82B盤(pán)條拉拔斷裂原因分析與改進(jìn)

馮躍平

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司制造管理部）

82B盤(pán)條鋼是制造高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)用鋼絲和鋼絞線的主要原料，廣泛應(yīng)用于高層建筑、鐵路、公路、橋梁、石油化工等工程領(lǐng)域。伴隨著預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)寬，82B盤(pán)條的需求量逐年增加【1】。

預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線具有高強(qiáng)度、耐蝕性以及良好的韌性，這就要求其制品用82B原始盤(pán)條足夠的強(qiáng)度、面縮率以及較好的拉拔性能。八鋼公司預(yù)應(yīng)力鋼絞線用82B盤(pán)條的開(kāi)發(fā)采用八鋼150t轉(zhuǎn)爐——連鑄——高線軋制產(chǎn)線的φ12.5mm盤(pán)條，并得到用戶認(rèn)可,月產(chǎn)量超過(guò)萬(wàn)噸。但以82B為原料制成的鋼絞線和鋼絲中會(huì)出現(xiàn)拉拔斷裂的問(wèn)題，長(zhǎng)期困擾著品質(zhì)的提升。文章從分析測(cè)試的角度出發(fā)，利用光學(xué)顯微鏡，掃描電鏡等設(shè)備，對(duì)影響拉拔性能的因素進(jìn)行探討分析，為82B拉拔斷裂問(wèn)題的解決提供借鑒。

1 82B盤(pán)條表面缺陷

82B盤(pán)條常見(jiàn)的表面缺陷有表面折疊擦劃傷(見(jiàn)圖1)。圖1中的折疊缺陷較明顯的規(guī)律和固定形態(tài)，隨著拉拔道次的增加,盤(pán)條表面存在折疊缺陷應(yīng)力集中在鋼絲的一側(cè)或兩側(cè),形成裂紋。

圖1 82B盤(pán)條表面缺陷

圖2中的擦劃傷缺陷一般產(chǎn)生于盤(pán)條在精整打捆甚至吊運(yùn)過(guò)程中,由于設(shè)備的原因及操作不當(dāng)均可能造成表面擦傷。

盤(pán)條的表面缺陷危害很大,容易使盤(pán)條在后續(xù)拉拔過(guò)程中發(fā)生脆斷。盤(pán)條表面劃傷時(shí),在拉拔過(guò)程應(yīng)力集中在盤(pán)條的一側(cè)而形成裂紋,形成如圖2所示的斷口形貌，斷口一般呈撕裂狀,邊緣不整齊。

圖2 82B盤(pán)條劃傷斷口及金相組織

在斷口處取金相試樣進(jìn)行分析，組織形貌見(jiàn)金相照片（圖2），從組織形貌看出，在劃傷處出現(xiàn)明顯的硬化層，在缺陷處組織流變，有被明顯壓痕。盤(pán)條過(guò)程中，該處容易應(yīng)力集中，成為裂紋起源地。

產(chǎn)生表面擦劃傷產(chǎn)生的主要原因:(1)由于軋制工藝操作不當(dāng),導(dǎo)板、衛(wèi)板或夾板質(zhì)量不好,軋件局部過(guò)充滿產(chǎn)生耳子,軋制后劃傷部分被壓入軋件內(nèi)部,造成折疊;(2)打包機(jī)操作操作時(shí)，集卷筒的筒壁以及鼻錐表面粗糙,在打包過(guò)程中在盤(pán)條表面造成劃傷。

針對(duì)82盤(pán)條表面缺陷，制定了改進(jìn)措施：

（1）對(duì)孔型進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以及合理的安裝導(dǎo)衛(wèi)，在軋制過(guò)程中避免未充滿或過(guò)充滿，調(diào)整各道次的料型,減少導(dǎo)衛(wèi)擠壓形成的刮絲和黏鋼；（2）加強(qiáng)卷型控制和打捆機(jī)操作維護(hù)，將吐絲機(jī)翻板放至最低位，將吐絲機(jī)參數(shù)中過(guò)速放至約-1.5，將圈形調(diào)大。重新檢查、確認(rèn)集卷筒的筒壁以及鼻錐表面確保光滑無(wú)棱角；確保芯棒的伸縮功能使用正常，伸縮芯棒的銷軸部位光滑無(wú)棱角。

