熱軋高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼折彎開(kāi)裂原因分析及對(duì)策

賈崇雪，楊西亞，單修迎，趙統(tǒng)國(guó)

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前 言

熱軋高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼包括汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼、橋梁結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等，折彎是其常見(jiàn)的一種加工方式。該類(lèi)產(chǎn)品在使用時(shí)偶爾出現(xiàn)折彎開(kāi)裂現(xiàn)象，造成了質(zhì)量損失。通過(guò)檢測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)造成折彎開(kāi)裂的機(jī)理基本一致，以熱軋Q355B 為例，開(kāi)展相關(guān)研究和分析。Q355B 作為應(yīng)用非常普遍的熱軋結(jié)構(gòu)鋼，以其良好的物理性能，廣泛應(yīng)用于橋梁、車(chē)輛、船舶、建筑和機(jī)械工件加工等領(lǐng)域。根據(jù)GB/T 1591—2018 標(biāo)準(zhǔn)的要求，該產(chǎn)品在出廠前都進(jìn)行了180°冷彎?rùn)z驗(yàn)，但用戶在使用過(guò)程中仍然不時(shí)出現(xiàn)折彎開(kāi)裂的情況，2020年該類(lèi)型缺陷異議率為1.0‰左右。為減少質(zhì)量損失，對(duì)開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)對(duì)策。

2 缺陷試樣檢測(cè)

2.1 缺陷概況

Q355B發(fā)生的幾起折彎開(kāi)裂質(zhì)量異議，其鋼卷厚度規(guī)格分別為2.75、5.75、7.75 和11.9 mm 等，在進(jìn)行90°折彎加工時(shí)，隨機(jī)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋深度淺則0.5 mm、深則基本貫穿整個(gè)鋼板厚度方向。其裂紋外觀形貌見(jiàn)圖1。

圖1 裂紋宏觀形貌

2.2 理化檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述缺陷試樣進(jìn)行了成分、力學(xué)性能、金相組織檢驗(yàn)和電鏡掃描，結(jié)果如下。

（1）成分檢驗(yàn)。在缺陷樣板未開(kāi)裂部位取樣，用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行成分檢測(cè)，并與出廠檢驗(yàn)成分進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 缺陷試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

Q355B采用中碳、中錳和微鈦成分設(shè)計(jì)。加入少量的鈦，一方面是可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度；另一方面是可以固氮，降低鋼材的時(shí)效性能[1］。由表1數(shù)據(jù)可以看出，缺陷試樣成分控制符合GB/T 1591—2018和公司內(nèi)控要求，也與出廠時(shí)檢驗(yàn)成分基本一致，可以判定出現(xiàn)缺陷的產(chǎn)品為本公司產(chǎn)品；但是從兩次檢驗(yàn)結(jié)果看，硫含量控制偏內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的中上限。

（2）性能檢測(cè)。在缺陷卷上取樣，分別做橫向拉伸、冷彎和縱向沖擊檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 缺陷試樣性能檢測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，出廠時(shí)檢驗(yàn)和缺陷試樣復(fù)檢的力學(xué)性能、冷彎性能、沖擊功等均符合GB/T 1591—2018和公司內(nèi)控要求。復(fù)檢拉伸頸縮明顯、伸長(zhǎng)率較高；復(fù)檢強(qiáng)度較初檢有所降低，推測(cè)與取樣部位、檢驗(yàn)誤差等有關(guān)。

2.3 金相檢驗(yàn)

金相主要為鐵素體+珠光體組織，有少量貝氏體，未發(fā)現(xiàn)帶狀組織偏析現(xiàn)象。按ASTM E112晶粒度評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，1/4處晶粒度評(píng)級(jí)為10級(jí)左右。缺陷樣金相組織見(jiàn)圖2。

圖2 缺陷樣金相組織

2.4 電鏡掃描

用Gemini SEW 3000型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)上述金相樣品進(jìn)行SEM分析，發(fā)現(xiàn)存在數(shù)量較多的長(zhǎng)條狀和點(diǎn)狀?yuàn)A雜物及少量孔洞，其夾雜物形貌如圖3所示。

圖3 折彎開(kāi)裂試樣條狀?yuàn)A雜物、點(diǎn)狀?yuàn)A雜物和孔洞缺陷

折彎開(kāi)裂的夾雜物試樣，經(jīng)超聲波清洗干凈后進(jìn)行腐蝕，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，典型夾雜物的成分見(jiàn)圖4。

圖4 能譜分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜物主要是硫化物，點(diǎn)狀?yuàn)A雜物主要含O、Al、Ca、Ti、Si等元素。圖像中的夾雜物級(jí)別在1～2級(jí)，個(gè)別夾雜物長(zhǎng)度達(dá)到500 μm左右介于2～2.5級(jí)。而且存在孔洞等缺陷。

