基于夾雜物控制工藝的Q235B熱軋板失效機(jī)理及優(yōu)化研究

關(guān)鍵詞：夾雜物控制；Q235B；失效機(jī)理；工藝參數(shù)優(yōu)化

0 引言

Q235B鋼因具有成材率高，成本低，且焊接性良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用于建筑、工程、焊接件等領(lǐng)域。在實(shí)踐過(guò)程發(fā)現(xiàn)，Q235B鋼本身存在帶狀組織和變形的非金屬夾雜物，及熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致零件開裂問(wèn)題。黃華等針對(duì)轉(zhuǎn)爐-氬站-連鑄的工藝生產(chǎn)Q235B鋼鑄坯內(nèi)弧中心裂紋，采取電鏡、能譜分析等方法進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，取得了鑄坯內(nèi)部質(zhì)量提升效果；湯偉等針對(duì)Q235B鋼板坯中間裂紋，運(yùn)用金相法等手段檢驗(yàn)分析，得出夾雜物與成分偏析是造成質(zhì)量問(wèn)題的主要原因；夏金魁等對(duì)生產(chǎn)中Q235B連鑄板坯內(nèi)部裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行研究與分析，得出脫氧工藝、夾雜物控制、澆注工藝等不合理是造成裂紋產(chǎn)生的主要原因，技術(shù)改進(jìn)后降低了內(nèi)部裂紋比例；蘭鵬等對(duì)于氬站直上Q235B板坯在高拉速下的中間裂紋問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值模擬與計(jì)算提出了針對(duì)性的控制策略。

基于以上文獻(xiàn)調(diào)研，本文將總結(jié)并借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)最近某用戶在使用某鋼廠生產(chǎn)的Q235B熱軋板鋼加工木制品連接件的過(guò)程中發(fā)生冷彎開裂的問(wèn)題，進(jìn)行深入研究，揭示Q235B鋼失效機(jī)理，得到工藝參數(shù)的影響規(guī)律，并針對(duì)性地進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)改善，從根本上解決Q235B鋼的質(zhì)量缺陷問(wèn)題。

1 生產(chǎn)工藝

某鋼廠為滿足不同客戶需求，針對(duì)Q235B鋼牌號(hào)，設(shè)計(jì)了不同成分要求的內(nèi)部出鋼記號(hào)，根據(jù)產(chǎn)品使用方式、使用場(chǎng)景等設(shè)定了不同的成分標(biāo)準(zhǔn)。Q235B鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)見表1，本文重點(diǎn)關(guān)注該鋼號(hào)的P、S含量是否超標(biāo)。

Q235B鋼工藝路徑如表2所示。表2顯示Q235B鋼生產(chǎn)的工藝路徑有三種，路徑1為主要排產(chǎn)路徑，對(duì)于原料鐵水硫含量0.035%以下時(shí)不進(jìn)行鐵水預(yù)處理脫硫，因而其工藝流程比路徑2、3更短，且能耗成本較低，更符合降本增效的綠色環(huán)保理念；路徑3對(duì)于部分高端Q235B鋼產(chǎn)品進(jìn)行真空脫氣處理。因而在生產(chǎn)中，常常采用路徑1。通過(guò)生產(chǎn)信息追溯，本文所述的缺陷試樣是由路徑1所生產(chǎn)。

2 缺陷分析

2.1 主要工藝參數(shù)

通過(guò)材料信息查詢?nèi)毕菰嚇拥纳a(chǎn)實(shí)際化學(xué)成分，缺陷試樣化學(xué)成分如表3所示。表3中數(shù)據(jù)為在鑄機(jī)澆注1/2鋼水量時(shí)取樣，進(jìn)行光譜化驗(yàn)的結(jié)果，具有較好的代表性。通過(guò)對(duì)比表3與表1中所示成分可以發(fā)現(xiàn)，缺陷試樣化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

