更加合理的經濟斷面高效型材。由于H型鋼的各個部位均以直角排布，因此H型鋼在各個方向上都具有抗彎能力強、施工簡單、節約成本和結構重量輕等優點，已被廣泛應用。耐候鋼是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列，耐候性為普碳鋼的2～8倍［1-2］，涂裝性為普碳鋼的1.5～10倍,經過特殊的表面銹層處理，耐候鋼的使用范圍和壽命大大提高［3］。高耐候型鋼的耐腐蝕性為普通結構鋼的10倍以上，是高等級地標性結構以及建筑的經濟選擇，高耐候熱軋型鋼能夠克服高耐候材質鋼板難以焊接的困難，同時避免焊接處應力集中，高耐候熱軋型鋼將會出現應用量的增長［4］。

型鋼因其斷面復雜，軋制過程易出現卡鋼事故，尤其是軋制腹板寬度≥500 mm的大型H型鋼。卡鋼多發生在精軋階段，影響生產的同時造成高質量鋼坯判廢，損失較大。山鋼股份萊蕪分公司腹板寬度為600 mm的熱軋H型鋼發生卡鋼事故，軋件在軋機中停止，在軋制力的作用下，產生局部變形，扭曲甚至斷裂。軋機電流負荷超過上限并自我保護，生產被迫中斷。通過對軋廢鋼件觀察，發現軋件頭部翼緣嚴重的斷裂缺陷，中部也有明顯的翼緣開裂缺陷。為此對裂紋缺陷進行分析，查找卡鋼的原因并提出了改進措施。

2 產品生產工藝及成分

熱軋H型鋼生產工藝流程：鐵水預處理→頂底復吹轉爐→LF精煉→異型坯連鑄→堆垛緩冷→加熱→除鱗→開坯→連軋→冷卻→矯直→鋸切。產品成分控制范圍見表1。

表1 熱軋H型鋼化學成分（質量分數）%

冶煉中鈮鐵、硅、硅錳合金在轉爐出鋼過程加入，鋼水進LF爐溶解氧含量為（45～70）×10-6，轉爐終點碳控制在0.07%～0.09%，出鋼時使用硅鈣鋇進行脫氧，LF精煉使用碳化鈣、硅鈣鋇造渣脫氧，精煉完成后，鋼中［O］均低于10×10-6。鋼水在LF精煉末期使用小流量氬氣攪拌約12 min，保證鋼中夾雜物充分上浮。連鑄過熱度控制在25℃以內，以0.75～0.85 m/mnin的拉速連鑄并采用二冷弱冷模式冷卻，保證連鑄坯質量。

加熱爐均熱段溫度控制在1 230～1 250℃，加熱時間控制在150 min。采用高壓水除鱗，保證除鱗效果。粗軋軋速為2.0 m/s，軋件在軋機中往返軋制9道次，精軋軋件運行速度為3.0 m/s，軋件在軋機中往返5道次，第5道次采取大壓下量（13%）。軋件在冷床空冷，并在120℃以下矯直后收集。

3 裂紋產生分析

將發生裂紋部位取樣與連鑄坯翼緣振痕對比，發現裂紋之間相互平行，與連鑄坯振痕原始位置吻合，由此判斷裂紋發生的原始點為振痕處。

對中間材不同部位分別進行取樣，取樣部位在圖1左圖中標注為OS上、OS下以及DS上、DS下的位置分別由橫截面沿軋制方向取圓柱試樣，同時避開中心疏松區以及表面激冷層，以致密部分作為檢測單元，取樣示意圖見圖1右圖。加工成高溫拉伸標準試樣及動態CCT標準試樣，并分別進行高溫拉伸試驗以及單道次壓縮試驗，分析裂紋以及卡鋼現象發生原因。

圖1 試驗分析取樣部位及取樣位置示意圖

在裂紋處切取小塊試樣，經研磨、拋光、酸蝕后，利用金相顯微鏡觀察裂紋尖端的形貌及金相組織，見圖2，裂紋深度約為3～4 mm，沿裂紋兩側僅有輕微脫碳層，無明顯脫碳現象及氧化質點析出。裂紋尖端內部干凈，無任何氧化鐵皮，周圍無組織異常長大現象，表明此裂紋為軋制過程產生［4］。

