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        Q420B熱軋角鋼表面凹坑結(jié)疤缺陷成因與預(yù)防

        2022-12-09 03:04:48田秀剛張春花
        四川冶金 2022年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)疤水口凹坑

        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級角鋼代替Q345級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∠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,分析缺陷形成的原因,提出改進(jìn)措施,進(jìn)行表面質(zhì)量優(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)果見表1,可見缺陷角鋼符合國標(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,帶狀組織2級,見圖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Zeiss公司的SIGMA-HD型場發(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,電鏡下形貌見圖3,保護(hù)渣能譜圖見圖4、圖5,保護(hù)渣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表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程中帶鋼氧化形成的鐵皮,粗軋一般經(jīng)過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,無法與基體同步延伸,故經(jīng)軋制后,鐵皮呈顆粒狀,軋制過程中表現(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),通過利用FactSage軟件計(jì)算FeO-SiO2平衡相圖[17],見圖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,鐵皮壓入示意圖見圖7。

        圖7 鐵皮壓入示意圖

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

        (a)缺陷角鋼測試結(jié)果 (b)正常測試結(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)渣層越來越不穩(wěn)定,容易被沖開,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,提高黏度減少彎月面“彎月鉤”的形成,可以減少保護(hù)渣卷入的機(jī)率,針對保護(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

        通過對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。

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