U型鋼板樁腹板開裂原因分析

金 濤，李寶文，宋青林，劉 興，劉翠艷

（河北津西鋼鐵集團(tuán)股份有限公司 質(zhì)檢中心，河北 遷西 064302）

1 前言

目前，河北津西鋼鐵集團(tuán)股份有限公司（簡(jiǎn)稱津西鋼鐵）已成為專業(yè)化系列化型鋼生產(chǎn)基地，所生產(chǎn)的產(chǎn)品種類全、規(guī)格大、附加值高。鋼板樁具有強(qiáng)度高、止水性好、插拔方便、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］，贏得了客戶眾多好評(píng)。但有一段時(shí)間客戶反映，在使用津西牌U600×210規(guī)格拉森鋼板樁打樁時(shí)，打樁機(jī)夾持部位出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了客戶的施工進(jìn)度，也給津西品牌形象造成了不良影響。為了盡快查明鋼板樁夾持部位腹板開裂的原因并研究制定相關(guān)措施，筆者對(duì)開裂樣品通過斷口觀察分析、物理性能分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)分析以及掃描電鏡能譜分析等手段，找出影響鋼板樁腹板開裂的主要原因，并制定出相應(yīng)解決措施。

2 鋼板樁腹板開裂原因分析

2.1 腹板開裂部位斷口形貌觀察

開裂部位于該支鋼板樁一端的打樁機(jī)夾持部位，外觀呈月牙形。斷口處位于腹板1/3 厚度位置有平行于軋制面的撕裂棱，斷口橫向兩側(cè)有輝紋。

2.2 開裂母材物理性能分析

在母材SY390 開裂部位上取物理性能和化學(xué)成分分析試樣各1 塊，對(duì)其進(jìn)行物理性能分析檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：屈服強(qiáng)度467 MPa，抗拉強(qiáng)度647 MPa，伸長率22%。由檢測(cè)結(jié)果可知，開裂樣品的物理性能符合JIS A5528：2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 開裂母材化學(xué)成分分析

在開裂母材上取樣，用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知，開裂樣品的化學(xué)成分符合JIS A5528：2012標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 開裂母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.4 金相分析

垂直斷口取縱截面試樣，試樣經(jīng)金相切割機(jī)切割，在拋光機(jī)上粗磨、拋光后，用無水乙醇沖洗、風(fēng)干后，置于蔡司顯微鏡下觀察夾雜分布情況。非金屬夾雜物按照GB/T 10561—2005評(píng)定，其中A類硫化物細(xì)系1.5 級(jí)，C 類硅酸鹽粗系3s 級(jí)，D 類氧化物細(xì)系1.5 級(jí)，見圖1。在斷口開裂源處縱向試樣，打磨拋光經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕液腐蝕8～10 s后，用無水乙醇沖洗、風(fēng)干后，置于顯微鏡下觀察顯微組織情況，組織為鐵素體+珠光體，鐵素體平均晶粒度按照GB/T 6394-2017 評(píng)定為9.5 級(jí)，見圖2。偏析帶內(nèi)有大量的灰色長條狀硫化物夾雜以及馬氏體組織［2］，見圖3。

圖1 斷口處夾雜100×

圖2 斷口處金相組織100×

圖3 偏析帶處組織

2.5 電鏡能譜分析

2.5.1 夾雜物能譜分析

將金相試樣經(jīng)超聲波清洗后，在蔡司掃描電子顯微鏡下觀察夾雜物形貌，并對(duì)其進(jìn)行能譜分析。所有元素均已歸一化。據(jù)圖4 和表2 的結(jié)果顯示，該夾雜物中含有較高含量的O、F、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti 等元素。經(jīng)比對(duì)，其含量符合保護(hù)渣系基礎(chǔ)組分SiO2·CaO·Al2O3，K、Na、Mg，屬于保護(hù)渣熔劑組分，F(xiàn) 元素為保護(hù)渣固有元素，說明該C 類夾雜物為鋼包澆鑄過程中保護(hù)渣卷入形成的大型復(fù)合夾雜物［3］。