此缺陷試樣采用表2中路徑1生產(chǎn)，一罐到底，鐵水與廢鋼裝入轉(zhuǎn)爐，頂?shù)讖?fù)吹脫碳與磷，在出鋼工藝中進(jìn)行脫氧合金化，加入活性石灰進(jìn)行鋼包頂渣改質(zhì)，鋼水進(jìn)入ANS-OB精煉位微調(diào)成分，最后調(diào)運(yùn)至連鑄機(jī)進(jìn)行澆注。Q235B煉鋼連鑄主要工藝參數(shù)如表4所示。

2.2 檢驗(yàn)與分析方法

缺陷零件采用Q235B熱軋鋼板為基材進(jìn)行加工，加工方法是先在切割好的基板上進(jìn)行沖孔，然后沿著方孔邊緣進(jìn)行折彎成型。部分材料折彎時(shí)在方孔角部位置出現(xiàn)開裂缺陷，為準(zhǔn)確分析缺陷產(chǎn)生原因，通過(guò)觀察宏觀形貌后，采用金相顯微鏡對(duì)缺陷位置微觀組織形態(tài)進(jìn)行觀察，應(yīng)用掃描電子顯微鏡對(duì)缺陷位置成分進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)4%硝酸酒精對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕，觀察試樣的組織形態(tài)。

2.2.1 宏觀形貌

Q235B熱軋板加工零件缺陷試樣宏觀形貌見圖1，從圖1中可以看到彎折位置的裂紋缺陷均從零件開口的拐角處起裂，具體位置為加工件四方型孔洞角部，由外向內(nèi)擴(kuò)展，肉眼觀察開裂處未見明顯夾雜物或異物，未見明顯分層等異常組織形式。

2.2.2 金相分析結(jié)果

對(duì)Q235B熱軋板加工零件缺陷試樣缺陷處截取橫向金相試樣，經(jīng)粗磨、細(xì)磨及拋光處理加工后，運(yùn)用金相觀察試樣拋面，拋光態(tài)裂紋總體呈鋸齒狀，裂紋邊緣呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，缺陷試樣裂紋處拋光后形貌如圖2所示。

對(duì)試樣進(jìn)行縱向加工處理，通過(guò)觀察試樣縱截面，可見大量的超尺寸夾雜物條帶，最長(zhǎng)可達(dá)2.97 mm左右，夾雜物呈現(xiàn)較平行排列。按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》夾雜物測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)判斷：大多數(shù)夾雜物呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀，具備較好的延展性，夾雜物顏色為灰色或黑色，說(shuō)明此缺陷試樣存在的A類夾雜物（硫化物類）與C類夾雜物（硅酸鹽類）較多；另外，存在一定數(shù)量夾雜物未產(chǎn)生延展變形，顏色為黑色或灰色，形狀為球狀或非球狀，說(shuō)明缺陷試樣也存在一定數(shù)量的B類夾雜物（氧化鋁類）及D類夾雜物（球狀氧化物類），缺陷試樣缺陷處夾雜物形貌如圖3所示。

通過(guò)圖2與圖3觀察結(jié)果分析，可見缺陷試樣內(nèi)存在大量條帶夾雜物與部分非變形夾雜物，夾雜物存在基體內(nèi)破壞基體均勻性，容易在軋鋼軋制過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低材料的加工塑性、彎曲等機(jī)械性能，在客戶對(duì)材料進(jìn)行沖壓、彎曲加工中，很容易產(chǎn)生折斷、開裂問(wèn)題，這與前人對(duì)于Q235B夾雜物相關(guān)研究結(jié)論相符。

2.2.3 掃描電鏡分析結(jié)果

使用SEM掃描電鏡對(duì)缺陷位置的夾雜物進(jìn)行能譜分析，試樣的SEM能譜圖如圖4所示，夾雜物主要含有Fe、Mn、O、S、Si、Al、Ca、Ti等元素，以上元素成分結(jié)果驗(yàn)證了圖3中缺陷試樣中夾雜物為A類夾雜物、B類夾雜物、C類夾雜物及D類夾雜物。