2 82B盤(pán)條內(nèi)部缺陷的控制

82B盤(pán)條常見(jiàn)的內(nèi)部缺陷是非金屬夾雜物、異常組織（中心網(wǎng)狀滲碳體）。

2.1 非金屬夾雜物

在盤(pán)條拉拔斷裂樣斷口觀察，斷口見(jiàn)圖3所示的“黑心+白點(diǎn)”現(xiàn)象。

即在斷面中心黑色區(qū)域有一小的白色區(qū)域。用掃描電鏡將局部放大，可看到該區(qū)域有大型的夾雜。

圖3 夾雜物引起的斷口形貌

鋼中非金屬夾雜物主要是煉鋼及澆注過(guò)程中產(chǎn)生的，對(duì)鋼材的性能有很大的影響，鋼中夾雜物也是衡量鋼材質(zhì)量的重要指標(biāo)。

對(duì)斷口出現(xiàn)其夾雜物進(jìn)行能譜分析（圖4），夾雜物物質(zhì)主要成分為 O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、成分元素和結(jié)晶器保護(hù)渣的成分,由此推斷此類大型夾雜物為連鑄工序中結(jié)晶器保護(hù)渣卷入鑄坯造成的。

圖4 82B鋼盤(pán)條中心夾雜物的EDS譜

非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物，硅酸鹽及氮化物等內(nèi)生夾雜物或因?yàn)闋t渣、耐火材料在鋼液凝固過(guò)程中未及時(shí)上浮而殘留于鋼中。由于其彈性、塑性有與金屬基體相當(dāng)?shù)牟顒e，往往被視為顯微裂紋的發(fā)源地,所以盤(pán)條在拉拔變形時(shí),夾雜物不能發(fā)生相應(yīng)的變形,受到拉應(yīng)力的作用,沿夾雜物方向就產(chǎn)生破裂,從而造成盤(pán)條在拉拔過(guò)程的斷裂【2】。

2.2 82B冶煉與連鑄工藝控制

由于82B鋼水純凈度要求較高，生產(chǎn)時(shí)需要嚴(yán)格控制鋼中S、P含量。采用的工藝路線為：150t轉(zhuǎn)爐-LF精煉-方坯連鑄-一高線機(jī)組軋制-檢驗(yàn)、試驗(yàn)-標(biāo)識(shí)-入庫(kù)

為提高盤(pán)條的純凈度，在煉鋼環(huán)節(jié)確定以下工藝制度：

（1）150t轉(zhuǎn)爐出鋼目標(biāo)時(shí)間 t≥4.5min，采用擋渣塞擋渣出鋼，嚴(yán)禁爐口和出鋼口下渣；出鋼采用硅鈣鋇、電石預(yù)脫氧，合金化用硅錳合金和錳鐵。合金必須清潔干燥。

（2）精煉爐冶煉時(shí)間＞50分鐘，精煉必須在40min內(nèi)將成分調(diào)整好，白渣時(shí)間≥25分鐘。

（3）精煉爐軟吹前喂硅鈣線150m/爐，調(diào)整軟吹氬氣流量以鋼液面微小波動(dòng)為準(zhǔn)，喂絲后必須保證軟吹時(shí)間≥10分鐘，軟吹后保證鋼包靜置5分鐘以上。

（4）連鑄過(guò)程中全程保護(hù)澆注，大包采用長(zhǎng)水口配密封墊氬封保護(hù)。中包安裝檔墻。連澆爐過(guò)熱度≤30℃，最大拉速≤1.9m/min。

（5）嚴(yán)禁低液位澆注，正常澆注時(shí)中間包鋼液低于5t必須停機(jī)。正常澆注時(shí)中間包鋼液深度不得低于600mm,停澆前不得低于400mm。

