改善Q420B鐵塔角鋼缺陷的冶煉制備工藝研究

興 超 張利武

(1. 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金化工系， 河南 濟(jì)源 459000；2. 石橫特鋼集團(tuán)有限公司煉鋼廠， 山東 肥城 271600)

Q420鋼是一種屈服強(qiáng)度為420 MPa的通用型低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[1-2]，按照性能可分為5個(gè)等級(jí)。Q420鋼的強(qiáng)度高，抗疲勞性能好，特別是在正火或正火加回火狀態(tài)下，可表現(xiàn)出較高的綜合力學(xué)性能。石橫特鋼集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱石橫特鋼)煉鋼廠生產(chǎn)的角鋼,有部分批次出現(xiàn)裂紋，角鋼支腿表面偶見(jiàn)凹坑缺陷。為了改善角鋼鑄坯產(chǎn)品的質(zhì)量，我們結(jié)合生產(chǎn)情況分析了角鋼裂紋和凹坑缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)連鑄工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了良好的效果。

1 生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備參數(shù)

表1 連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)

2 Q420B鐵塔角鋼缺陷形態(tài)

石橫特鋼生產(chǎn)的鐵塔角鋼在連鑄坯上未見(jiàn)裂紋及表面缺陷，但是在軋制成角鋼后有個(gè)別批次出現(xiàn)裂紋，且在角鋼支腿表面偶見(jiàn)凹坑缺陷。如所生產(chǎn)的Q420B鐵塔角鋼，規(guī)格為∠200 mm×200 mm×20 mm，力學(xué)性能檢驗(yàn)合格，但其成品經(jīng)酸洗后部分批次出現(xiàn)裂紋和表面凹坑缺陷。表2所示為Q420B鐵塔角鋼的化學(xué)成分。圖1、圖2所示為裂紋或凹坑的宏觀照片。

3 Q420B鐵塔角鋼缺陷分析與合金優(yōu)化

3.1 夾雜物掃描分析

如圖1、圖2所示，加工后的角鋼主要存在裂紋和凹坑質(zhì)量缺陷。在掃描電鏡下對(duì)Q420B鐵塔角鋼試樣上的缺陷部位進(jìn)行觀察，得到其能譜圖(見(jiàn)圖3)。角鋼中主要存在不規(guī)則狀、橢圓狀、椎狀?yuàn)A雜物。通過(guò)能譜分析還可以看出，缺陷處主要含有Si、O、Mn等元素。在電子圖像1中，角鋼表面有夾雜物脫落的痕跡，即試樣表面夾雜物在酸洗過(guò)程中脫落。根據(jù)殘留于基體表面附近夾雜物的形貌，可判斷其為硅酸鹽類夾雜物。

表2 Q420B鐵塔角鋼的化學(xué)成分(ω) 單位：%

圖1 角鋼裂紋

圖2 角鋼凹坑

在該夾雜物與試樣表層之間，存在大量密集分布的氧化物質(zhì)點(diǎn)，有明顯的脫碳現(xiàn)象。夾雜物的存在，使得角鋼腿部近表層產(chǎn)生微裂紋，而加熱過(guò)程中又有氧化性氣體進(jìn)入裂紋，在裂紋附近形成大量氧化質(zhì)點(diǎn)，最終使基體組織產(chǎn)生孔洞而結(jié)構(gòu)疏松。此時(shí)，表面氧化皮與裂紋附近的氧化斑點(diǎn)產(chǎn)生一定的機(jī)械連接，提高了氧化皮與基體的黏附力，在酸洗過(guò)程中氧化皮難以去除而殘留在腿部表面。如果試樣中夾雜物顆粒較多，并呈團(tuán)聚狀態(tài)分布于表面，則會(huì)在酸洗過(guò)程中脫落，從而留下表面脫落坑。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，表面夾雜物與基體表層下的夾雜物相連接。夾雜物的導(dǎo)熱性比鋼差，在加熱過(guò)程中隔斷了熱的有效傳導(dǎo)，導(dǎo)致夾雜物往基體方向區(qū)域的溫度較低，所以在此部位未發(fā)現(xiàn)氧化物質(zhì)點(diǎn)及明顯的脫碳現(xiàn)象。由于夾雜物兩側(cè)區(qū)域的溫度不同，導(dǎo)致兩區(qū)域在軋制過(guò)程中的變形量不同，故易在近表層附近誘發(fā)微裂紋。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，認(rèn)為該缺陷是由于澆注過(guò)程中液面波動(dòng)導(dǎo)致保護(hù)渣卷入鋼中而產(chǎn)生。

3.2 保護(hù)渣性能分析

黏度是連鑄保護(hù)渣的重要物性參數(shù)[3-5]，它直接影響到熔渣吸收氧化物夾雜的速度和潤(rùn)滑鑄坯的效果。黏度適宜的熔渣，在澆注過(guò)程中能均勻地充填于結(jié)晶器與坯殼之間的氣隙中，包圍整個(gè)鑄坯，起到傳熱、加速鑄坯凝固和潤(rùn)滑器壁防止黏結(jié)的作用。黏度過(guò)低會(huì)使渣膜增厚且不均勻，從而導(dǎo)熱不均，在相應(yīng)凝固殼較薄處產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生表面裂紋。此外，黏度過(guò)低，會(huì)使液渣流失加快；黏度過(guò)高，則會(huì)使液渣難以流入縫隙，結(jié)晶器潤(rùn)滑不良，坯殼與器壁相黏連，鑄坯表面振痕的發(fā)展，進(jìn)而產(chǎn)生橫裂和穿鋼。黏度過(guò)高還會(huì)影響鋼水表面液渣的形成，使熔融層內(nèi)出現(xiàn)燒結(jié)顆粒?？梢?jiàn)，保護(hù)渣的黏度對(duì)鑄坯質(zhì)量、操作工藝和吸收夾雜物的能力均有顯著影響。對(duì)于板坯保護(hù)渣，一般要求將黏度與拉速的乘積控制在0.1～0.35(Pa·s·m)/min。這樣可使渣膜厚度均勻，傳熱效果穩(wěn)定，潤(rùn)滑性能良好，從而減少裂紋[6]。