2.2.4 組織分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)缺陷試樣進(jìn)行鑲嵌、磨制、拋光，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕處理后，觀察試樣組織與開裂處形貌，試樣基體組織為鐵素體、珠光體及少量貝氏體，裂紋處組織與基體基本一致，未觀察到明顯的組織偏析帶，試樣缺陷位置組織形貌圖見圖5。判斷試樣開裂缺陷主要為基體存在夾雜物造成，這與部分研究人員結(jié)論由于偏析原因產(chǎn)生裂紋不同。

2.3 問(wèn)題對(duì)策分析

綜以上檢驗(yàn)分析結(jié)果可知，試樣開裂處不存在明顯的偏析組織帶，造成試樣加工開裂缺陷的主要原因是基體中存在大量夾雜物，根據(jù)圖4分析結(jié)果，大多數(shù)夾雜物為MnS夾雜物及Al2O3夾雜物，基體中其余夾雜物為硅酸鹽夾雜物與其他氧化夾雜物。針對(duì)分析結(jié)論，制定改進(jìn)對(duì)策為：降低轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)氧含量，改進(jìn)脫氧順序，控制夾雜物產(chǎn)生源頭；轉(zhuǎn)爐及RH工序中改進(jìn)頂渣改質(zhì)、吹氬工藝促進(jìn)夾雜物上浮、吸收；全程合理控制溫度，避免轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度、過(guò)程溫降問(wèn)題進(jìn)行吹氧升溫產(chǎn)生不必要夾雜；進(jìn)行全程保護(hù)澆鑄，中間包采取添加覆蓋劑等措施防止二次氧化。

3 改進(jìn)效果

根據(jù)問(wèn)題對(duì)策分析，改進(jìn)了煉鋼相關(guān)生產(chǎn)操作工藝，工藝改進(jìn)如表5所示。改進(jìn)工藝后，軋鋼的夾雜缺陷返修率為零，對(duì)鑄坯不同位置材料取樣進(jìn)行金相分析，工藝改進(jìn)后試樣金相圖及夾雜物分析結(jié)果如圖6、7所示。

可見，工藝改進(jìn)后試樣金相無(wú)明顯夾雜物缺陷，且夾雜物為球形鈣鋁酸鹽，說(shuō)明改進(jìn)后夾雜物控制水平有顯著提高。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)試樣的宏觀觀察，材料為拐角處開裂后由外向內(nèi)擴(kuò)展，開裂處未見明顯異物及分層等組織形式；對(duì)缺陷處金相分析，裂紋呈鋸齒狀，缺陷試樣存在A類夾雜物（硫化物類）與C類夾雜物（硅酸鹽類）較多，同時(shí)存在一定數(shù)量B類夾雜物（氧化鋁類）及D類夾雜物（球狀氧化物類），該結(jié)論與以往部分研究人員對(duì)于該鋼產(chǎn)生缺陷原因相同；通過(guò)SEM掃描電鏡對(duì)缺陷位置的夾雜物進(jìn)行能譜分析，驗(yàn)證了夾雜物種類及占比量的分析結(jié)論；通過(guò)對(duì)缺陷試樣進(jìn)行組織觀察，未觀察到明顯組織偏析，排除了由于內(nèi)部組織缺陷而產(chǎn)生開裂問(wèn)題。

2）通過(guò)綜合分析結(jié)果，分析形成缺陷的主要原因?yàn)榛w中夾雜物問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化，如降低轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)氧含量、改進(jìn)脫氧順序、改進(jìn)頂渣改質(zhì)工藝、改進(jìn)吹氬工藝、延長(zhǎng)靜置時(shí)間、減少吹氧升溫比率、連鑄保護(hù)澆鑄，中間包加覆蓋劑等，改進(jìn)后，夾雜缺陷返修率降低為零，通過(guò)對(duì)改進(jìn)后鑄坯取樣分析，夾雜物控制水平有明顯改善。

本文摘自《金屬材料與冶金工程》2024年第4期