Q420B熱軋角鋼表面凹坑結(jié)疤缺陷成因與預(yù)防

田秀剛，張春花

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063000)

Q420B熱軋角鋼主要為鐵塔用國(guó)網(wǎng)角鋼，用于輸變電鐵塔，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在同樣的載荷設(shè)計(jì)下，使用Q420級(jí)角鋼代替Q345級(jí)角鋼可平均降低用鋼量20%左右，一旦由于角鋼塔存在缺陷導(dǎo)致失效，將引起角鋼塔的變形倒塌，威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]，輸電鐵塔用角鋼主要采用熱浸鍍鋅防腐，表面不能有影響鍍鋅的缺陷，Q420B鋼最常見(jiàn)的表面缺陷就是表面結(jié)疤與凹坑，其產(chǎn)生的原因復(fù)雜，受設(shè)備及工藝操作等的影響[3-9]。某鋼廠在對(duì)∠200 mm×24 mm的Q420B熱軋角鋼酸洗后發(fā)現(xiàn)上表面有凹坑及結(jié)疤缺陷，在缺陷部位取樣進(jìn)行成分分析、金相觀察、掃描電鏡、X射線能譜分析等檢測(cè)，分析缺陷形成的原因，提出改進(jìn)措施，進(jìn)行表面質(zhì)量?jī)?yōu)化。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 宏觀形貌分析

凹坑及結(jié)疤缺陷在角鋼上表面酸洗后發(fā)現(xiàn)，形貌見(jiàn)圖1,結(jié)疤缺陷呈舌狀、塊狀嵌在角鋼表面，大小厚度不一，不翹起，單個(gè)片狀，分布不規(guī)則，常伴有粗糙的麻點(diǎn)狀表面，表面可看到細(xì)小紋路與塊狀鱗片的分布與形貌，凹坑缺陷表面塊狀凹陷，無(wú)規(guī)律分布在角鋼表面。

(a)塊狀結(jié)疤

1.2 生產(chǎn)工藝

煉鋼采用電弧爐冶煉，連鑄使用4機(jī)4流，鑄坯坯型為200 mm×380 mm。軋鋼采用全氧加熱爐加熱，角鋼規(guī)格為∠200 mm×24 mm，開(kāi)軋溫度為1152～1176 ℃，精軋溫度1040～1072 ℃，自制穿水后，上冷床溫度為847～929 ℃，軋制道次為粗軋5道，精軋6道。

1.3 化學(xué)成分分析

在有缺陷的角鋼上進(jìn)行取樣，使用瑞士ARL公司ARL 4460型直讀光譜儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)缺陷角鋼符合國(guó)標(biāo)GB/T1591的要求。

表1 缺陷角鋼的化學(xué)成分 單位：%

1.4 金相檢驗(yàn)

使用德國(guó)ZEISS公司的AXIOTECH型金相顯微鏡進(jìn)行截面分析，結(jié)疤處氧化鐵皮厚度為220 μm，且距離上表面3.5 mm位置存在大量條狀?yuàn)A雜物，表面有斜30度角的壓入，內(nèi)部組織為鐵素體+珠光體，晶粒度9.5級(jí)，帶狀組織2級(jí)，見(jiàn)圖2。

(a)結(jié)疤厚度200X (b)條狀?yuàn)A雜物100X

1.5 電鏡檢驗(yàn)

使用德國(guó)Zeiss公司的SIGMA-HD型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行能譜分析，表面結(jié)疤處成分只含有Fe、O元素，鋼基體內(nèi)部壓入物成分也只含有Fe、O元素，延段為氧化鐵壓入。凹坑表面缺陷處除含有Fe、O元素，還含有Si、Ca、Na、Mg、Al成分，樣品內(nèi)部夾雜物成分為含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素，其成分構(gòu)成與保護(hù)渣相近，電鏡下形貌見(jiàn)圖3，保護(hù)渣能譜圖見(jiàn)圖4、圖5，保護(hù)渣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