保護(hù)渣的組成及性質(zhì)如表3所示。石鋼Q420B鐵塔角鋼的保護(hù)渣黏度為0.626 Pa·s，拉速為1.0～1.2 m/min，黏度與拉速的乘積控制在0.939～1.064 (Pa·s·m)/min，顯然數(shù)值偏高。當(dāng)黏度較大時(shí)，保護(hù)渣難以流入縫隙，結(jié)晶器潤(rùn)滑不良，進(jìn)而使坯殼與器壁相黏連，最終促使鑄坯表面振痕發(fā)展直至產(chǎn)生橫裂。因此，應(yīng)降低保護(hù)渣的黏度，將其控制在0.45 Pa·s左右，以降低表面裂紋和卷渣的發(fā)生概率，提高鑄坯質(zhì)量。

3.3 合金加入制度優(yōu)化

Q420B鐵塔角鋼只采用合金V，沒(méi)有加入Nb、Ti等其他合金元素[7]。V微合金化鋼的塑性低谷開(kāi)始溫度很低，為 880 ～1 000 ℃。然而，石橫特鋼鑄坯的矯直溫度一般控制在900 ～ 1 050 ℃，與V微合金化鋼的塑性低谷開(kāi)始溫度很接近。即鑄坯在矯直過(guò)程中可能正處于塑性低谷區(qū)，這對(duì)鋼的塑性有很大影響，容易使鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。

為此，調(diào)整Q420B鋼種的合金加入制度，向鋼中適量加入Nb、Ti合金元素，以提高其塑性低谷溫度，從而減少鑄坯在塑性低谷時(shí)進(jìn)行矯直所帶來(lái)的缺陷。

圖3 Q420B鐵塔角鋼缺陷的SEM形貌和能譜分析

表3 保護(hù)渣的組成和物理參數(shù)

3.4 結(jié)晶器液面控制優(yōu)化

當(dāng)水口插入深度不同時(shí)，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的沖擊深度也不同，并且影響渦流中心的位置(見(jiàn)圖4)。如插入深度由70 mm延深至130 mm時(shí)，沖擊深度在不斷下移，同時(shí)渦流中心位置也在下移。

圖4 渦流中心位置變化

對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)，主要關(guān)注其沖擊深度和渦流情況。適宜的沖擊深度可以避免鑄坯在凝固過(guò)程中遭受不必要的沖擊，使鑄坯正常凝固。渦流能促使卷渣的發(fā)生，所以應(yīng)該避免結(jié)晶器上部發(fā)生渦流，若渦流發(fā)生時(shí)需有一定厚度的坯殼來(lái)形成保護(hù)。

當(dāng)水口插入深度為70 mm時(shí)，沖擊深度較小，但是形成的渦流位置處在結(jié)晶器上部，對(duì)防止卷渣不利；當(dāng)水口插入深度為100、130 mm時(shí)，沖擊深度有所加深，但同時(shí)渦流位置也會(huì)下降。綜合考慮后，將浸入式水口插入深度控制在100～130 mm，結(jié)晶器液面平穩(wěn)地控制在距結(jié)晶器上口80 mm處，液面波動(dòng)控制在±3 mm。

4 實(shí)踐效果

采取上述措施以后，鑄坯質(zhì)量得以提高，角鋼表面質(zhì)量得以改善，消除了表面微裂紋和凹坑。角鋼經(jīng)酸洗后，表面如圖5所示。同時(shí)，角鋼內(nèi)部質(zhì)量也得到了提高，A、B、D類夾雜物級(jí)別均在1.0級(jí)以內(nèi)，C類夾雜物級(jí)別在0.5級(jí)以內(nèi)。

圖5 角鋼酸洗圖片

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)Q420B鐵塔角鋼缺陷部位進(jìn)行了掃描電鏡和能譜分析后，我們發(fā)現(xiàn)大部分角鋼缺陷是由鑄坯中硅酸鹽夾雜物所造成。連鑄過(guò)程中所用保護(hù)渣的黏度高達(dá)0.626 Pa·s，流動(dòng)性較差。同時(shí)，由于拉速控制不穩(wěn)定，鋼液面易波動(dòng)，加大了卷渣的可能。因此，提出將Q420B鐵塔角鋼的保護(hù)渣黏度大致控制在0.45 Pa·s左右，并向鋼中適量加入Nb、Ti合金元素，以提高該鋼種的塑性低谷溫度，減少鑄坯在塑性低谷時(shí)進(jìn)行矯直所帶來(lái)的缺陷，從而提高鑄坯質(zhì)量。同時(shí)，將結(jié)晶器液面平穩(wěn)地控制在距結(jié)晶器上口80 mm處，液面波動(dòng)控制在±3 mm，浸入式水口插入深度控制在100～130 mm。