高層建筑用特厚板Q420GJBZ35 厚拉性能穩定性研究

宋君君， 張占杰， 龐百鳴

（南陽漢冶特鋼有限公司鋼研院， 河南 南陽 474500）

厚度方向性能鋼板（簡稱Z 向鋼）廣泛用于高層建筑、海洋平臺、橋梁等重要焊接構件，隨著行業發展，對鋼板的強度提出了更高的要求，南陽漢冶特鋼有限公司（以下簡稱漢冶）通過合理設計化學成分、采用軋制熱處理工藝，開發出性能優異的Q420GJBZ35高強度特厚板，并得到了客戶的肯定。

近期對厚度80 mm Q420GJBZ35 連鑄板進行厚拉性能檢測時，發現厚拉性能不穩定，數次檢測厚拉值差異較大，為查找厚拉不穩定的原因，本文特對此問題進行研究。

1 試驗材料與檢測方法

80 mm 厚Q420GJBZ35 鋼板接近《GB/T 19879—2005 建筑結構用鋼板》標準中Q420 級別的極限規格（最大厚度100 mm），為滿足客戶使用要求，成分設計時需要保證合適屈強比，足夠的抗拉強度，優良的焊接性能。因此采用低C 和微合金成分設計，低的碳當量可改善鋼板的焊接性能及低溫沖擊性能，微合金Nb、V、Ti 具有細晶強化、固溶強化、析出強化等作用，可提高鋼材強度[1]。Q420GJBZ35 標椎成分控制范圍及實際成品成分見表1。

表1 Q420GJBZ35 成分控制范圍及實際成品成分 %

工藝路線：KR 鐵水脫硫—頂底復吹轉爐—LF 精煉—VD 真空—連鑄—鑄坯緩冷—加熱—高壓水除磷—軋制—ACC 控制冷卻—鋼板緩冷—無損檢測—外觀檢驗—熱處理—精整—性能檢驗—入庫。

對該鋼板先后進行四次厚拉性能檢測，發現該鋼板Z 向值不穩定，兩次檢驗合格、兩次檢驗不合格，合格Z 向值在40 左右，符合國家標準，不合格Z 向值在20 以下，不符合國家標準，檢測結果見表2。

表2 Q420GJBZ35 國家標準及廠內四次檢測結果

為查找該鋼板Z 向性能不穩定的原因，在此鋼板東頭、西頭的寬度中軸線處分別取1 塊80 mm×220 mm×500 mm 試塊，編號為試塊①②，隨后對試塊進行了探傷、Z 性能、金相組織、掃描電鏡等檢驗。

2 檢測結果

2.1 試塊UT 超聲波無損檢測及Z 向性能檢測

試塊超聲波探傷符合GB/T 2970—2004，Ⅲ級以上標準，采用PXUT-330 型數字超聲波探傷儀對所取的試塊①②進行探傷，探傷時將探頭靈敏度提高至30 db，定位探傷存在微觀缺陷的具體位置。

在探傷缺陷處取Z 向樣，共計8 個樣，編號為1-1～1-5、2-1～2-3，在無缺陷處取樣共計6 個，編號為1-6～1-8、2-4～2-6。對制作的14 個Z 向試樣進行厚拉測試，發現探傷檢測存在微觀缺陷的試樣Z 向值普遍較低，平均值11.7%，最大值為19%，最小值為7%，而無探傷缺陷的試樣Z 向值較高，平均值45%，最大值53%，最小值37%。從檢測數據發現Z 向值高低與鋼板厚度方向的抗拉強度聯系不明顯，Z 向值高，厚度方向抗拉強度稍高，Z 向值低，厚度方向抗拉強度稍低，抗拉強度差距在20 MPa 以內，具體Z 向性能數據檢測結果見表3。

表3 Q420GJBZ35 試塊探傷定位取樣向性能檢測結果

2.2 Z 向樣斷口檢測

2.2.1 宏觀形貌

選取的3 個Z 向試樣殘樣，不合格試樣2 個，試樣編號1-2（Z 向值13），試樣編號1-3（Z 向值29），合格試樣1 個，試樣編號1-6（Z 向值53）。

對選取的殘樣斷口，采用無水乙醇進行超聲波清洗，然后進行對比觀察。編號1-2 試樣，斷裂前無明顯塑性變形，斷口縮頸不明顯，斷口平齊，顯示凸凹不平，顏色為暗灰色，無金屬光澤，見圖1-1；編號1-3試樣較編號1-2 試樣Z 向面縮率高16，由斷口形貌可見有輕微塑性變形，斷口有一定縮頸，斷口顯示凸凹不平，顏色為暗灰色，無金屬光澤，見圖1-2。編號1-6 試樣，斷口縮頸明顯，有明顯的剪切唇，顏色為暗灰色，見圖2。

圖1 Z 向性能不合格試樣宏觀形貌

圖2 Z 向性能合格試樣斷口形貌

2.2.2 微觀形貌

編號1-2 試樣（Z 向不合格），掃描斷口形貌，為典型河流花樣，見圖3-1，為解理斷裂，斷口處存在較多的夾雜物聚集，呈黑灰色長條狀，尺寸在20～70 μm，通過外觀形貌判斷應為MnS 夾雜物，見圖4，經對其能譜分析確定為MnS 夾雜，見夾雜物成分表4。

圖4 編號1-2 試樣斷口處夾雜物能譜分析

編號1-3 試樣（Z 向不合格），掃描斷口形貌，有少量韌窩，見圖3-2 主要為準解理斷裂，斷口有夾雜物聚集，呈黑灰色長條狀，尺寸在20～40 μm，通過外觀形貌判斷應為MnS 夾雜物，見圖5，經對其能譜分析確定為MnS 夾雜，見夾雜物成分表4（見下頁）。斷口形貌看編號1-3 試樣塑性優于編號1-2 試樣，夾雜物數量、夾雜物大小編號1-3 試樣低于編號1-2 試樣，這與Z 向性能數值相對應。