（6）采用結(jié)晶器和末端電磁攪拌。

2.3 中心網(wǎng)狀滲碳體分析

82B是日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G3502-1996規(guī)定的鋼材牌號(hào)，其全稱為SWRS82B，相當(dāng)于YB/T 146-1998《預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤(pán)條》中的82MnA和GB/T 24238-2009《預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼絞線用熱軋盤(pán)條》的YL82B，熱軋盤(pán)條的正常光學(xué)顯微組織索氏體+珠光體組成，而且索氏體化率≥85%才能使82B鋼具有高的冷拉極限值。索氏體組織屬于細(xì)片狀珠光體，鐵素體相和滲碳體相高度彌散，片層間距小。拉拔過(guò)程中以發(fā)生彎曲或塑性變形而不易斷裂，從而有效避免斷裂【3】。但在實(shí)際生產(chǎn)中，在盤(pán)條心部極易出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體，而此時(shí)的斷口形貌（見(jiàn)圖5）為筆尖狀斷口，而且一般成對(duì)出現(xiàn)。

圖5 拉拔后出現(xiàn)的筆尖斷口

2.3.1 網(wǎng)狀滲碳體檢驗(yàn)分析

將斷口位置縱向剖開(kāi)觀察金相組織，可見(jiàn)斷口附近的鋼絲心部也存在“人”字內(nèi)裂（如圖6）。放大內(nèi)裂紋附近的金相組織，可見(jiàn)鋼絲中心部位有嚴(yán)重的網(wǎng)狀滲碳體，索氏體化率低，含有大量珠光體組織。

圖6 人字內(nèi)裂

圖7 82B鋼盤(pán)條網(wǎng)狀滲碳體

由于盤(pán)條心部出現(xiàn)連成網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀滲碳體和片層粗大的珠光體（圖7）,在鋼絲拉拔變形過(guò)程中容易產(chǎn)生與變形方向呈45°的裂紋，繼續(xù)拉拔則裂紋擴(kuò)大形成杯錐狀內(nèi)裂紋最終斷裂。

82B盤(pán)條要求不經(jīng)過(guò)熱處理可以直接進(jìn)行高速、連續(xù)、大壓縮率的拉拔，82B應(yīng)主要為索氏體，不應(yīng)有馬氏體、網(wǎng)狀滲碳體及對(duì)性能有害的組織。若82B盤(pán)條心部有網(wǎng)狀滲碳體或馬氏體,在拉拔時(shí)易沿晶界產(chǎn)生裂紋,進(jìn)一步拉拔極易出現(xiàn)脆斷,斷口呈杯錐狀。

2.3.2 網(wǎng)狀滲碳體形成

從設(shè)計(jì)成分看：而82B的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.80%～0.84%,屬于過(guò)共析鋼，共析點(diǎn)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%，根據(jù)Fe-Fe3C鐵碳平衡相圖,在軋后冷過(guò)程中,當(dāng)奧氏體冷卻到Acm線以下時(shí),沿奧氏體晶界析出二次滲碳體,到達(dá)共析溫度時(shí),奧氏體通過(guò)共析分解轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。在實(shí)際生產(chǎn)中,其組織轉(zhuǎn)變并不按平衡溫度。圖8是過(guò)共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線，從中可以看出，過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻的速度不同，發(fā)生和轉(zhuǎn)變的室溫組織也不同。冷卻速度很低,則形成網(wǎng)狀滲碳體。

圖8 過(guò)共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線

對(duì)于82B盤(pán)條鋼而言，組織應(yīng)以索氏體為主，其金相組織形態(tài)為鐵素體和滲碳體交替排列成的曾片狀組織。索氏體的片層間距較細(xì)，鐵素體和滲碳體片薄，塑性變形能力大，而網(wǎng)狀滲碳體是一種組織缺陷，在拉拔過(guò)程中，裂紋容易在脆性的網(wǎng)狀碳化物處形成并擴(kuò)展，最終引起脆斷。