(a)正常鐵皮表面 (b)結(jié)疤表面 (c)鐵皮深入基體

圖4 內(nèi)部保護(hù)渣能譜

圖5 表層殘留保護(hù)渣能譜

表2 保護(hù)渣化學(xué)成分 單位：%

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

檢驗(yàn)結(jié)果表明，該角鋼化學(xué)成分符合國(guó)標(biāo)要求，金相組織正常。結(jié)疤表面壓入物只有Fe、O元素，表明不是保護(hù)渣導(dǎo)致的，是氧化鐵皮壓入導(dǎo)致；凹坑處表面及試樣內(nèi)部含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素，其中Ca和Si為主要成分，分別為17.27%和14.16%且鈣硅比為1.22，折合成氧化物其堿度R=CaO/SiO=0.80，這個(gè)堿度在0.5～2之間[10]，可以確定就是保護(hù)渣，故判斷Q420B熱軋角鋼表面凹坑是由結(jié)晶器保護(hù)渣卷入鋼液造成的表層卷渣。下面分別對(duì)氧化鐵皮壓入和保護(hù)渣卷渣進(jìn)行分析。

2.2 氧化鐵皮壓入

熱軋鋼材從熱軋生產(chǎn)線上產(chǎn)出冷卻至室溫后，其表面氧化鐵皮一般由三層鐵的氧化物組成，最外層為較薄的Fe2O3，中間層是Fe3O4，最內(nèi)層為較厚的FeO[11-13]。氧化鐵皮從產(chǎn)生類型分為一次、二次、三次和四次氧化鐵皮。一次氧化鐵皮是在加熱爐內(nèi)由于鋼坯加熱的氧化形成的鐵皮，在板坯出爐時(shí)表面會(huì)形成厚達(dá)2～3 mm的氧化皮，在粗軋機(jī)之前采用高壓除磷箱(PSB)去除。二次氧化鐵皮是在由粗軋過(guò)程中帶鋼氧化形成的鐵皮，粗軋一般經(jīng)過(guò)5～7個(gè)道次，粗軋后形成的氧化皮厚度約為100 μm，在精軋機(jī)入口前用高壓除磷箱(FSB)進(jìn)行徹底清除。三次氧化鐵皮是在精軋過(guò)程中帶鋼氧化形成的鐵皮，厚度約為7～15 μm，精軋中，在F1至F2機(jī)架出口用高壓水除磷噴嘴(IFSB)去除。四次氧化鐵皮是終軋、卷曲后至室溫形成的鐵皮，尤其在中段層冷之前，氧化皮的生長(zhǎng)速度較快[14-15]。由截面電鏡檢驗(yàn)可知，鋼表面有氧化鐵深入鋼基體，導(dǎo)致氧化鐵皮增厚出現(xiàn)結(jié)疤，根據(jù)氧化鐵皮大于100 μm時(shí)為一次氧化鐵皮，故根據(jù)表面形貌與氧化鐵皮厚度220 μm可判斷結(jié)疤為一次氧化鐵皮。由于氧化鐵皮材質(zhì)硬而脆，塑性較差，無(wú)法與基體同步延伸，故經(jīng)軋制后，鐵皮呈顆粒狀，軋制過(guò)程中表現(xiàn)為擠入鋼基體內(nèi)部，沿軋制方向分布，有一定的方向性與角度。

形成原因：鋼壞出爐溫度過(guò)高導(dǎo)致一次氧化皮難以剝離，后續(xù)因除鱗不徹底，會(huì)殘留一定數(shù)量的FeO，氧化鐵皮材質(zhì)硬而脆，塑性較差，無(wú)法與基體同步延伸，故經(jīng)軋制后，鐵皮呈顆塊狀結(jié)疤。加熱溫度越高，停留時(shí)間越長(zhǎng)生成的氧化皮量越多，加熱溫度加熱時(shí)間與板坯氧化皮厚度(氧化燒損)呈指數(shù)關(guān)系。該批鋼的Si含量為0.268%，加熱溫度為1250 ℃，有研究表明[16]，當(dāng)Si含量高于0.2%的鋼在加熱時(shí)，在1220 ℃氧化鐵皮熱平衡狀態(tài)為FeO+液態(tài)Fe2SiO4(硅橄欖石)，通過(guò)利用FactSage軟件計(jì)算FeO-SiO2平衡相圖[17]，見(jiàn)圖6。

圖6 FeO-SiO2平衡相圖

顯示出氧化鐵皮與基底金屬界面會(huì)產(chǎn)生層狀的硅錳橄欖石相Fe2SiO4的熔點(diǎn)為1188 ℃，軋制前液態(tài)Fe2SiO4將FeO晶粒包圍住，形成FeO/Fe2SiO4的共析產(chǎn)物，凝固后形成類似錨狀形貌，將FeO層釘扎住，導(dǎo)致氧化鐵皮對(duì)基底金屬的附著力增強(qiáng)，釘扎住的FeO很難在除鱗中完全被除掉，粗軋時(shí)留在表面或壓入鋼內(nèi)部，鐵皮壓入示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 鐵皮壓入示意圖