表4 不合格試樣夾雜物成分

圖3 Z 向性能不合格試樣斷口微觀形貌

圖5 編號1-3 試樣斷口處夾雜物能譜分析

編號1-6 樣（Z 向合格），掃描斷口形貌，微觀斷口主要呈現韌窩狀，斷口處無夾雜物聚集，見圖2-2，從斷口形貌看編號1-6 試樣塑性良好與Z 向性能數值相對應。

2.3 金相檢測發分析

取Z 向試樣殘樣（編號1-2、1-3、1-6），加工成金相試樣，觀察斷口處金相組織及夾雜物情況。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》和按GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》對試樣中夾雜物和帶狀組織進行評級，結果見表5。從金相評級來看，晶粒度控制較好，評級均為9.0 級以上，其中不合格試樣硫化物、帶狀組織級別較高，存在硬相組織貝氏體，見圖6、圖7。合格試樣500 倍金相圖片，如圖8 所示，可看出晶粒被拉長，表明試樣塑性良好，微觀形態與實際性能相對應。

圖6 Z 向性能不合試樣金相顯微組織

圖7 Z 向性能不合試樣金相顯微組織

圖8 Z 向性能合格試樣金相顯微組織

表5 Z 向試樣夾雜物、金相組織評級情況

3 分析討論

從上述檢測結果來看，Z 向性能不合的主要原因是MnS 夾雜聚集造成。硫化物夾雜屬于內生夾雜。鋼液在凝固過程中，隨著溫度的降低，S 和Mn 富集于尚未凝固的鋼液中，并發生化學反應生成MnS、FeS 或兩者的固溶體，當鋼液凝固時不能充分上浮，易于在鑄坯最后凝固的中心部位，形成硫化物夾雜。連鑄鋼坯在軋制過程中，鑄態組織中的硫化物夾雜，由于具有良好的塑性，在熱軋過程中隨著金屬基體一起流動變形，在壓力作用下沿軋制方向延展，形成細長的條帶狀，一般兩端呈圓角狀，尺寸達到一定程度，甚至引起鋼板分層。通過上述力學性能檢驗結果表明MnS夾雜對常規力學性能的屈服、抗拉強度及Z 向拉伸抗拉強度影響不大，對Z 向斷面收縮率有較大的影響。這是由于MnS 夾雜破壞了鋼基體的連續性，平行于板面，當試樣受力方向與MnS 夾雜平面垂直時，Z 向試樣有效受力面積大大減少,而對橫向、縱向試樣有效受力面積影響有限，當硫化物延伸越長，則Z 向性能越差[2]。MnS 夾雜尺寸越大，數量越多，Z 向斷面縮率越低。編號1-2、1-3 試樣硫化物微觀形貌、數量、Z向性能結果，與此結論相符。

從金相檢測結果來看Z 向性能不合格試樣1-2帶狀組織1.0 級，貝氏體組織占比40%，試樣1-3 帶狀組織2.0 級，貝氏體組織占比30%。帶狀組織與硫化物夾雜含量較高有關，鋼液凝固過程中，由于硫化物凝固溫度較低，凝固時多分布在枝晶間隙，在壓力作用下，硫化物沿壓延方向延伸，這些雜質形成了鐵素體形核的核心，使鐵素體形態呈帶狀分布，溫度繼續降低，珠光體形成時也相應呈條狀分布，形成珠光體帶，顯示為帶狀組織。試樣中貝氏體的產生是由于鋼液凝固過程中溶質再分配，中心部位合金含量高于鑄坯的其他部位，產生偏析。在后續軋制過程中，此類偏析難以消除，因此鋼板中心成分對應的CCT 曲線右移，在同樣的冷速條件下，中心部分形成貝氏體組織，在過冷奧氏體在向貝氏體轉變時體積膨脹，產生組織應力，加上鋼板冷卻過程中，表面與芯部冷速不同，產生熱應力，最終應力疊加，且貝氏體組織較鐵素體、珠光體硬度高、韌性差，使厚度方向組織應力不同于橫、縱方向,在厚度方向進行拉伸過程時試樣未產生形變就發生脆性斷裂。

4 改進措施

1）進行鐵水預處理，盡量降低鋼種硫含量，精煉過程中控制好渣堿度及吹氬攪拌強度促進各類夾雜物的上浮與成分的均勻化，避免嚴重的中心偏析和大塊夾雜產生。

2）鋼水鈣化處理，減少MnS 的總量和聚集程度，促進鋼中硫化物變性，減少鋼的各向異性，提高鋼的性能[3]。

3）連鑄環節加強液面波動控制，減少澆鑄過程中的拉速波動，采用有效的動態輕壓下技術、合理的二次鋼坯冷卻和過熱度及水溫的控制等措施，減輕鑄坯中心疏松和偏析。

4）合理分配加熱時間，促進鋼坯在高溫段中心偏析元素的擴散，軋制時提高單道次壓下量，保證變形滲透到芯部，充分破碎粗大晶粒和大顆粒夾雜物，同時縱軋和橫軋合理結合，以減少帶狀組織生成[4]。

5 結論

1）鋼板厚度中心處聚集的條狀MnS 夾雜,是造成該鋼種Z 向性能不合的主要原因。

2）鋼板厚度中心帶狀組織嚴重及偏析處生成的貝氏體等硬相組織，其組織應力較大是造成Z 向性能不合另一原因。