SWRCH35K冷鐓開裂原因分析及控制措施

劉志勇，張洪彪，王吾磊，王國(guó)梁，李 海，劉光緒，左小坦，趙 立

(蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司煉鋼廠，安徽 蕪湖 241002)

SWRCH35K作為高強(qiáng)度的緊固件代表鋼種之一，廣泛用于螺栓、螺帽等緊固件行業(yè)，SWRCH35K鋼在冷鐓過程中，變形量和變形速度較大，因此要求盤條具有較好的塑性及較低的加工硬化率。SWRCH35K冷鐓螺栓的生產(chǎn)工藝為：Φ6.5mm盤條→酸洗→磷化/皂化→拉絲至Φ4.8mm→冷鐓成螺栓(帶法蘭邊/外六角)[1]。在冷鐓生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)有兩捆拉絲材冷鐓成帶法蘭邊的螺栓冷鐓開裂，開裂比例為8%，外六角螺栓開裂比例為5%。裂紋形貌為法蘭邊開裂和外六角螺栓頭部開裂。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)開裂螺栓及拉絲材進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，尋找冷鐓開裂的原因。

1 SWRCH35K生產(chǎn)工藝

1.1 SWRCH35K生產(chǎn)工藝流程

該煉鋼廠，擁有兩座120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐；3座120 t LF雙工位、1座120 tRH雙工位精煉爐；2臺(tái)小方坯連鑄機(jī)、連鑄機(jī)配備自動(dòng)下渣檢測(cè)、結(jié)晶器電磁攪拌和末端攪拌。

SWRCH35K冷鐓鋼采用的生產(chǎn)工藝為：鐵水→轉(zhuǎn)爐→精煉→連鑄(180 mm×180 mm)→軋鋼。

1.2 SWRCH35K成分控制

SWRCH35K成分按照表1進(jìn)行控制：

表1 SWRCH35K成分 %

2 螺栓開裂形貌

在冷鐓內(nèi)六角螺栓和法蘭邊螺栓時(shí)，發(fā)現(xiàn)外六角的頭部和法蘭邊有開裂，法蘭邊開裂螺栓酸洗后時(shí)發(fā)現(xiàn)通條有裂紋、伴有白色夾雜如圖1所示，內(nèi)六角螺栓開裂為裂紋形態(tài)不規(guī)則如圖2所示。

圖1 法蘭邊開裂形貌

圖2 外六角開裂形貌

對(duì)蘭邊開裂螺栓試樣進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)法蘭邊的開裂螺栓裂紋深度為432.99～510.61 μm如圖3、圖4所示；其中在開裂螺栓內(nèi)部及皮下300 μm有夾雜，而且裂紋周圍存在的對(duì)稱的增碳區(qū)域如圖5所示。

圖3 法蘭邊開裂高倍1

圖4 法蘭邊開裂高倍2

圖5 法蘭邊開裂金相組織

截取外六角開裂螺栓裂紋試樣進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)外六角螺栓裂紋深度為 240～300 μm，裂紋起始位置距離表面約50 μm。如圖6、圖7所示；其中在裂紋內(nèi)部有夾雜，而且裂紋周圍存在的對(duì)稱的增碳區(qū)域如圖7所示。

圖6 外六角開裂高倍

圖7 外六角開裂金相組

3 螺栓開裂原因分析

經(jīng)掃描電鏡能譜分析，外六角和法蘭邊螺栓缺陷試樣里的夾雜物為脆性?shī)A雜，主要成分為鈣鋁酸鹽如圖8、圖9所示，同時(shí)含有保護(hù)渣中典型元素Na。確定該夾雜物為皮下卷保護(hù)渣所致。

鋼中的非金屬夾雜物破壞了鋼的連續(xù)性和均勻性，由于鋼的基體和非金屬夾雜物線膨脹系數(shù)存在一定的差異性，在外應(yīng)力作用下，使非金屬夾雜物和鋼的基體之間產(chǎn)生空洞或者形成相應(yīng)的機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)，在局部區(qū)域形成破壞區(qū)，誘發(fā)對(duì)鋼材斷裂發(fā)生和擴(kuò)展起了決定性作用[2]。

圖8 外六角螺栓能譜

圖9 法蘭邊螺栓能譜

4 夾雜物來源分析

追溯本次開裂的批號(hào)的相應(yīng)爐號(hào)，發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中，部分流次有液面波動(dòng)現(xiàn)象，波動(dòng)范圍在±8 mm如圖10、圖11所示。結(jié)晶器液面劇烈的波動(dòng)導(dǎo)致富碳層極易卷入鋼液，造成鑄坯皮下夾渣，夾雜物周圍出現(xiàn)增碳現(xiàn)象[3]。造成液面波動(dòng)的主要原因：連鑄使用分體水口，中間包水口與中間包底密封性較差，中包到結(jié)晶器鋼水保護(hù)澆注較差，造成鋼水在注入結(jié)晶器前發(fā)生二次氧化[4]，造成水口部分堵塞，水口壁上粘有絮狀物，造成鋼水通道堵塞，從而造成結(jié)晶器液面的波動(dòng)。

圖10 6流自動(dòng)液面

圖11 7流自動(dòng)液面

5 防范措施

(1)連鑄中間包采取巖棉密封，包蓋周圍耐火泥密封。

(2)中間包使用雙層覆蓋劑。

(3)連鑄使用整體水口，開澆之前對(duì)塞棒螺桿進(jìn)行二次調(diào)整，全程大包套管氬封保護(hù)澆注。

(4)開澆前對(duì)中包進(jìn)行氬氣置換。

(5)套管插入深度為110～115 mm，過程中液面波動(dòng)大于5 mm，進(jìn)行甩廢。

(6)結(jié)晶器采用自動(dòng)加渣。

6 結(jié) 論

(1)盤條內(nèi)部夾渣是造成螺栓開裂的直接原因，螺栓的裂紋是母材上帶來，是從鑄坯遺傳而來。

(2)結(jié)晶器的液面波動(dòng)是引起鑄坯皮下夾渣的直接原因，而結(jié)晶器的液面波動(dòng)是由于中包的分體水口保護(hù)澆注不當(dāng)引起。

(3)鑄坯的皮下夾渣破壞了鋼的基體連續(xù)性，導(dǎo)致鋼在軋制和冷鐓變形過程中，夾雜物不能與鋼的基體一樣均勻變形，誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。

(4)通過使用整體水口；開澆前對(duì)中包進(jìn)行清掃；塞棒螺桿的二次調(diào)整；澆注過程中做好大中包的保護(hù)澆注；注入中包前的氬氣置換；以及確保合理的套管插入深度；結(jié)晶器保護(hù)渣采用自動(dòng)加渣等措施，可以有效杜絕鑄坯的皮下卷渣。