低合金钢Q355B加工开裂原因分析及改善.pdf

总第 期 年第 期 .低合金钢 加工开裂原因分析及改善冯俊鹏石建强成慧梅徐桂喜葛阳阳(河钢集团邯钢公司河北 邯郸)摘要:针对 钢板加工过程中开裂问题分析了缺陷试样的化学成分、力学性能、金相组织和电镜夹杂物等 认为:钢板内部大量的 夹杂以及芯部严重的带状组织是导致钢板加工开裂的主要原因 通过分析 夹杂和带状偏析产生的原因提出了在不改变原有成分的前提下通过增加 钙处理用量对硫化物夹杂改质采用 炉造渣工序前移严格保证净吹时间 连铸机全程恒定拉速控制减少夹杂物数量改善夹杂物形貌 连铸工序通过实施低过热度浇注避免出现铸坯凝固“搭桥”现象同时优化设备冷却效果避免因出现坯壳鼓肚变形而加重偏析程度采用合适电磁搅拌、动态轻压下技术减少铸坯中心偏析程度提高钢板内部质量 通过一系列工艺优化夹杂物含量得到有效控制铸坯中心偏析程度进一步弱化加工开裂问题得到解决关键词:夹杂带状组织加工开裂过热度电磁搅拌动态轻压下技术中图分类号:.文献标志码:文章编号:():./.():.:收稿日期:作者简介:冯俊鹏()男工程师 年毕业于东北大学冶金工程专业现在河钢集团邯钢公司从事产品研发工作 :.通讯作者:石建强()男在读硕士高级工程师 年毕业于河北理工大学冶金工程专业 现在河钢集团邯钢公司工作:.引言 钢属于常规产品因其加工性能及焊接性能良好且由于硬度高、性价比高等特点使得其在市场上被广泛应用目前在桥梁、建筑、工程机械、造船、汽车结构件和钢结构等领域均有 成功总第 期 应用的案例 然而今年以来公司多次收到用户反馈 钢板在折弯加工过程中发生开裂的问题给客户和公司带来不利影响 为此迫切需要找到导致钢板加工开裂的原因并采取措施杜绝此类问题的再次发生钢板开裂过程 用户采用 厚的钢板制作铲车车斗部件钢结构件需要下料后进行多道次折弯在折弯过程中发现钢板折弯外表面出现大量开裂崩裂长度为 崩裂面全部集中在钢板折弯受力处钢板的其他位置均无表面裂纹 钢板折弯方向与钢板轧制方向保持一致用户折弯用弯头为圆弧形弯曲速度为 /为缓慢折弯在同行业内折弯条件较好 对比钢板的加工过程和钢板开裂特征初步判断钢板开裂是由钢板内部质量异常导致的 因此对同一张钢板在折弯开裂部位和未开裂部位分别取样进一步对比分析查找开裂原因钢板检验.宏观形貌 工件开裂宏观形貌如图()所示开裂产生在钢板折弯外表面部位沿折弯方向分布 故在开裂附近取样取样位置:试样 沿着裂纹方向取样试样 垂直裂纹方向取样试样 正常钢板处取样如图()所示 对试样进行化学成分、力学性能、金相组织、晶粒度、夹杂物、带状组织及电镜分析等.钢板成分和性能 钢板成分及性能分别如表 和表 所示图 折弯后工件开裂宏观形貌及试样.表 钢板的化学成分(质量分数).元素验收范围.实测值.表 钢板的力学性能.指标抗拉强度/屈服强度/伸长率/弯曲 冲击功/国标要求 合格纵向实测值合格纵向 由表 可知钢板化学成分符合验收要求 由表 可知钢板的屈服强度、抗拉强度富余量均在 以上且延伸率和常温冲击功均符合国家标准要求并有很大的富余量.金相组织和夹杂物 在折弯开裂附近位置和未开裂的钢板上随机取样并分别切取横、纵向试样经打磨抛光后制成金相样然后将纵向试样抛光后光镜下观察夹杂物将横向试样用 硝酸酒精溶液腐蚀后观察金相组织其折弯开裂处试样的组织如图()、图()、图()和图()合格位置处试样组织如图()和图()所示河北冶金 年第 期图 试样的金相组织.折弯开裂的横向试样基体组织为铁素体 珠光体 偏析处过冷组织带状组织级别为 晶粒度为.级未开裂试样基体组织为铁素体 珠光体 偏析处过冷组织带状组织级别为晶粒度为.级图 试样夹杂物.通过金相显微镜检测发现折弯开裂处的试样存在大量条状夹杂物如图 所示 夹杂物评级分别为试样(.)和试样(.)未开裂处试样 夹杂物评级为(.).电镜和能谱分析 将折弯开裂的夹杂物试样抛光后经超声波清洗干净进行电镜和能谱分析结果如图 所示 能谱分析表明长条状夹杂物主要以 为主 点状总第 期 夹杂物主要为、等钢板中的夹杂物主要是 夹杂图 夹杂物成分.