因此,在相變前,奧氏體應(yīng)具有較大的過(guò)冷度和冷卻速度,抑制先共析滲碳體的析出，有效避免網(wǎng)狀滲碳體產(chǎn)生。

2.3.3 避免網(wǎng)狀滲碳體有效措施

鋼中組織的變化與鋼坯加熱、軋后冷卻速度密切相關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐爐溫和出鋼溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，加熱段溫度控制在1160℃～1190℃，均熱段控制在1050℃以上，鋼坯加熱通長(zhǎng)溫度差小于30℃，開(kāi)軋溫度為980～1020℃，控制吐絲溫度和相變區(qū)冷卻速率。軋制中1#、2#水箱閥位控制約10%，不超過(guò) 15%，保證 3#剪前的溫度約在 950℃，3#、4#、5#水箱閥位約控制在40%，保證TMB入口溫度在820℃，7#水箱閥位控制在 40%，吐絲溫度在860～875℃，按上限控制。吐絲后快速冷卻，冷卻線風(fēng)機(jī)全部打開(kāi)，強(qiáng)制快冷;軋制節(jié)奏控制在30s以上。使盤(pán)條冷卻過(guò)程避開(kāi)滲碳體析出區(qū)，同時(shí)快速通過(guò)珠光體相變區(qū)，進(jìn)入索氏體相變區(qū),發(fā)生索氏體轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)82B盤(pán)條拉拔斷裂缺陷的檢測(cè)分析，對(duì)影響82B盤(pán)條拉拔斷裂的因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施：

（1）提高鋼水的純凈度、優(yōu)化煉鋼連鑄工序,避免在鋼中出現(xiàn)大型夾雜物和表面卷渣現(xiàn)象。

（2）在軋制和控冷環(huán)節(jié)中應(yīng)適當(dāng)加大冷卻速度，控制盤(pán)條心部滲碳體異常組織，盤(pán)條索氏體化率達(dá)到85%。

（3）合理的孔型設(shè)計(jì),減少導(dǎo)衛(wèi)擠壓形成的刮絲和黏鋼,防止硬擦傷以及打捆時(shí)擠壓傷。

改進(jìn)措施實(shí)施后，82B盤(pán)條產(chǎn)品格合格率大大提高，拉拔斷絲率由5次/百噸降低至1次/百噸，斷絲率明顯降低。

八鋼橋梁鋼建造的烏昌大道跨頭屯河大橋榮獲“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”

烏昌大道跨頭屯河大橋項(xiàng)目榮獲由中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)主辦的第十三屆“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”。該獎(jiǎng)項(xiàng)是中國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)工程質(zhì)量的最高榮譽(yù)獎(jiǎng)，每年評(píng)選一次，參選對(duì)象為國(guó)內(nèi)從事建筑鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝企業(yè)承建的各類建筑鋼結(jié)構(gòu)工程。

烏昌大道跨頭屯河大橋項(xiàng)目由北新路橋集團(tuán)承建，是新疆首座雙層鋼桁結(jié)構(gòu)景觀大橋，全長(zhǎng)1.597km，橋梁全長(zhǎng)901.42m，路基全長(zhǎng)695.58m，橋體用鋼量近4萬(wàn)t，其中3.5萬(wàn)t橋梁鋼鋼板全部由八鋼供貨。橋梁鋼合同最大板寬3.1m，超出中板機(jī)組的最大規(guī)格能力（3.0m），而且依據(jù)新標(biāo)，鋼板在-40℃的低溫沖擊值由47J提高到120J。

面對(duì)實(shí)際困難，八鋼中厚板產(chǎn)線各工序密切協(xié)作，優(yōu)化工藝方案，現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)，確保供貨的鋼板板形、表面質(zhì)量、尺寸精度等均達(dá)到北新路橋的高標(biāo)準(zhǔn)要求。八鋼橋梁鋼建造的烏昌大道跨頭屯河大橋榮獲“中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)”是八鋼產(chǎn)品的重大榮譽(yù)，成為八鋼橋梁鋼開(kāi)闊市場(chǎng)的標(biāo)志性“名片”。