圖4 夾雜能譜分析

表2 夾雜物能譜成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.5.2 偏析帶微區(qū)成分分析

經(jīng)微區(qū)成分分析，偏析帶內(nèi)Nb 的含量為3.76%，說明偏析帶內(nèi)存在未完全固溶的合金元素。對(duì)灰色條狀?yuàn)A雜物能譜分析，結(jié)果顯示主要成分為MnS夾雜。見表3、圖5。

表3 夾雜物能譜成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖5 灰色條狀?yuàn)A雜物能譜分析

3 原因分析與控制措施

3.1 原因分析

鋼板樁的腹板開裂部位存在明顯的中心帶狀偏析，偏析帶上有馬氏體組織，有未完全溶解的Nb合金元素以及較多的硫化物夾雜。同時(shí)夾雜檢測(cè)顯示，C 類硅酸鹽夾雜物超長超粗，這均是對(duì)鋼的塑性、韌性及打樁工藝不利的因素［4］。

（1）鋼板樁腹板中心的帶狀偏析是鋼連鑄時(shí)的內(nèi)部缺陷之一。在澆鑄中，中心偏析的存在會(huì)影響鋼板樁成品的質(zhì)量和加工性能。其形成原因是在鑄坯的凝固過程中，由于鑄坯的傳熱和冷卻的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致柱狀晶生長不穩(wěn)定，生長較快的柱狀晶在鑄坯中心相遇形成“搭橋”，并且在鑄坯中心呈斷續(xù)分布［5］，同時(shí)在凝固末期由于液相到固相的體積收縮會(huì)產(chǎn)生一定空穴，富集溶質(zhì)元素也被吸入到空穴中，液相穴內(nèi)的鋼液就被斷斷續(xù)續(xù)分布的“搭橋”分割開，當(dāng)晶橋下面的鋼液凝固收縮時(shí)得不到上部鋼液的補(bǔ)充，凝固末端由于枝晶偏析和選分結(jié)晶的作用，易偏析元素C、S、P等元素在此被封閉，形成疏松或縮孔，并伴有中心偏析［6］。中心偏析會(huì)導(dǎo)致鋼板樁腹板組織的不均性。偏析帶處組織與正常組織都存在一定的組織應(yīng)力，嚴(yán)重的中心偏析會(huì)導(dǎo)致鋼材內(nèi)部存在分層，降低鋼材的強(qiáng)度。由于在鑄坯中心附近有C、Mn、P、S 以及其他合金元素（如Nb）的富集、偏析，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，導(dǎo)致實(shí)際冷卻速度大于臨界冷卻速度，從而形成條帶富碳馬氏體組織。這種組織高度富碳和合金元素的偏析，導(dǎo)致該偏析帶處硬而脆，塑韌性差，影響鋼材的沖擊韌性，因此在打樁機(jī)震動(dòng)打樁時(shí)，巨大的沖擊力首先作用在最薄弱、應(yīng)力集中比較嚴(yán)重的偏析帶上，于是首先在偏析帶內(nèi)形成微裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展到附近夾雜區(qū)，導(dǎo)致鋼板樁腹板出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

（2）非金屬夾雜物是在鋼包澆鑄過程中，由于保護(hù)渣和耐火材料卷入鋼液中，未能及時(shí)上浮，殘留在鋼液中形成［7］。尤其是數(shù)量較多的大型C類硅酸鹽夾雜物的存在［8］，在軋制時(shí)被壓成片狀，在縱截面上表現(xiàn)出嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，破壞了鋼材基體的連續(xù)性，造成鋼材內(nèi)部分層［9］，從而降低鋼材物理性能，特別是降低鋼材塑性、韌性及疲勞性，在施工現(xiàn)場(chǎng)打樁時(shí)容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致樁體受夾持部位受力開裂。