圖2 高耐候H型鋼裂紋金相形貌

在軋材上取高溫拉伸標準試驗試樣，以10℃/s速度升溫至1 200℃，保溫3 min，然后以1.5℃/s速率冷卻至700、750、800、850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200、1 250、1 300、1 350℃，分別進行拉伸試驗，結果見圖3。

圖3 高耐候H型鋼高溫塑性試驗

從圖3中可以看出，在試驗溫度范圍內，高耐候H型鋼斷面收縮率在60%以下的溫度區間為700～1 040℃，1 320～1 350℃；在60%～80%的溫度區間為1 040～1 090℃以及1 220～1 320℃；斷面收縮率保持在80%以上的溫度區間為1 090～1 220℃。因此，該鋼種的脆性區溫度范圍為700～1 050℃。高耐候H型鋼因其成分設計要求以及性能設計的需要，其中加入大量的微合金元素Nb、V以及Cr、Ni、Cu等耐腐蝕元素，這些元素的碳氮化物或者其本身在奧氏體晶界析出，造成材料晶界脆化［5］。因此，在低于1 050℃的溫度進行軋制時發生裂紋的概率也高。可以證明，卡鋼過程軋件翼緣頂端與軋輥接觸面產生的與振痕位置吻合的裂紋是因為在低溫狀態下，軋件受到機械力而導致薄弱部位開裂。

4 變形抗力測定

高溫變形的應力—應變曲線有動態回復和動態再結晶兩種形式，這是高溫變形過程中的材料加工硬化和動態軟化兩種機制共同作用的結果［7-9］，材料變形抗力的測定能夠指導熱加工工藝。為此，在軋材上取圓柱單向單道次壓縮標準試驗試樣，從普通低合金鋼Q345B型鋼上取樣，制成標準壓縮試樣，以1.0 s-1變形速率（真應變0.8）并與卡鋼產品相同試驗參數結果進行對比，見圖4。高耐候H型鋼在900℃和950℃的變形抗力較普通低合金類產品高出30～40 MPa。這與鋼中合金元素較多關系較大，第二相元素Nb、V的釘扎晶界，阻止位錯以及晶界在變形中的移動，導致了高耐候型鋼變形抗力較大。因此，軋制變形抗力較高是該產品卡鋼的主要原因。為此，采用高于1 050℃的軋制溫度以及較低的軋制速度是保證順利軋制的有效措施。

圖4 低合金鋼Q345B與高耐候H型鋼變形抗力對比

為確定具體軋制溫度，分別對該材料在不同溫度、不同應變速率下的變形抗力進行測定，在軋材上取圓柱單向單道次壓縮標準試驗試樣，以5℃/s速度升溫至1 200℃，保溫5 min，然后以5℃/s速率分別冷卻至1 150、1 100、1 050、1 000、950、850℃，保溫10 s（消除溫度梯度），再以0.1、1.0、10 s-1的變形速率壓縮至真應變0.5，繪制不同變形速率下的應力—應變曲線，見圖5。

變形速率越大，對應的變形抗力越大；變形溫度越低，對應的變形抗力增加越快。在850℃變形時，3種變形速率再結晶趨勢均不明顯，材料沒有明顯的軟化趨勢。應變速率為0.1 s-1時，在1 000℃以上有再結晶出現（見圖5a）；應變速率為1 s-1時，在1 150℃溫度有不明顯再結晶趨勢出現（見圖5b）；應變速率為10 s-1時，在所有試驗溫度均無再結晶現象發生（見圖5c）。可以發現，應變速率越大，需要再結晶的溫度越高，這與材料性質相關［10］。850℃變形，0.1 s-1的變形抗力為190 MPa，1.0 s-1的最大變形抗力為240 MPa，10 s-1的最大變形抗力為260 MPa，變形速率的最大變形抗力逐級增加20 MPa；950℃變形，3種變形速率最大變形抗力逐級增加30 MPa；1 000℃變形，0.1 s-1、1.0 s-1變形速率最大變形抗力增加30 MPa左右，10 s-1的較1.0 s-1速率變形抗力增加50 MPa左右。1 050℃、1 100℃變形，3種變形速率的最大變形抗力逐級增加20 MPa左右。因此，低溫階段軋制的應變速率不宜過大。在軋制過程中，提高軋制溫度至1 040℃以上，在精軋階段降低軋速20%。高溫慢軋措施有效緩解了卡鋼現象的發生。通過進一步優化軋制溫度及軋制速度，軋件表面質量良好，卡鋼現象從40%至完全消失。

