基于夾雜物控制工藝的Q235B熱軋板失效機理及優(yōu)化研究

關鍵詞：夾雜物控制；Q235B；失效機理；工藝參數優(yōu)化

0 引言

Q235B鋼因具有成材率高，成本低，且焊接性良好等優(yōu)點，廣泛使用于建筑、工程、焊接件等領域。在實踐過程發(fā)現(xiàn)，Q235B鋼本身存在帶狀組織和變形的非金屬夾雜物，及熱處理工藝不當導致零件開裂問題。黃華等針對轉爐-氬站-連鑄的工藝生產Q235B鋼鑄坯內弧中心裂紋，采取電鏡、能譜分析等方法進行技術改進，取得了鑄坯內部質量提升效果；湯偉等針對Q235B鋼板坯中間裂紋，運用金相法等手段檢驗分析，得出夾雜物與成分偏析是造成質量問題的主要原因；夏金魁等對生產中Q235B連鑄板坯內部裂紋產生原因進行研究與分析，得出脫氧工藝、夾雜物控制、澆注工藝等不合理是造成裂紋產生的主要原因，技術改進后降低了內部裂紋比例；蘭鵬等對于氬站直上Q235B板坯在高拉速下的中間裂紋問題進行分析，通過數值模擬與計算提出了針對性的控制策略。

基于以上文獻調研，本文將總結并借鑒前人經驗，針對最近某用戶在使用某鋼廠生產的Q235B熱軋板鋼加工木制品連接件的過程中發(fā)生冷彎開裂的問題，進行深入研究，揭示Q235B鋼失效機理，得到工藝參數的影響規(guī)律，并針對性地進行生產技術改善，從根本上解決Q235B鋼的質量缺陷問題。

1 生產工藝

某鋼廠為滿足不同客戶需求，針對Q235B鋼牌號，設計了不同成分要求的內部出鋼記號，根據產品使用方式、使用場景等設定了不同的成分標準。Q235B鋼化學成分標準見表1，本文重點關注該鋼號的P、S含量是否超標。

Q235B鋼工藝路徑如表2所示。表2顯示Q235B鋼生產的工藝路徑有三種，路徑1為主要排產路徑，對于原料鐵水硫含量0.035%以下時不進行鐵水預處理脫硫，因而其工藝流程比路徑2、3更短，且能耗成本較低，更符合降本增效的綠色環(huán)保理念；路徑3對于部分高端Q235B鋼產品進行真空脫氣處理。因而在生產中，常常采用路徑1。通過生產信息追溯，本文所述的缺陷試樣是由路徑1所生產。

2 缺陷分析

2.1 主要工藝參數

通過材料信息查詢缺陷試樣的生產實際化學成分，缺陷試樣化學成分如表3所示。表3中數據為在鑄機澆注1/2鋼水量時取樣，進行光譜化驗的結果，具有較好的代表性。通過對比表3與表1中所示成分可以發(fā)現(xiàn)，缺陷試樣化學成分符合標準要求。

此缺陷試樣采用表2中路徑1生產，一罐到底，鐵水與廢鋼裝入轉爐，頂底復吹脫碳與磷，在出鋼工藝中進行脫氧合金化，加入活性石灰進行鋼包頂渣改質，鋼水進入ANS-OB精煉位微調成分，最后調運至連鑄機進行澆注。Q235B煉鋼連鑄主要工藝參數如表4所示。

2.2 檢驗與分析方法

缺陷零件采用Q235B熱軋鋼板為基材進行加工，加工方法是先在切割好的基板上進行沖孔，然后沿著方孔邊緣進行折彎成型。部分材料折彎時在方孔角部位置出現(xiàn)開裂缺陷，為準確分析缺陷產生原因，通過觀察宏觀形貌后，采用金相顯微鏡對缺陷位置微觀組織形態(tài)進行觀察，應用掃描電子顯微鏡對缺陷位置成分進行檢測，同時通過4%硝酸酒精對樣品進行腐蝕，觀察試樣的組織形態(tài)。

2.2.1 宏觀形貌

Q235B熱軋板加工零件缺陷試樣宏觀形貌見圖1，從圖1中可以看到彎折位置的裂紋缺陷均從零件開口的拐角處起裂，具體位置為加工件四方型孔洞角部，由外向內擴展，肉眼觀察開裂處未見明顯夾雜物或異物，未見明顯分層等異常組織形式。

2.2.2 金相分析結果

對Q235B熱軋板加工零件缺陷試樣缺陷處截取橫向金相試樣，經粗磨、細磨及拋光處理加工后，運用金相觀察試樣拋面，拋光態(tài)裂紋總體呈鋸齒狀，裂紋邊緣呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，缺陷試樣裂紋處拋光后形貌如圖2所示。

