82B盤條拉拔斷裂原因分析及性能提升

張 飛，王宏剛，周慶輝

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 漢中 724200）

以82B盤條加工形成的預(yù)應(yīng)力鋼絞線主要應(yīng)用于高層建筑、大跨度橋梁、鐵路、機(jī)場(chǎng)、大壩等重大工程。Φ12.5 mm的82B盤條經(jīng)過9道次連續(xù)冷拔拉，制成了Φ5.05 mm的鋼絲，變形比高達(dá)84%[1］。陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“漢鋼”）公司生產(chǎn)的82BΦ12.5 mm盤條在研發(fā)初期供客戶試用過程中出現(xiàn)拉拔斷裂現(xiàn)象，在一定程度上影響了客戶的日加工產(chǎn)量。本文通過對(duì)82B盤條斷口形貌、組織等分析，找出造成盤條拉拔斷裂的主要原因，并進(jìn)行了工藝優(yōu)化。

1 生產(chǎn)工藝及成分

漢鋼82B生產(chǎn)工藝流程為高爐鐵水→120 t轉(zhuǎn)爐→LF爐精煉→165 mm×165 mm方坯連鑄→摩根六代高速軋制→斯太爾摩線控冷→成品檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)。82BΦ12.5 mm盤條化學(xué)成分見表1。

表1 82B盤條各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2 盤條斷口分析

2.1 宏觀形貌分析

通過對(duì)漢鋼82B斷裂樣進(jìn)行分類，斷口主要為筆尖圓錐型和空心錐杯型斷口，斷口宏觀形貌如圖1、圖2所示。其筆尖狀斷裂主要發(fā)生在拉拔過程中，斷口的一端為筆帽狀錐孔，另一端為筆尖狀錐體。錐面大多存在破損，未破損面較為光滑。拉拔斷口未展現(xiàn)出杯狀，錐尖對(duì)應(yīng)盤圓的軸心，因此，初步判斷斷裂源在鋼材的軸心位置。

圖1 82B盤條斷口宏觀形貌（俯視）

圖2 82B盤條斷口宏觀形貌（正視）

2.2 金相組織分析

在試樣上截取橫截面，經(jīng)磨制、拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，其金相顯微組織見下頁(yè)圖3。試樣基體組織為鐵素體+珠光體+索氏體。按照YB/T 169—2014規(guī)定，采用定量金相手工檢測(cè)法測(cè)得索氏體含量為92%。按照GB/T 24242.1—2009規(guī)定，采用金相法檢驗(yàn)來(lái)樣中的馬氏體和網(wǎng)狀滲碳體，試樣中心位置無(wú)馬氏體島，網(wǎng)狀滲碳體級(jí)別為4.0級(jí)（如下頁(yè)圖4）。網(wǎng)狀滲碳體是沿晶界析出滲碳體而把晶粒部分或全部包圍起來(lái)所形成的一種連續(xù)或不連續(xù)的碳化物網(wǎng)。這種組織的存在，破壞了基體的連續(xù)性，消弱了晶粒之間的結(jié)合力，在盤條受力時(shí)，使整個(gè)截面變形不均勻，容易沿晶界首先斷裂，在拉拔時(shí)形成尖狀斷口[2］。

圖3 82B金相顯微組織

圖4 金相法檢驗(yàn)網(wǎng)狀滲碳體

2.3 斷口掃描分析

對(duì)圖1、圖2斷口位置中的夾雜物顆粒進(jìn)行能譜分析，從能譜圖中（下頁(yè)圖5）可以看出，夾雜物主要為硅酸鹽氧化物，同時(shí)含有Na、K等堿金屬元素，根據(jù)物料元素來(lái)源分析，夾雜物來(lái)自于中包保護(hù)渣。

圖5 夾雜物顆粒進(jìn)行能譜成分分析

3 鑄坯碳偏析檢驗(yàn)

盤條心部網(wǎng)狀滲碳體產(chǎn)生的原因在于盤條心部的碳偏析，當(dāng)盤條心部的w（C）超過1.0%時(shí)必然會(huì)在偏析區(qū)域形成網(wǎng)狀滲碳體[3］。對(duì)82B的165 mm×165 mm方坯進(jìn)行橫剖，在橫截面的對(duì)角線上每隔3 cm用5 mm的鉆頭鉆深8 mm取樣，共取樣13處（見圖6），用碳硫分析儀對(duì)w（C）進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算鋼坯偏析指數(shù)（計(jì)算方法如式（1）所示）。

圖6 方坯橫斷面鉆孔取樣位置圖 （mm）

圖6方坯橫截面鉆孔處碳偏析指數(shù)見表2，可以看出，鑄坯中心碳偏析指數(shù)為1.18。

表2 鑄坯橫斷面碳偏析指數(shù)