圖5 不同應變速率下高耐候H型鋼的應力—應變曲線

5 結語

熱軋355 MPa級高耐候H型鋼卡鋼產品翼緣頂部產生的裂紋缺陷為振痕在脆性區由于軋制力的作用而造成的加工缺陷。700～1 040℃是材料的脆性區，在此溫度區間加工容易產生產品缺陷和卡鋼現象。1 000℃之下的變形抗力較普通低合金產品Q345B變形抗力大，容易產生卡鋼。在軋制過程中提高軋制溫度至1 050℃以上，降低壓縮比和軋速是緩解加工硬化和防止卡鋼的有效手段。

［1］李遠鵬，張杰，劉昕，等.高性能建筑用鋼大氣環境腐蝕試驗研究［J］.鋼結構，2016，36（2）：117-119.

［2］劉國超，董俊華，韓恩厚，等.耐候鋼銹層研究與進展［J］.腐蝕科學與防護技術，2006，18（4）：268-272.

［3］劉麗紅，齊慧濱，盧燕平，等.耐大氣腐蝕鋼的研究概況［J］.腐蝕科學與防護技術，2003（3）：85-89.

［4］米豐毅，王向東，陳小平，等.高強度耐候H型鋼和普通C-Mn低合金H型鋼耐大氣腐蝕速率研究［J］.腐蝕與防護，2011，32（1）：1-5.

［5］張江山，李京社，楊樹峰，等.鑄坯表面劃傷在圓鋼軋制過程中的演變研究［J］.軋鋼，2014，31（6）：28-30.

［6］王兵，譚靖，孟昌中，等.某低品味鐵礦中鐵鈦元素賦存狀態研究［J］.貴州地質，2012，29（3）：229.

［7］Sellas C M,Whiter man J A.Recrystallization and grain growth in hot rolling［J］.Materials science and technology，1979，13（3/ 4）：187-189.

［8］Samnel F H,Yue S,Jonas J J,et al.Effect of dynamic recrystallization on microstructural evolution during strip rolling［J］.ISIJ international，1990，30（3）：216-225.

［9］Medina S F,Mancilla J E.Static recrystallization modeling of hot deformed steel containing several alloying elements［J］.ISIJ international，1996，36（8）：1 070-1 074.

［10］楊浩，周曉光，劉振宇，等.EH36船板鋼的動態再結晶和變形抗力［J］.東北大學學報（自然科學版），2012，33（4）：504-508.

Cause Analysis of Steel-heaping Accident of 355 MPa Hot-rolled High Atmospheric Corrosion Resisting H-beam

DU Xianbin,HAN Leilei
（Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The reasons of steel-heaping accident for hot rolled high atmospheric corrosion resisting H section of 355 MPa during rolling were analyzed by metallographic examination of crack from flange in this article.The result shows that the crack produced during rolling.Deformation resistance test results indicate that the deformation resistance is larger when rolling temperature less than 1 000℃,in which the steel-heaping can be induced.The problem had been solved and ensured the production by optimizing reheating temperature,reducing compression ratio and rolling speed so that ease the strain hardening and reduce the deformation resistance.

high atmospheric corrosion resisting;hot rolled H section;steel-heaping accident;rolling temperature

TG335.4；TG142.1

A

1004-4620（2017）01-0038-03

2016-12-22

杜顯彬，男，1964年生，1988年畢業于北京科技大學材料工程專業，碩士。現為山鋼股份萊蕪分公司技術中心副主任，高級工程師，從事新產品開發及科研創新工作。