Q420GJDZ35特厚板厚度方向性能不合格原因分析

于颯，張濤，李忠波，鄭海明，王英杰

（南陽漢冶特鋼有限公司 鋼研院，河南 南陽 474500）

0 引言

建筑結構用鋼主要用于鋼板厚度方向承受拉應力的焊接鋼結構，由于鋼材質量和焊接構造方面的原因，焊接構件容易在鋼板厚度方向出現層狀撕裂，這對沿厚度方向受拉的連接部位非常不利，由此提出鋼材在厚度方向上應具有良好的抗層狀撕裂的能力。隨著客戶在使用建筑結構鋼中的層狀撕裂問題日趨突出，嚴重影響產品使用質量及安全性，解決好厚度方向Z向性能越來越迫切。

因此分析并解決好厚度方向性能不合格，采用針對有效的措施，對提高產品質量及安全性有重大現實意義。

1 Q420GJDZ35的生產工藝

1.1 工藝路線

以70～80 mm厚度軋制態Q420GJDZ35鋼板作為實驗對象，其工藝路線為：鐵水預脫硫→轉爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→鋼坯緩冷→加熱→3800 mm軋機軋制→SUPIC-L冷卻→鋼板緩冷→探傷→外檢→性能檢測→精整→入庫。

1.2 成分設計

依據建筑結構用鋼標準GB/T 19879 -2015，Q420GJDZ35鋼板化學成分設計如表1所示。C、Mn元素同時結合添加微合金元素Nb、V、Ti，充分利用其細晶強化、沉淀強化作用保證材質的強度及韌性匹配。

表1 Q420GJDZ35鋼板的化學成分設計

1.3 軋鋼工藝

根據奧氏體再結晶終止溫度與細化晶粒的元素固溶量的關系曲線，確定了再結晶區終止溫度在980 ℃以上。根據奧氏體晶粒尺寸與軋制道次變形量關系，選取再結晶軋制溫度為1000～1060 ℃[1]。待溫厚度140 mm，為精軋階段累計變形量及細化晶粒、位錯強化奠定基礎，二階段開軋溫度800～860 ℃，二階段保證單道次壓下率≥15%，累計壓下率≥50%，確保變形滲透使奧氏體內部晶粒被壓扁拉長，增大晶界有效面積并有效形成大量變形帶，為奧氏體相變提供更多的形核點，達到細化奧氏體晶粒的目的，終軋溫度780～840 ℃，軋制結束后，采用SUPIC-L冷卻，冷卻速度控制在10～20 ℃/s，出水溫度控制在580～600 ℃。

1.4 力學性能檢測

依據建筑結構用鋼標準GB/T 19879-2015，對70～80 mm厚Q420GJDZ35鋼板取樣并做力學性能檢測，檢驗結果如表2所示。

表2 Q420GJDZ35鋼板的力學性能

力學性能實測值對比標準為GB/T 19879-2015，其屈服強度、抗拉強度、伸長率及低溫沖擊值均滿足標準要求，同時有一定富裕量。但是厚度方向Z向性能不合格，不滿足Z35使用要求。

2 厚度方向Z向性能不合格原因分析

針對70～80 mm厚軋制態Q420GJDZ35厚拉不合格試樣，采用德國蔡司Axio Imger A1m顯微鏡對形貌及斷口處組織進行了分析，同時采用日立S3400Ⅱ掃描電鏡對Z向試樣斷口顯微組織及夾雜物進行能譜分析。

2.1 金相檢測

針對軋制態Q420GJDZ35厚拉不合格鋼板取一個全厚度金相樣，進行組織檢測。檢測分析結果顯示，1/4組織均為鐵素體+珠光體，1/2處存在嚴重中心偏析，偏析帶較連續，偏析帶組織以貝氏體為主。1/2處還存在A類硫化物夾雜≥1.5級。中心偏析部位由于C、Mn和雜質元素偏析，局部形成貝氏體組織及夾雜物聚集，因此在拉力的作用下，就會形成裂紋源平臺。隨著裂紋擴展，開裂逐漸加大。因此中心偏析是造成Z向性能不合格的原因之一。1/4處和1/2處金相組織如圖1所示。