3.2 控制措施

3.2.1 減少鑄坯夾雜物的措施

（1）結(jié)合煉鋼廠澆鑄實(shí)際，采取保護(hù)澆鑄措施，如氬氣密封，水口密封卷，防止鋼水從空氣中吸氧吸氮，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溶解氧含量，控制在0.006%以內(nèi)。

（2）適當(dāng)增加吹氬時(shí)間，增強(qiáng)中包去除大型夾雜物的能力。優(yōu)化中包鋼水流場(chǎng)，減少死區(qū)，給大型夾雜物充足的上浮時(shí)間。防止中包覆蓋劑在澆鑄過程中結(jié)殼，使得吸附夾雜能力變差，保證軟吹時(shí)間大于10 min。

（3）對(duì)中間包等設(shè)備所使用的耐火材料進(jìn)行檢查，可選用耐侵蝕的堿性耐火材料，可一定程度上減少大型夾雜物的形成，防止?jié)沧⑦^程鋼水二次氧化以免產(chǎn)生新的夾雜物。

（4）確定合理拉速。正常拉速控制在0.2 m/min，避免結(jié)晶器液面波動(dòng)，造成夾雜物上浮困難而難以去除，出現(xiàn)嚴(yán)重卷渣現(xiàn)象［10］。

3.2.2 中心偏析的控制措施

（1）采取低過熱度澆鑄。金屬凝固主要經(jīng)過結(jié)晶形核和晶體長大兩個(gè)階段，其中形核率和晶體生長速度和液態(tài)金屬的過熱度、溫度梯度都有著密切的聯(lián)系。過熱度低，形核率高，越容易形成等軸晶，對(duì)減小中心偏析有利。因此，中包過熱度控制在15～30 ℃。

（2）控制冷卻強(qiáng)度。二冷配水采用弱冷卻強(qiáng)度，控制柱狀晶的生長，增加等軸晶比例，獲得良好鑄坯質(zhì)量。避免強(qiáng)冷卻強(qiáng)度下溶質(zhì)元素還沒析出就凝固。采取合適的二冷強(qiáng)度可減輕碳偏析程度。

（3）拉速在相同的澆鑄過熱度條件下，降低拉速也會(huì)使凝固散熱量減少，坯殼加厚，減少碳偏析程度，降低有害夾雜元素含量（如S、P、O），S含量控制在0.010%以內(nèi)，P 含量控制在0.020%以內(nèi)，O 含量控制在0.006%以內(nèi)，以提高鋼純凈度，減少連鑄坯中心偏析，改善鋼板樁的內(nèi)部質(zhì)量。

4 改善效果

通過實(shí)施上述控制措施，通過金相檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物得到較大改善，尤其是A 類硫化物和C類硅酸鹽類夾雜物級(jí)別改善效果明顯。改善后非金屬夾雜物按照GB/T 10561—2005評(píng)定，A類硫化物細(xì)系1級(jí)，C類硅酸鹽細(xì)系2級(jí)，D類氧化物細(xì)系1級(jí)，見圖6。改善后組織為鐵素體+珠光體，未見顯微偏析帶，帶狀組織3 級(jí)，鐵素體平均晶粒度按照GB/T 6394—2017評(píng)定為9.5級(jí)，見圖7。

圖6 改善后夾雜100×

圖7 改善后組織100×

5 結(jié)語

開裂的鋼板樁內(nèi)部存在的元素與組織偏析以及存在大型非金屬夾雜物，破壞了鋼板樁腹板組織的連續(xù)性，使鋼板的塑性、韌性急劇變差。同時(shí)，硬而脆的馬氏體組織的出現(xiàn)也使鋼板的韌性變差，最終導(dǎo)致鋼板樁在打樁時(shí)發(fā)生開裂現(xiàn)象。根據(jù)分析出的原因，針對(duì)性地對(duì)煉鋼精煉、連鑄以及軋后冷卻各工序制定有效的改進(jìn)措施，通過生產(chǎn)驗(yàn)證，腹板中心偏析問題得到有效解決。