對試樣進行縱向加工處理，通過觀察試樣縱截面，可見大量的超尺寸夾雜物條帶，最長可達2.97 mm左右，夾雜物呈現(xiàn)較平行排列。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》夾雜物測定標準判斷：大多數夾雜物呈現(xiàn)長條狀，具備較好的延展性，夾雜物顏色為灰色或黑色，說明此缺陷試樣存在的A類夾雜物（硫化物類）與C類夾雜物（硅酸鹽類）較多；另外，存在一定數量夾雜物未產生延展變形，顏色為黑色或灰色，形狀為球狀或非球狀，說明缺陷試樣也存在一定數量的B類夾雜物（氧化鋁類）及D類夾雜物（球狀氧化物類），缺陷試樣缺陷處夾雜物形貌如圖3所示。

通過圖2與圖3觀察結果分析，可見缺陷試樣內存在大量條帶夾雜物與部分非變形夾雜物，夾雜物存在基體內破壞基體均勻性，容易在軋鋼軋制過程產生應力集中，降低材料的加工塑性、彎曲等機械性能，在客戶對材料進行沖壓、彎曲加工中，很容易產生折斷、開裂問題，這與前人對于Q235B夾雜物相關研究結論相符。

2.2.3 掃描電鏡分析結果

使用SEM掃描電鏡對缺陷位置的夾雜物進行能譜分析，試樣的SEM能譜圖如圖4所示，夾雜物主要含有Fe、Mn、O、S、Si、Al、Ca、Ti等元素，以上元素成分結果驗證了圖3中缺陷試樣中夾雜物為A類夾雜物、B類夾雜物、C類夾雜物及D類夾雜物。

2.2.4 組織分析結果

通過對缺陷試樣進行鑲嵌、磨制、拋光，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕處理后，觀察試樣組織與開裂處形貌，試樣基體組織為鐵素體、珠光體及少量貝氏體，裂紋處組織與基體基本一致，未觀察到明顯的組織偏析帶，試樣缺陷位置組織形貌圖見圖5。判斷試樣開裂缺陷主要為基體存在夾雜物造成，這與部分研究人員結論由于偏析原因產生裂紋不同。

2.3 問題對策分析

綜以上檢驗分析結果可知，試樣開裂處不存在明顯的偏析組織帶，造成試樣加工開裂缺陷的主要原因是基體中存在大量夾雜物，根據圖4分析結果，大多數夾雜物為MnS夾雜物及Al2O3夾雜物，基體中其余夾雜物為硅酸鹽夾雜物與其他氧化夾雜物。針對分析結論，制定改進對策為：降低轉爐煉鋼終點氧含量，改進脫氧順序，控制夾雜物產生源頭；轉爐及RH工序中改進頂渣改質、吹氬工藝促進夾雜物上浮、吸收；全程合理控制溫度，避免轉爐終點溫度、過程溫降問題進行吹氧升溫產生不必要夾雜；進行全程保護澆鑄，中間包采取添加覆蓋劑等措施防止二次氧化。

3 改進效果

根據問題對策分析，改進了煉鋼相關生產操作工藝，工藝改進如表5所示。改進工藝后，軋鋼的夾雜缺陷返修率為零，對鑄坯不同位置材料取樣進行金相分析，工藝改進后試樣金相圖及夾雜物分析結果如圖6、7所示。

可見，工藝改進后試樣金相無明顯夾雜物缺陷，且夾雜物為球形鈣鋁酸鹽，說明改進后夾雜物控制水平有顯著提高。

4 結論

1）通過對試樣的宏觀觀察，材料為拐角處開裂后由外向內擴展，開裂處未見明顯異物及分層等組織形式；對缺陷處金相分析，裂紋呈鋸齒狀，缺陷試樣存在A類夾雜物（硫化物類）與C類夾雜物（硅酸鹽類）較多，同時存在一定數量B類夾雜物（氧化鋁類）及D類夾雜物（球狀氧化物類），該結論與以往部分研究人員對于該鋼產生缺陷原因相同；通過SEM掃描電鏡對缺陷位置的夾雜物進行能譜分析，驗證了夾雜物種類及占比量的分析結論；通過對缺陷試樣進行組織觀察，未觀察到明顯組織偏析，排除了由于內部組織缺陷而產生開裂問題。

2）通過綜合分析結果，分析形成缺陷的主要原因為基體中夾雜物問題，現(xiàn)場進行了針對性優(yōu)化，如降低轉爐煉鋼終點氧含量、改進脫氧順序、改進頂渣改質工藝、改進吹氬工藝、延長靜置時間、減少吹氧升溫比率、連鑄保護澆鑄，中間包加覆蓋劑等，改進后，夾雜缺陷返修率降低為零，通過對改進后鑄坯取樣分析，夾雜物控制水平有明顯改善。

本文摘自《金屬材料與冶金工程》2024年第4期