圖1 Q420GJDZ35的金相組織

2.2 電鏡檢測

對Z向拉伸不合格斷口進行掃描電鏡觀察，掃描結果如圖2所示。斷口無明顯頸縮，斷面比較平滑，無明顯韌性區，主要表現為脆性斷口。斷口宏觀形貌顯示，斷口縮頸不明顯；微觀形貌顯示，斷口有少量韌窩和大面積解理斷裂。對斷口用能譜分析，結果顯示斷裂源處存在較多長條狀MnS（如圖3）和塊狀Nb（Ti）C（如圖4）。MnS為塑性夾雜，在軋制過程中被延展成為帶狀，在垂直于厚度方向的拉力作用下，夾雜物首先開裂并擴展，以后這種開裂在各層之間相繼發生，連成一體，造成層狀撕裂的階梯性[2]。塊狀Nb（Ti）C為硬相質點，分布在B相偏析帶上，其塑性較差，尺寸較大，在厚度方向拉伸時，成為層狀撕裂斷裂源頭，降低鋼板Z向性能。因此MnS夾雜和塊狀Nb（Ti）C也是造成Z向性能不合格的原因之一。

圖2 Q420GJDZ35的Z向斷口形貌

圖3 MnS能譜分析

圖4 （Nb、Ti）C能譜分析

2.3 白點缺陷

通過觀察Z向拉伸不合格斷口，發現截面存在橢圓形白點缺陷（如圖5）。當RH精煉過程中，真空保壓時間不足，鋼中H含量過高，在軋制冷卻后，H在其鋼中溶解度降低，過剩的H一方面不斷在晶粒邊界、夾雜表面、中心偏析結合力較弱處富集，形成高壓的氫分子，另一方面氫產生的過飽和沉淀，當氫富集跟金屬熱應力相互疊加，超過鋼的斷裂強度極限時，促使鋼中產生白點缺陷。白點的危害就是破壞基體連續性，非常容易脆斷，對鋼材的危害性非常大，因此又把白點缺陷稱為鋼中癌癥。因此鋼中H含量過高，在鋼中產生白點缺陷，也是Z向性能不合格原因之一。

圖5 Q420GJDZ35 的Z向斷口白點形貌

3 改善措施

通過以上分析，造成Q420GJDZ35鋼板厚度方向Z向性能不合格主要原因為：1）鋼板厚度中心部位存在嚴重偏析帶，偏析組織主要脆性組織貝氏體為主；2）厚度中心部位存在MnS和塊狀Nb（Ti）C等夾雜物，鋼中夾雜物含量過高成為層狀撕裂斷裂源頭；3）鋼中H含量過高，導致鋼中產生白點，白點的張應力破壞基體結合力。結合Z向性能不合格原因分析，特提出針對性措施如下。

3.1 降低鋼中S含量

提高鋼水純凈度，保證低倍質量減輕成分偏析是Z向鋼板對煉鋼工藝的嚴格要求。一方面提高鋼水純凈度，就是降低鋼中夾雜物含量。保證低倍質量，就是減輕澆注過程中的中心偏析，同時能保證鋼中的有害元素和成分更加均勻一致。強化低硫鐵水、添加優質廢鋼、鐵水必須預脫硫、提高扒渣率等具體措施嚴控轉爐冶煉過程回硫。

在出鋼過程對轉爐下渣采取爐渣改質工藝，提高LF精煉脫硫效果。延長LF處理后的軟吹時間，能夠充分去除有害氣體，同時可以促使夾雜物充分上浮，確保鋼水純凈度。將目標S含量控制在≤0.003%，最低控制在0.001%。

3.2 降低鋼中H含量

H最容易在鋼板中心偏析結合力較弱處富集，過量的H會形成高壓，并產生巨大的內部張力，張力一般垂直于厚度方向平面，如圖6所示，這個張力對基體結合力非常不利，特別是厚度1/2處偏析地方危害更大。因此嚴控鋼中H含量，是防止層狀撕裂的主要措施。在生產冶煉過程中，RH精煉工藝，預抽5 min至真空，要求在67 Pa的真空度下，保壓時間≥20 min，然后破空，必須保證破空軟吹5 min時間。將目標H含量嚴格控制在≤0.0002%，確保鋼中過剩的H含量做到可控。

