Q420B等邊角鋼腿部微裂紋成因及解決措施

張 軍，藺 筠，趙長(zhǎng)忠

（石橫特鋼集團(tuán)有限公司，山東 肥城 271612）

縱觀國(guó)內(nèi)外專著專項(xiàng)描述角鋼表面裂紋的章節(jié)較為簡(jiǎn)略，當(dāng)生產(chǎn)遇到突發(fā)情況時(shí)，需要進(jìn)行綜合論證分析才能找到問(wèn)題根源；因此，解決角鋼腿部微裂紋質(zhì)量問(wèn)題，具有重要的實(shí)用價(jià)值。石橫特鋼生產(chǎn)的Q420B等邊角鋼的支腿部位上表面邊部，出現(xiàn)不規(guī)律的表面微裂紋，排查判斷與鋼坯表面質(zhì)量有關(guān)系。

1 表面微裂紋問(wèn)題的排查

表面微裂紋根據(jù)表面特征，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中的介紹，微裂紋表觀特征與發(fā)裂、星裂紋、氣泡有些接近［1］。

1.1 排查項(xiàng)目

結(jié)合實(shí)際情況，排除了物料潮濕（結(jié)晶器保護(hù)渣、轉(zhuǎn)爐及精煉爐用渣料及輔料）、脫氧不良、鋼中Cu、Sn、S等元素影響，然后結(jié)合鋼種及生產(chǎn)組織特點(diǎn)，進(jìn)行了分項(xiàng)排查：1）Q420B 區(qū)別于Q355B 的主要因素就是Q420B含V，且采用釩氮合金增釩；除V外，C、Si 元素基本上相同，Mn 元素基本上相差無(wú)幾。結(jié)合氮化鋁、氮化釩對(duì)鑄坯表面質(zhì)量的影響，選擇含N 量偏低甚至不含N 的含釩合金進(jìn)行合金化試驗(yàn)。2）排查結(jié)晶器、連鑄噴淋冷卻系統(tǒng)、拉矯機(jī)系統(tǒng)；排查結(jié)晶器振動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)晶器保護(hù)渣。

1.2 排查過(guò)程

（1）通過(guò)初步分析判斷角鋼微裂紋是鋼坯表面缺陷造成等，表面缺陷的源頭為結(jié)晶器，將各流次的結(jié)晶器全部更換為新結(jié)晶器，同時(shí)更換了足輥及夾持段的噴嘴，隨后生產(chǎn)2個(gè)中間包的Q355B，在軋材上未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)失效分析報(bào)告，進(jìn)一步明確了裂紋缺陷來(lái)自鋼坯表面缺陷。角鋼表面發(fā)現(xiàn)微裂紋，分別取4個(gè)試樣裂紋處橫截面高倍觀察，4個(gè)試樣裂紋兩側(cè)及向內(nèi)延伸處有大量氧化圓點(diǎn)及高溫氧化物用4%硝酸酒精溶液腐蝕，4 個(gè)試樣裂紋兩側(cè)完全脫碳。

（2）由于生產(chǎn)Q355B 鋼坯軋制時(shí)無(wú)問(wèn)題，試生產(chǎn)的Q420B 為提高鋼坯表面質(zhì)量，采取了以下措施：降低結(jié)晶器水流量，通過(guò)緩冷減緩鋼坯在結(jié)晶器內(nèi)形成裂紋，結(jié)晶器進(jìn)出水溫差由8 ℃提高到8.5～9 ℃。降低二冷水比水量，通過(guò)降低冷卻強(qiáng)度，提高鋼坯矯直溫度。經(jīng)過(guò)測(cè)量，鋼坯進(jìn)入拉矯機(jī)時(shí)鋼坯表面溫度約1 050 ℃，能夠較好地避開(kāi)“脆性口袋區(qū)”。在軋制時(shí)，仍然發(fā)現(xiàn)個(gè)別支數(shù)有裂紋，但裂紋程度減輕，角鋼表面缺陷減少，說(shuō)明降低冷卻強(qiáng)度對(duì)于減輕微裂紋有幫助，但是未徹底消除。在生產(chǎn)時(shí)安排取鋼坯低倍，鋼坯低倍內(nèi)部質(zhì)量良好，觀察鋼坯表面低倍時(shí)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別鋼坯存在輕微的星狀裂紋，鋼材裂紋可能與鋼坯表面星狀裂紋有較大關(guān)系。

（3）軋制Q355B 鋼沒(méi)有問(wèn)題，但是軋制Q420B鋼會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。結(jié)合Q355B 與Q420B 兩鋼種成分差距在［V］、［N］含量，并且使用的該批釩氮合金氮含量為16.82%，為歷次檢測(cè)氮含量最高的一批，較正常批次釩氮合金氮含量高2%左右，成品及坯樣平均氮含量較以往高0.005%～0.007%。由于釩氮結(jié)合容易在晶界處析出，易產(chǎn)生裂紋。于是更換含氮量較低的釩氮合金和氮化釩鐵，釩氮合金選用含量較低的批次，生產(chǎn)Q420B 鋼2 爐；使用氮化釩鐵生產(chǎn)9 爐Q420B，軋制時(shí)鋼材還是能發(fā)現(xiàn)個(gè)別支數(shù)有裂紋。使用釩氮合金與氮化釩鐵的氮含量對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 Q420B鋼使用氮化釩鐵和釩氮合金生產(chǎn)爐次氮含量