3 原因分析及改進(jìn)措施

由以上檢驗(yàn)可知，出現(xiàn)折彎開(kāi)裂的Q355B熱軋卷，其化學(xué)成分、力學(xué)性能和彎曲性能的檢測(cè)數(shù)值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織存在嚴(yán)重的長(zhǎng)條狀的MnS 夾雜和點(diǎn)狀的Ca、Al 復(fù)合夾雜。鋼板中的夾雜，會(huì)降低鋼的機(jī)械性能，特別是降低塑性、韌性及疲勞極限[2］。裂紋擴(kuò)展附近存在尺寸較大的MnS夾雜和數(shù)量較多的鋁酸鈣夾雜，這些夾雜破壞了金屬基體的連續(xù)性，在彎折過(guò)程中，存在夾雜物的地方容易發(fā)生應(yīng)力集中[3］。夾雜物受應(yīng)力作用而破碎出現(xiàn)空隙，產(chǎn)生裂紋源，促進(jìn)了鋼板內(nèi)微裂紋的形成，這樣在彎曲的過(guò)程中一旦有裂紋形成會(huì)迅速得以擴(kuò)展，造成冷加工開(kāi)裂。因此，鋼板折彎開(kāi)裂是因?yàn)殇摪寰植看嬖趪?yán)重硫化物偏聚和較多的點(diǎn)狀鈣鋁夾雜所致，其中硫化物偏聚是主因。

3.1 硫化物夾雜

試樣成分中S含量偏高，是產(chǎn)生硫化物夾雜聚集的主要原因。經(jīng)查，該卷對(duì)應(yīng)的鋼水爐次是采用的CAS 直上工藝，未經(jīng)LF 精煉處理。因CAS 直上工藝受制于鋼水溫度和生產(chǎn)節(jié)奏，處理時(shí)間有限，脫硫能力較弱，此為造成成品鋼材硫含量偏高進(jìn)而導(dǎo)致硫化物夾雜較多的主要原因。

3.2 鋁酸鈣夾雜

鋼中存在鋁酸鈣夾雜，主要是鋼中脫氧產(chǎn)物未去除干凈。該爐鋼水鈣線喂入量和軟吹氬時(shí)間均未達(dá)到工藝要求，導(dǎo)致夾雜物未充分上浮。

3.3 控制鋼中硫含量

為了減少硫化物夾雜，將該鋼種的成品硫含量控制在0.015%以內(nèi)。采取措施如下：鐵水進(jìn)行預(yù)脫硫處理并將脫硫渣扒除干凈、使用低硫廢鋼等，降低入爐原料中的硫含量；優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣制度、溫度制度和出鋼渣洗工藝，盡可能將鋼水中的硫去除；出鋼后如果鋼水硫含量高于0.020%，在節(jié)奏允許的情況下，可將鋼水吊至LF進(jìn)行脫硫處理。

3.4 優(yōu)化脫氧制度

根據(jù)終點(diǎn)鋼水氧含量調(diào)整出國(guó)過(guò)程脫氧劑加入量，確保CAS 站到站鋼水中[Als］含量達(dá)到0.030%以上，并一次命中，避免后期補(bǔ)加脫氧劑，為脫氧產(chǎn)物創(chuàng)造充足的上浮時(shí)間。

3.5 控制好生產(chǎn)節(jié)奏和CAS站鋼水到站溫度

確保鋼水在CAS站處理時(shí)間不低于20 min，以使鋼水有充足的造渣時(shí)間；CAS處理完畢至鋼水開(kāi)澆之間鎮(zhèn)靜時(shí)間不得低于12 min，使夾雜物有充足的上浮時(shí)間；為了彌補(bǔ)CAS處理和鎮(zhèn)靜造成的鋼水溫降，鋼水到站溫度不宜低于1 595 ℃。

3.6 優(yōu)化夾雜物變性制度和鋼包底吹制度

通過(guò)喂入鈣鋁線改變Al2O3性態(tài)，使之變?yōu)?2CaO·7Al2O3，為確保變性效果，鋼中[Ca］/[Al］控制在0.08 以上；喂線后鋼水軟吹氬時(shí)間不低于10 min，吹氬強(qiáng)度以不裸露鋼液面為準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析Q355B鋼板開(kāi)裂部位金相形貌，確定鋼板發(fā)生折彎開(kāi)裂的原因是局部存在嚴(yán)重的硫化物偏聚和較多的鋁酸鈣夾雜，根據(jù)折彎板開(kāi)裂原因制定合理的冶煉工藝，近年來(lái)未再發(fā)生類(lèi)似的質(zhì)量問(wèn)題。