使用打板測(cè)試爐后除鱗情況，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問(wèn)題爐次的除鱗效果要弱于正常水平，打板測(cè)試具體結(jié)果見(jiàn)圖8。

(a)缺陷角鋼測(cè)試結(jié)果 (b)正常測(cè)試結(jié)果

預(yù)防鐵皮壓入措施：降低加熱溫度縮短保溫時(shí)間，在實(shí)際生產(chǎn)中，將加熱溫度由1250 ℃降到1200 ℃，采用鋼坯熱裝，加熱時(shí)間由2小時(shí)縮短到1.5小時(shí)，避免長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱導(dǎo)致硅橄欖石產(chǎn)生，減少一次氧化鐵皮厚度量，保證爐后除鱗效果，消除了氧化鐵皮壓入。

2.3 保護(hù)渣卷渣

在軋制過(guò)程中，卷入的保護(hù)渣與基體變形不一致，逐漸在基體中形成分層，軋制后期保護(hù)渣層逐漸露出帶材表面，脫落后形成凹坑缺陷，見(jiàn)圖9。

圖9 凹坑形成示意圖

形成原因：浸入式水口的浸入深度對(duì)流股沖擊深度、液面波動(dòng)、表面流速和卷渣均有重要影響[18-19]，隨水口浸入深度減少，結(jié)晶器表面的流速和液面波動(dòng)增大，液面上的保護(hù)渣層越來(lái)越不穩(wěn)定，容易被沖開(kāi)，從而造成液面的裸露。這是因?yàn)樵谒诮肷疃葴p小后，流股出口到液面的距離減小，上升流沖擊液面的強(qiáng)度因而加大，使表面流速和液面波動(dòng)增加，在剪切力的作用下，液態(tài)渣層被從結(jié)晶器兩端推向水口方向。鋼液從水口流出的同時(shí)，上方形成負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)下的旋渦在能量達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，澆鑄過(guò)程結(jié)晶器保護(hù)渣流動(dòng)性惡化，保護(hù)渣吸收浮渣和夾雜物能力降低,結(jié)晶器鋼水表面波動(dòng)大，保護(hù)渣會(huì)被帶到結(jié)晶器深處而形成卷渣，圖10是保護(hù)渣卷渣示意圖[20]。

圖10 結(jié)晶器卷渣示意圖

預(yù)防卷渣措施：結(jié)晶器保護(hù)渣卷渣與保護(hù)渣的物化性能有直接關(guān)系，尤其是鋼渣界面張力和黏度，增大鋼渣界面張力能有效防止液渣被撕裂的概率，選取合適的保護(hù)渣[21]，能有效控制結(jié)晶器鋼水表面波動(dòng)，可以促進(jìn)渣鋼的有效分離，提高黏度減少?gòu)澰旅妗皬澰裸^”的形成，可以減少保護(hù)渣卷入的機(jī)率，針對(duì)保護(hù)渣進(jìn)行優(yōu)化，提高了保護(hù)渣的粘度及其它成分，見(jiàn)表3。另外，方坯浸入式水口的浸入深度如果小于60 mm，會(huì)造成保護(hù)渣強(qiáng)烈翻卷，造成卷渣，將浸入式水口的浸入深度從50 mm調(diào)到75 mm，減少結(jié)晶器鋼水表面波動(dòng)，消除了卷渣缺陷。

表3 保護(hù)渣成分優(yōu)化

通過(guò)對(duì)Q420B熱軋角鋼工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的熱軋角鋼使用情況進(jìn)行跟蹤，熱軋表面質(zhì)量良好，未見(jiàn)凹坑或結(jié)疤缺陷，酸洗后表面平整，在鍍鋅后未出現(xiàn)明顯鍍不上或漏鍍現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)采用鋼坯熱裝，將加熱溫度降低50 ℃，從1250 ℃降到1200 ℃，加熱時(shí)間由2小時(shí)縮短到1.5小時(shí)，避免長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱導(dǎo)致硅橄欖石產(chǎn)生，減少一次氧化鐵皮厚度量，消除了一次氧化鐵皮壓入引起的結(jié)疤缺陷。

(2)針對(duì)鋼種選用合適的保護(hù)渣，提高了保護(hù)渣的粘度，由0.295提高到0.45，水口浸入深度從50 mm調(diào)到75 mm，有效控制結(jié)晶器鋼水表面波動(dòng)，消除了卷渣引起的凹坑缺陷。