Q390D-Z25鋼板斷面收縮率不合格原因分析

祁敏翔，仲陽陽，閆政林

（五礦營口中板有限責任公司，遼寧 營口 115000）

Z 向鋼，又稱“抗層狀撕裂鋼”，主要應用在建筑、造船等領域。Z向鋼在使用過程中要承受沿板厚方向的拉力，存在層狀撕裂的問題，因此，對鋼板的Z 向性能提出了更高的要求。某板廠在生產厚規格（厚度60 mm以上）Q390D—Z25鋼時經常出現斷面收縮率不合格的情況，嚴重影響了鋼板的交貨期和生產周期。為尋找其不合格原因，選取典型試樣對其進行分析。

1 試驗材料與方法

試驗材料。鋼板規格：80 mm×2 200 mm×8 000 mm。其化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 化學成分（質量分數） %

表2 力學性能

試驗方法。選取Z 向性能不合格鋼板及拉伸斷后試樣制備熱酸蝕試樣、金相試樣、斷口試樣，分別進行斷口宏觀觀察、熱酸蝕檢驗、金相檢驗、掃描電鏡觀察和能譜分析。

2 檢驗結果及分析

2.1 試樣斷口觀察

通過宏觀拉伸斷口可見，斷口在試樣厚度1/2位置，無金屬光澤和明顯塑性變形，屬脆性斷口。

2.2 熱酸蝕檢驗

取全厚度橫截面試樣進行熱酸蝕檢驗，檢驗發現試樣中心疏松比較嚴重，在中心一側（內弧側）有裂紋，呈一定角度分布。另外，在裂紋一側可見比較發達的柱狀晶，部分柱狀晶呈一定角度傾斜。

2.3 掃描電鏡斷口分析

用掃描電鏡對斷口形貌進行分析發現，斷口為準解理斷裂形貌，它是介于解理斷裂和延性斷裂之間的一種過渡形式，屬于脆性斷裂，同時在斷口上發現自由生長表面（金屬自由面），見圖1。另外，通過能譜分析發現，有硫化錳夾雜存在。

圖1 斷口微觀形貌

2.4 顯微組織檢驗

為了了解鋼板的基體組織，從拉伸試樣未經受變形的區域取金相試樣進行組織分析，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后發現近表和厚度1/2位置組織無異常，為珠光體+鐵素體組織。厚度1/2位置珠光體中摻雜著少量異常組織，為貝氏體組織，分散分布，見圖2。

圖2 金相組織

2.5 結果分析

通過熱酸蝕檢驗可以看出，在厚度1/2 位置一側柱狀晶較發達，有裂紋存在于柱狀晶位置，柱狀晶與裂紋均有一定角度的傾斜。分析認為柱狀晶與裂紋均為鑄坯遺傳到鋼板所致，因為發達的柱狀晶晶間是薄弱環節，鑄坯在各種應力作用下柱狀晶晶間極易產生裂紋缺陷（中間裂紋）。柱狀晶與裂紋在軋制力的作用下產生傾斜，且由于厚規格鋼板壓下率較小，鋼板厚度中心位置變形滲透率不夠，柱狀晶無法被完全打碎，裂紋也無法被軋合，由此導致Z 向試樣在拉伸變形不斷加大的過程中在薄弱的柱狀晶晶間和裂紋處產生應力集中。同時由于裂紋破壞了基體連續性，使Z向試樣有效受力面積大大減小［1］，試樣在塑性變形很小的情況下產生斷裂，進而導致斷面收縮率不合格。另外，從柱狀晶和裂紋的位置來看，其與Z向試樣斷裂的位置是一致的，這也旁證了發達的柱狀晶和裂紋是其Z向性能不合的原因。

柱狀晶的形成原因是當連鑄坯進入二次冷卻區時，連鑄坯表面受到強烈冷卻，表面與鑄坯心部產生較大溫度梯度，形成垂直連鑄坯表面的單向傳熱。此時最大的晶體生長方向是平行熱流方向，抑制了相鄰的晶體的生長而優先長大，其他方向晶體的生長則被淘汰，形成了垂直鑄坯表面的柱狀晶帶［2］。

中間裂紋一般分布于連鑄坯內、外弧側的表面與厚度中心之間。裂紋大都與柱狀晶平行，沿一次柱狀晶間分布，多呈線狀、曲線狀、“河流”狀的特征。當鑄坯經過噴水段的強冷后鑄坯表面溫度回升，坯殼受熱膨脹，對凝固前沿施加張應力，當某一局部位置的張力應變超過該處的極限值時，就會沿柱狀晶間產生中間裂紋。影響連鑄坯中間裂紋的因素還有拉速、輥縫精度和壓下量。

鋼板組織也會在一定程度上影響Z向鋼性能，因為不同的組織類型在拉伸過程中變形不一致，易在不同組織類型交界處產生應力集中，導致試樣提前斷裂。此次檢驗發現只有厚度中心部位存在少量貝氏體組織，且不連續分布，分析認為不會對Z向性能產生較大影響。

金屬自由生長表面是鑄坯原生缺陷的一個固有特征，鑄坯生產過程中產生裂紋缺陷后鋼液補充不及時就會在裂紋處出現光滑的金屬自由生長表面。掃描電鏡斷口檢驗發現金屬自由面，自由面上有硫化錳夾雜，硫化錳夾雜又易在中間裂紋附近聚集，由此證明中間裂紋是導致Z向性能不合的原因。

3 解決措施

1）降低鋼水過熱度。過熱度越低，結晶前形成的成分過冷區越大，越有利于等軸晶的產生和生長，減少柱狀晶比例，進而減少中間裂紋的形成。2）二冷區采用弱冷。冷卻強度過大，鑄坯表面溫度降低，而中心溫度變化很小，鑄坯橫斷面上溫度梯度增大，有利于柱狀晶的生長。二冷區采用弱冷可提高矯直溫度，避開熱延性低谷。3）延長二冷區噴水長度，降低鑄坯回熱。4）提高Mn/S 比。5）檢查噴嘴水壓及有無堵塞，避免冷卻不均，坯殼反復回溫。6）選擇合適鑄坯拉速，降低中間裂紋發生率。

4 結語

鋼板斷面收縮率不合格的原因是厚度1/2位置一側的中間裂紋和較發達的柱狀晶導致的。軋制厚規格Z 向性能鋼板時應盡量選擇無中間裂紋或缺陷級別較低的鑄坯，缺陷級別較高的鑄坯可以用來軋制較薄規格鋼板，以便柱狀晶和中間裂紋在軋制過程中能被打碎、焊合。