（4）試用高強(qiáng)度鋼材產(chǎn)品專用保護(hù)渣。試生產(chǎn)6爐次Q420B鋼，取試驗(yàn)爐次的低倍酸洗，發(fā)現(xiàn)鋼坯內(nèi)弧表面形狀裂紋沒(méi)有完全消除，軋制時(shí)也發(fā)現(xiàn)裂紋，說(shuō)明高強(qiáng)度鋼材產(chǎn)品結(jié)晶器保護(hù)渣并不適合Q420B鋼種。

（5）使用釩鐵替代釩氮合金。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鋼水釩、氮元素對(duì)此次角鋼缺陷的影響程度，使用釩鐵生產(chǎn)3爐Q420B鋼種，生產(chǎn)完畢在軋制時(shí)未發(fā)現(xiàn)角鋼表面裂紋，但通過(guò)做鑄坯內(nèi)弧表面檢查，鋼坯表面星狀裂紋并沒(méi)有完全消除。

（6）為了與Q355B 鋼坯內(nèi)弧表面做對(duì)比，在生產(chǎn)Q355B鋼時(shí)取內(nèi)弧表面低倍酸洗后，個(gè)別流次也發(fā)現(xiàn)了輕微的星狀裂紋，嚴(yán)重程度較Q420B鋼輕很多，在軋制Q355B鋼時(shí)鋼材表面沒(méi)有裂紋。

（7）查找設(shè)備原因。測(cè)量振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行工況，通過(guò)波形圖觀察，排除了振動(dòng)臺(tái)工況問(wèn)題。

（8）試用包晶鋼保護(hù)渣。由于鋼坯內(nèi)弧星狀裂紋一直未完全消除，多次排查生產(chǎn)工藝執(zhí)行情況無(wú)異常，經(jīng)多次討論分析，一致認(rèn)為結(jié)晶器保護(hù)渣存在問(wèn)題的可能性較大。同時(shí)，對(duì)在線使用的保護(hù)渣取樣進(jìn)行分析化驗(yàn)，結(jié)果顯示，本批次結(jié)晶器保護(hù)渣理化指標(biāo)與質(zhì)保書(shū)有差距，特別關(guān)鍵指標(biāo)熔點(diǎn)升高了30 ℃。考慮到Q420B鋼種［C］含量在0.14%～0.18%，仍在包晶鋼范圍內(nèi)，決定試用生產(chǎn)耐低溫鋼的包晶鋼保護(hù)渣，并安排每流取1塊內(nèi)弧鋼樣。酸洗后，鋼坯內(nèi)弧表面未發(fā)現(xiàn)星狀裂紋。用包晶鋼保護(hù)渣生產(chǎn)的Q420B 鋼在軋制時(shí)也未發(fā)現(xiàn)鋼材表面裂紋。

（9）鑄坯掃描電鏡（SEM）分析。通過(guò)對(duì)鑄坯試樣3個(gè)裂紋部位線切割取樣，分別在各樣品的裂紋處、裂紋周邊基材、遠(yuǎn)離裂紋基材取樣，進(jìn)行SEM+EDS（能譜）分析，發(fā)現(xiàn)鋼的基材氮、鋁含量高，裂紋中有較多保護(hù)渣成分（Cl、Ca等）。

2 原因分析

（1）通過(guò)一系列排查及分析，確定本次質(zhì)量問(wèn)題主要是因?yàn)楸Ｗo(hù)渣質(zhì)量波動(dòng)引起鋼坯表面出現(xiàn)星狀裂紋造成的。

（2）Q420B角鋼，軋制壓縮比相對(duì)較小時(shí)，采用釩氮合金，氮化釩的析出引起表面質(zhì)量缺陷的概率非常高。試驗(yàn)使用釩鐵替代氮化釩鐵，在鑄坯內(nèi)弧側(cè)存在同樣的表面缺陷情況下，使用釩鐵并沒(méi)有在軋材上表現(xiàn)出缺陷，說(shuō)明釩氮結(jié)合所產(chǎn)生的缺陷，在軋制過(guò)程中并不能完全消除。

（3）根據(jù)C 成分含量普遍在0.15%～0.17%，部分位于包晶區(qū)或接近包晶區(qū)（碳為0.1%～0.15%），鑄坯凝固過(guò)程時(shí)偏析會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域位于包晶區(qū)，保護(hù)渣選擇不當(dāng)（堿度低、黏度高）會(huì)導(dǎo)致體積劇烈收縮產(chǎn)生晶界裂紋。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化連鑄冷卻制度、試用及優(yōu)化保護(hù)渣指標(biāo)，解決了鋼坯表面星狀裂紋，消除了角鋼腿部微裂紋的質(zhì)量缺陷。