结果与讨论.加工开裂的原因 钢板折弯开裂部位和未开裂部位试样金相显微形貌具有显著差异:电镜下显示开裂部位钢板存在较多 夹杂夹杂物评级在.以上且内部组织偏析严重达到 级带状 而未开裂部位钢板夹杂物数量少且短小主要是硫化物和氧化物夹杂组织偏析较轻为 级带状 钢板在折弯的过程中夹杂物聚集之处容易引起应力集中尤其大型非金属夹杂的存在会破坏钢基的连续性外力作用下更容易萌生裂纹进而产生裂纹源其次钢板内部存在严重带状组织会进一步成为裂纹扩展通道最终导致钢板在折弯处崩裂 因此推断钢板内部严重的 偏聚和带状组织是钢板加工开裂的主要原因.和带状偏析产生的原因 属于内生夹杂物内生夹杂主要是指在冶炼过程中由于各种化学反应生成且没有得到及时去除的非金属夹杂内生夹杂难以避免不能够完全去除但可以采取措施控制内生夹杂物的数量并改变其成分、大小和分布情况 根据钢板成分化验结果实测 含量为.而金相显微镜检测钢板局部 夹杂较多、尺寸较大 推测夹杂物的来源应该是钢中的 夹杂未能得到充分的上浮和吸附并且残余的 在钢液凝固的过程中偏聚在铸坯心部并进一步聚集长大钢板轧制的过程中在外力作用下发生延展变形最终在光镜下表现出条带状的 夹杂 钢板带状偏析的形成原因主要是凝固时溶质元素在树枝晶之间富集偏聚由凝固理论可知钢水在凝固初期铸坯断面温度梯度大近坯壳表面处钢液冷却速度快形成边部细的等轴晶该区组织较为致密成分偏析较轻 而靠近铸坯中心处的凝固末端钢中的易偏析元素、等容易在树枝晶交汇处偏聚最终凝固的钢液必然含有较多的杂质产生中心偏析河北冶金 年第 期改善措施.夹杂改质 高温下 夹杂属于塑性易变形夹杂在轧制过程中随金属基体一起变形最终形成条状或带状夹杂在常温下加工时条带状 与基体收缩变形量不一致进而破坏基体的连续性导致开裂 因此在不改变钢种成分设计体系的前提下需要在精炼过程中适当的采用钙处理将钢中塑性 夹杂改质为非塑性的球状 夹杂减少轧制过程产生条状或带状 夹杂变形球状 夹杂更有利于提高钢板的折弯性能 现场提高实芯纯钙线的平均喂入量 对于低合金 系列产品钙线喂入量由原来的 /炉提高到 /炉.夹杂物去除 为了切实提高钢板切削加工性能需从提高钢水纯净度入手严格控制夹杂物的数量和尺寸确保钢中较大级别夹杂物充分去除 一方面采用 炉严格造白渣精炼同时采用炉底全程吹氩搅拌保证大型夹杂物充分上浮、吸收成分调整后控制小气量净吹时间 防止渣面剧烈波动再次污染钢水成分 另一方面需采用适宜的浇注温度和恒定拉速等控制措施控制结晶器液面波动范围 保证结晶器内钢液流场的合适与稳定避免保护渣卷入影响钢水质量最终实现提高钢水纯净度的目的 现场 精炼工序为了满足每炉钢净吹时间 的要求采取精炼造渣工序前移措施具体通过采用硅铝同时脱氧快速造白渣提升埋弧效果为后续的钢水净吹和夹杂物上浮提供充分时间实现了精炼的成渣时间较优化前降低 钢包净吹时间 命中率提高到 以上连铸机拉速在开浇 后逐步提高到预设拉速并全浇次保持恒定拉速.控制偏析程度 成分偏析是钢水凝固过程中必然形成的该影响只能通过工艺优化减弱却不能完全消除 文献表明:一是通过优化铸坯断面温度梯度采用低过热度浇注促进铸坯等轴晶的生长抑制柱状晶生长避免出现凝固“搭桥”现象 二是优化结晶器及二次冷却区配水流量确保冷却强度的同时保证冷却水量合理分配若冷却强度不够会使铸坯凝固末端滞后导致坯壳承受钢水静压力的能力减弱甚至出现鼓肚变形加剧中心偏析程度 三是优化电磁搅拌工艺利用电磁搅拌作用加速钢液的流动从而改善热传导条件打断正在生长的柱状晶或抑制柱状晶的生长促进等轴晶的生长同时电磁搅拌引起的钢液运动可以均匀钢水成分减少易偏析元素在芯部聚集的机会从而改善中心偏析程度 四是采用动态轻压下技术根据拉速匹配合适的压下位置及压下量在铸坯凝固末端采用轻压下技术可以进一步压实铸坯因凝固收缩形成的内部空隙同时促进芯部未凝固钢液沿拉坯方向逆向流动进一步均匀钢水成分进而改善连铸中心偏析实施效果 通过上述改善措施铸坯内部质量得到稳步提升中心偏析程度全部控制在 类.