4 筆尖狀斷口產(chǎn)生原因

筆尖圓錐型和空心錐杯型斷口主要是因夾雜物、中心組織異常（粗大二次網(wǎng)狀滲碳體、馬氏體等）等所致，筆尖狀斷口盤條金相組織檢驗(yàn)顯示，盤條心部存在4.0級(jí)網(wǎng)狀滲碳體。網(wǎng)狀滲碳體屬于典型的硬脆相，在拉拔加工過程中，這些硬脆相組織無(wú)法與基體保持協(xié)調(diào)變形，在拉拔應(yīng)力持續(xù)作用下，異常組織與基體相交處產(chǎn)生微裂，網(wǎng)狀滲碳體組織區(qū)域的邊沿首先滑移形成顯微孔洞，隨著拉拔變形量增加，裂紋擴(kuò)展造成斷裂形成筆尖狀斷口。另外，檢驗(yàn)結(jié)果顯示82B盤條斷口處含大量硅酸鹽夾雜物，硅酸鹽類的夾雜破壞了盤條基體組織的連續(xù)性，夾雜物高硬度和低塑性特點(diǎn)使82B母材塑性下降，導(dǎo)致鋼絲在持續(xù)受力時(shí)沿夾雜物方向產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)一步導(dǎo)致鋼絲在拉拔、熱處理、捻股時(shí)斷裂。

5 工藝改進(jìn)措施

5.1 煉鋼工序

5.1.1 轉(zhuǎn)爐和LF精煉

穩(wěn)定鐵水及廢鋼質(zhì)量，采用高拉碳工藝，保證出鋼碳在0.25%以上，降低鋼水w（O），減少夾雜物的生成，同時(shí)進(jìn)行窄區(qū)間成分控制，將熔煉成分w（C）嚴(yán)格控制在0.81%~0.83%，保證鋼水成分均勻，提高82B鋼水的潔凈度，保證材料的通條性能。

5.1.2 連鑄工序

將過熱度控制在25℃以內(nèi)；使用塞棒控流，將拉速穩(wěn)定控制在1.8 m/min，穩(wěn)定液面控制，避免保護(hù)渣卷入結(jié)晶器；優(yōu)化二冷配水及使用末端電磁攪拌，改善鑄坯結(jié)晶組織，抑制柱狀晶生長(zhǎng)，增加等軸晶區(qū)；做好保護(hù)澆鑄，減少鋼液在連鑄過程中發(fā)生二次氧化和吸氮。

5.2 軋鋼工序

盤條精軋后，在由奧氏體向其它相轉(zhuǎn)變前，奧氏體會(huì)進(jìn)行回復(fù)、再結(jié)晶以及晶粒長(zhǎng)大過程，且這一過程與溫度和時(shí)間有直接關(guān)系，溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒也越大，而吐絲溫度會(huì)影響盤條發(fā)生相變前奧氏體晶粒的大小[4]。根據(jù)82BΦ12.5 mm斯太爾摩冷卻線的生產(chǎn)實(shí)際情況，控制吐絲溫度在860~880℃。

高碳鋼中出現(xiàn)先共析鐵素體和二次滲碳體相，除了與化學(xué)成分有關(guān)外，還與冷卻速度有關(guān)。當(dāng)冷卻速度超過10℃/s時(shí)，可抑制高碳鋼中先共析相的析出，得到索氏體組織[5]。結(jié)合盤條在風(fēng)冷輥道的冷卻規(guī)律，軋線換裝大功率風(fēng)機(jī)提高了風(fēng)冷線冷卻能力，并優(yōu)化了輥道速度，將冷卻速度由原來(lái)的8.95℃/s提升至11.05℃/s，從而抑制網(wǎng)狀滲碳體的產(chǎn)生。

5.3 性能提升結(jié)果

通過工藝優(yōu)化，漢鋼公司82B鑄坯中心偏析程度由1.00~1.18降低到1.00~1.12；軋制后鋼材抗拉強(qiáng)度均值穩(wěn)定在1 180 MPa，斷面收縮率均值穩(wěn)定在40%；索氏體率由原來(lái)的88%提高到91%，網(wǎng)狀滲碳體級(jí)別降低至2.0級(jí)以下；在拉拔過程中，筆尖狀斷絲率降低至3%以下。

6 結(jié)語(yǔ)

1）82B盤條在拉拔過程中產(chǎn)生筆尖狀斷口的主要原因是盤條芯部存在網(wǎng)狀滲碳體及大顆粒夾雜物。網(wǎng)狀滲碳體的形成主要是由于連鑄冷卻、軋制工藝不當(dāng)造成的，大顆粒夾雜物主要是由于澆鑄時(shí)中包液面波動(dòng)范圍過大引起卷渣造成的。

2）降低鋼坯中心碳偏析是控制盤條網(wǎng)狀滲碳體的主要途徑。通過窄區(qū)間控制鋼水成分、低過熱度恒拉速澆鑄，降低了鑄坯中心偏析程度，減少了卷渣的發(fā)生；通過加大盤條吐絲后的冷卻速度，降低了網(wǎng)狀滲碳體的級(jí)別。