SWRCH35K冷鐓開裂原因分析及控制措施

劉志勇，張洪彪，王吾磊，王國梁，李 海，劉光緒，左小坦，趙 立

(蕪湖新興鑄管有限責任公司煉鋼廠，安徽 蕪湖 241002)

SWRCH35K作為高強度的緊固件代表鋼種之一，廣泛用于螺栓、螺帽等緊固件行業，SWRCH35K鋼在冷鐓過程中，變形量和變形速度較大，因此要求盤條具有較好的塑性及較低的加工硬化率。SWRCH35K冷鐓螺栓的生產工藝為：Φ6.5mm盤條→酸洗→磷化/皂化→拉絲至Φ4.8mm→冷鐓成螺栓(帶法蘭邊/外六角)[1]。在冷鐓生產中發現有兩捆拉絲材冷鐓成帶法蘭邊的螺栓冷鐓開裂，開裂比例為8%，外六角螺栓開裂比例為5%。裂紋形貌為法蘭邊開裂和外六角螺栓頭部開裂。針對這一現象，對開裂螺栓及拉絲材進行了檢驗和分析，尋找冷鐓開裂的原因。

1 SWRCH35K生產工藝

1.1 SWRCH35K生產工藝流程

該煉鋼廠，擁有兩座120 t頂底復吹轉爐；3座120 t LF雙工位、1座120 tRH雙工位精煉爐；2臺小方坯連鑄機、連鑄機配備自動下渣檢測、結晶器電磁攪拌和末端攪拌。

SWRCH35K冷鐓鋼采用的生產工藝為：鐵水→轉爐→精煉→連鑄(180 mm×180 mm)→軋鋼。

1.2 SWRCH35K成分控制

SWRCH35K成分按照表1進行控制：

表1 SWRCH35K成分 %

2 螺栓開裂形貌

在冷鐓內六角螺栓和法蘭邊螺栓時，發現外六角的頭部和法蘭邊有開裂，法蘭邊開裂螺栓酸洗后時發現通條有裂紋、伴有白色夾雜如圖1所示，內六角螺栓開裂為裂紋形態不規則如圖2所示。

圖1 法蘭邊開裂形貌

圖2 外六角開裂形貌

對蘭邊開裂螺栓試樣進行高倍觀察，發現法蘭邊的開裂螺栓裂紋深度為432.99～510.61 μm如圖3、圖4所示；其中在開裂螺栓內部及皮下300 μm有夾雜，而且裂紋周圍存在的對稱的增碳區域如圖5所示。

圖3 法蘭邊開裂高倍1

圖4 法蘭邊開裂高倍2

圖5 法蘭邊開裂金相組織

截取外六角開裂螺栓裂紋試樣進行高倍觀察，發現外六角螺栓裂紋深度為 240～300 μm，裂紋起始位置距離表面約50 μm。如圖6、圖7所示；其中在裂紋內部有夾雜，而且裂紋周圍存在的對稱的增碳區域如圖7所示。

圖6 外六角開裂高倍

圖7 外六角開裂金相組

3 螺栓開裂原因分析

經掃描電鏡能譜分析，外六角和法蘭邊螺栓缺陷試樣里的夾雜物為脆性夾雜，主要成分為鈣鋁酸鹽如圖8、圖9所示，同時含有保護渣中典型元素Na。確定該夾雜物為皮下卷保護渣所致。

鋼中的非金屬夾雜物破壞了鋼的連續性和均勻性，由于鋼的基體和非金屬夾雜物線膨脹系數存在一定的差異性，在外應力作用下，使非金屬夾雜物和鋼的基體之間產生空洞或者形成相應的機械應力場，在局部區域形成破壞區，誘發對鋼材斷裂發生和擴展起了決定性作用[2]。

圖8 外六角螺栓能譜

圖9 法蘭邊螺栓能譜

4 夾雜物來源分析

追溯本次開裂的批號的相應爐號，發現在生產過程中，部分流次有液面波動現象，波動范圍在±8 mm如圖10、圖11所示。結晶器液面劇烈的波動導致富碳層極易卷入鋼液，造成鑄坯皮下夾渣，夾雜物周圍出現增碳現象[3]。造成液面波動的主要原因：連鑄使用分體水口，中間包水口與中間包底密封性較差，中包到結晶器鋼水保護澆注較差，造成鋼水在注入結晶器前發生二次氧化[4]，造成水口部分堵塞，水口壁上粘有絮狀物，造成鋼水通道堵塞，從而造成結晶器液面的波動。

圖10 6流自動液面

圖11 7流自動液面

5 防范措施

(1)連鑄中間包采取巖棉密封，包蓋周圍耐火泥密封。

(2)中間包使用雙層覆蓋劑。

(3)連鑄使用整體水口，開澆之前對塞棒螺桿進行二次調整，全程大包套管氬封保護澆注。

(4)開澆前對中包進行氬氣置換。

(5)套管插入深度為110～115 mm，過程中液面波動大于5 mm，進行甩廢。

(6)結晶器采用自動加渣。

6 結 論

(1)盤條內部夾渣是造成螺栓開裂的直接原因，螺栓的裂紋是母材上帶來，是從鑄坯遺傳而來。

(2)結晶器的液面波動是引起鑄坯皮下夾渣的直接原因，而結晶器的液面波動是由于中包的分體水口保護澆注不當引起。

(3)鑄坯的皮下夾渣破壞了鋼的基體連續性，導致鋼在軋制和冷鐓變形過程中，夾雜物不能與鋼的基體一樣均勻變形，誘發裂紋的產生。

(4)通過使用整體水口；開澆前對中包進行清掃；塞棒螺桿的二次調整；澆注過程中做好大中包的保護澆注；注入中包前的氬氣置換；以及確保合理的套管插入深度；結晶器保護渣采用自動加渣等措施，可以有效杜絕鑄坯的皮下卷渣。