级以下其中 类.占比达到 以上且不存在中间裂纹和三角区裂纹 轧后钢板的带状组织控制在 以下夹杂物数量、尺寸和形貌也得到明显改善夹杂物评级为(.)如图 所示图 硫印质量及钢板显微组织照片.结论 ()钢中夹杂物和带状组织是导致钢板冷折弯开裂的主要原因 ()通过增加 钙处理用量对硫化物夹杂进行改质采用 炉造渣工序前移严格控制净吹时间 连铸机全程恒定拉速控制等措施有效减少了夹杂物数量改善了夹杂物形貌(下转第 页)河北冶金 年第 期讨论分析 试验中使用的半干法脱硫副产物外观为灰色粉末状粒度细粒径分布范围小主要集中在.平均粒径为.半干法烧结脱硫副产物的化学性质不稳定在一定条件下会发生氧化以及分解反应使得脱硫副产物制品安定性不良这是制约半干法脱硫副产物广泛利用的重要原因之一 烧结半干法脱硫副产物温度为 时 吸收热量脱去结晶水质量减少温度为 时.吸收热量脱去结晶水而温度在 时()受热分解生成 和 质量减少温度在 脱硫副产物中的 被氧化生成 质量增加温度在 之间分解生成 和 气体挥发材料质量减少在 时少量的 分解生成 掺入氧化改性脱硫副产物实质上是掺入 与()因此从成分分析脱硫副产物掺入钢渣中有两个方面的作用:一方面氧化脱硫副产物中的()作为胶凝材料的激发剂激发矿渣活性另一方面氧化脱硫副产物中的 可以直接参与反应生成钙矾石 利用辊压的钢渣余热对烧结半干法脱硫副产物进行中低温氧化可实现烧结半干法脱硫副产物部分转化为脱硫石膏减少生产全固废胶凝材料所需的脱硫石膏外购费用结语 脱硫副产物掺入钢渣中有两个方面的作用:一方面氧化脱硫副产物中的()作为胶凝材料的激发剂激发矿渣活性另一方面氧化脱硫副产物中的 可以直接参与反应生成钙矾石 烧结半干法脱硫副产物混入时钢渣的温度偏高致使脱硫副产物中的硫酸钙和亚硫酸基本被分解从而达到预期试验目的 利用辊压处的钢渣余热对烧结球团半干法脱硫副产物进行中低温氧化无法完全实现烧结球团半干法脱硫副产物转化为脱硫石膏 将脱硫副产物掺入钢渣开发了烧结半干法脱硫的利用途径降低了外委处理费用实现了半干法脱硫副产物的资源化利用参考文献郭彩云侯长江孙宇佳等.钢铁行业半干法脱硫副产物资源化利用.河北冶金():.吴曾萍朱敏.脱硫()石膏用作水泥调凝剂.粉煤灰():.董继亮李硕卢彬等.转炉渣高效处理工艺的应用.河北冶金():.王会刚吴龙郝以党等.我国钢渣热闷处理技术及装备化进展.河北冶金():.邹伟龙梁柏勇赵辉等.我国钢渣循环利用现状分析.世界金属导报 ().侯长江张余亮田京雷等.烧结烟气脱硫协同脱硝副产物在水泥中的应用.河北冶金():.彭志辉季建新林芳辉等.脱硫石膏及其建材资源化研究.重庆环境科学():.(上接第 页)()通过实施低过热度浇注提高铸坯冷却效果并采用电磁搅拌、动态轻压下技术有效减少了铸坯中心偏析程度提高了钢板内部质量参考文献刘宏春赵海涛王娇娇.角钢表面裂纹成因分析.山西冶金():.付长亮.钢板折弯开裂原因分析及改进.天津冶金():.李小勇赵雷雷林等.低碳钢开裂原因及轧制工艺参数研究.河北科技大学学报():.付振坡付冬阳刘丹等.钢板卷制开裂原因分析.宽厚板():.左帅张学慧石晓钘.钢板探伤不合的原因分析与改进.河北冶金():.程晓张卫攀刘红艳.高级别管线钢 冶炼生产实践.河北冶金():.康文举.中厚板探伤不合格原因分析与控制.金属功能材料():.张成元杨俊巨银军等.含硫钢中硫化物夹杂的控制.金属材料与冶金工程():.宋红伟王东兴任毅等.预应力高强钢 铸坯缺陷分析及改进工艺.连铸():.邹雷雷黄俊雄李权辉等.连铸坯裂纹与偏析预测研究进展.连铸():.赵杨.中高碳钢连铸板坯中心偏析的控制.河北冶金():.秦军王勇陈晓山.钢板延伸率不合分析及改进措施.新疆钢铁():.王喜攀张占杰屈晓彬等.钢板直角折弯开裂原因分析.山西冶金():.李向龙孙群屈天鹏等.电磁搅拌对液态夹杂物聚并及去除行为的影响规律.连铸():.