3.3 改善鋼坯中心偏析

鑄坯中心容易形成偏析，主要原因可以總結歸納為以下幾個因素：a.鋼水澆注過程中，鑄坯的凝固組織柱狀晶未受到很好控制，過于發達。柱狀晶越發達，越容易形成疏松和縮孔并伴隨中心偏析。b.夾雜物等易偏析元素往往以柱狀晶粒析出，排到未凝固的鋼液中，隨著鋼水結晶的進行，最后富集到鑄坯凝固中心。c.坯殼發生鼓肚，也會惡化鑄坯中心偏析程度。因此改善鋼坯中心偏析，結合其產生原因，需對煉鋼工藝進行優化設計。

1）降低C含量，提高鋼水純凈度，可以降低柱狀晶生長，提高等軸晶比例，對減輕鋼坯中心偏析起重要作用。

2）控制鑄坯鼓肚量，可以有效地減輕鑄坯中心偏析。鑄坯鼓肚量大小跟坯殼厚度、二冷區輥間距、鋼水靜壓力有直接關系。因此采用小輥徑、確保精確弧度、合適二冷水參數，可以降低鋼坯鼓肚量，進而減輕鑄坯中心偏析[3]。

3）控制鋼水過熱度和澆注過程拉坯速度，是控制柱狀晶生長的主要手段。澆注過程拉坯速度過快，鋼水過熱度越高，其柱狀晶越發達，產生比例越高。因此嚴控柱狀晶生長，促進等軸晶形成比例，需在生產過程中避免澆注溫度過高和拉坯速度過快，合理調配生產節奏，確保澆注溫度的均勻性和工藝穩定性。

3.4 優化加熱工藝及控軋工藝

按照冶金學原理，鑄坯均存在不同程度的中心偏析，為改善中心偏析，減輕偏析對鋼的綜合質量危害性，鑄坯加熱環節需保證加熱溫度及充足的加熱時間，讓偏析部位的合金元素充分擴散均勻化。同時軋制階段為實現鋼板心部晶粒細化及彌散均勻化，保證壓下滲透至心部。因此，加熱溫度按照1240～1260 ℃控制，均穩段保溫時間必須保證≥40 min。軋鋼過程按照采用“高溫、低速、大壓下”工藝及“硬殼”軋制法，第一階段軋制過程中單道次壓下量按照40～60 mm控制，變形系數達到0.5～0.6，使形變在厚度方向充分滲透至中心，有效焊合和嚙合鑄坯內部疏松等缺陷。精軋階段提高晾鋼厚度，保證精軋階段變形總量，為提高形核率及晶粒細化、彌散心部中心偏析組織奠定基礎。

4 改善后的厚度方向性能

有針對性地采用改進措施后，Q420GJDZ35的厚度方向的Z向性能得到了明顯的改善，綜合指標得到大幅提升，具體的性能檢測如表3所示。以80 mm厚Q420GJDZ35厚拉斷口為例，其斷口有明顯的頸縮，截面韌性區域占比較大，結果如圖6所示。

圖6 Q420GJDZ35合格斷口的形貌

表3 80 mm厚Q420GJDZ35鋼板的力學性能

5 結論

1）導致軋制態Q420GJDZ35特厚板厚度方向性能不合格主要原因是鋼板厚度1/2處存在嚴重偏析，偏析帶內形成脆性偏析組織B，同時偏析帶存在白點缺陷及MnS夾雜、Nb、Ti塊狀夾雜。

2）煉鋼工藝通過降低鋼中S、H、C含量，控制鑄坯鼓肚量、加強板坯澆鑄速度及鋼水過熱度等，提高鋼水純凈度及改善鋼坯中心偏析。

3）軋鋼環節通過“低溫長保”加熱工藝，粗軋環節“高溫、低速、大壓下”工藝及“硬殼”軋制法，精軋環節提高晾鋼厚度，保證精軋階段變形總量，為提高形核率及細化晶粒、彌散心部中心偏析組織奠定基礎。