異形坯生產S450J0V鋼樁鋼表面質量控制與改善

張年華　李亮　渠松濤

摘 要：采用異形坯生產S450J0V鋼樁鋼過程中，鑄坯表面出現腹板裂紋、R角裂紋、以及腿部橫裂紋，導致鑄坯廢次。通過提升鋼水純凈度、優化結晶器水及二冷水，提升拉速等措施控制裂紋，鑄坯表面質量取得明顯改善。

關鍵詞：S450J0V；異形坯；表面裂紋；改善

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.001

H型鋼樁在生產時采用一次軋制而成，較鋼管樁在成本上便宜40%左右，同時具有易于拼接、可采用兩面焊接等特點，既可以提高接頭施工效率，又可以保證接頭強度與樁身強度接近，實際應用中具有沉樁灌入能力強、擠土量小、易拼接等優點，可用于各種地質復雜、巖面起伏大、混凝土樁難以施打的地基中[1]，目前H型鋼樁在美國、日本、新加坡及國內的香港、上海等軟土層較厚的地區得到了大量應用。日照鋼鐵2014年引入異形坯后，不斷拓展新品種，通過技術人員與生產單位的共同努力，成功開發出鋼樁鋼S450J0V。在開發過程中遇到性能不合、R角裂紋、腹板裂紋、腿部橫裂紋諸多問題，通過反復的試驗，跟蹤生產并分析總結最終獲得了較為成熟的生產工藝流程。

1 生產工藝控制

1.1 工藝流程

煉鋼按照混鐵爐→轉爐冶煉→LF精煉→異形坯連鑄機→下線碼垛。為了保證鋼水的純凈度，精煉嚴格控制鋼水氧含量，采用延長精煉軟吹時間，全程保護澆注等措施。針對存在質量問題鑄坯采用修磨處理，嚴重者切廢處理。

1.2 化學成分控制

S450J0V鋼樁鋼對于機械性能的要求以及日鋼異形坯的軋制設備與技術共同決定了化學成分設計，為了保證型材的品質，采用氮化釩鐵與釩鐵混合的方式，鋼中氮含量控制在110ppm左右，P+S≤0.030%。實際化學成分控制如下表所示：

1.3 關鍵工藝控制

轉爐采用點吹1次出鋼，控制出鋼P含量≤0.020%；精煉爐精煉時間≥35min，軟吹時間≥10min，精煉渣堿度2.3≤R≤2.8，白渣時間≥10min；連鑄機采用3流3機BB3斷面異形坯，全程保護澆鑄，結晶器冷卻水量：1190/675，進水溫度30-35℃；二冷水采用“弱冷”模式，中包過熱度20-35℃，拉速控制在1m±0.05m/min，保護渣使用ST-SP/BM-BB3。

2 異形坯表面質量缺陷及原因分析

2.1 異形坯R角縱裂紋

通過觀察連鑄坯R角裂紋缺陷部分，可以看到R角裂紋周圍存在輕微凹陷。R角裂紋主要出現在BB3斷面生產過程中，BB1斷面所產鑄坯R角裂紋較少，但是由于BB1斷面生產鑄坯腹板裂紋較多，且在軋制過程中無法彌合。因此在實際生產中更多采用BB3斷面生產S450J0V。將裂紋部分取樣酸洗后切片，R角裂紋如圖1所示：

表面R角裂紋產生的原因主要是保護渣性能不良和冷卻水配比不當等。保護渣主要是防止鋼液二次氧化和在振動過程中起潤滑作用，但它又是鋼液夾雜來源之一，因此選擇合適的保護渣顯得尤為重要。異形坯所用保護渣與一般方坯用保護渣相比黏度稍高些，以便能均勻地流入鑄坯的各個冷卻面，起到良好的潤滑和傳熱作用，若結晶器內保護渣潤滑效果不好，渣膜厚度不均勻，會導致鑄坯冷卻不均勻，渣膜較厚的地方坯殼薄，強度較差，容易產生裂紋。

2.2 異形坯腹板縱裂紋

造成異形坯腹板裂紋的原因主要有：

（1）異形坯形狀特殊，與普通板坯相比受力更加復雜（如下圖2所示），其最大區別在于：a、腹板坯殼收縮受翼緣 （ 結晶器凸出部分） 的牽制，形成額外的應力，而板坯寬面坯殼自由收縮；b、翼緣的變形使得腹板與結晶器壁之間的摩擦力增加，造成腹板坯殼冷卻收縮所產生的應力更大；c、在結晶器下部和二次冷卻區，翼緣的收縮變形使腹板表面裂紋擴展趨勢增大。

（2）表面溫度梯度對腹板裂紋的影響異形坯斷面形狀不規則，很難實現均勻冷卻，表現在鑄坯上是表面溫度梯度大，現場實測表明腹板溫度比其他部位低 120 ～ 240 ℃，且腹板處于低溫脆性區，裂紋敏感性強。BB1斷面較BB3斷面腹板薄20mm，生產實際檢驗中顯示，腹板裂紋數量明顯較多。

（3）應力集中對腹板裂紋的影響溫度的不均勻造成應力分布不均勻，且異形坯表面受力多維，異形坯 表面應力分布更加復雜。通過有限元分析法模擬溫度場和應力場，結果顯示應力集中于腹板部位，是其他部位的10倍以上（上圖3所示）。腹板部位應力集中，增加了裂紋的出現概率 。

2.3 異形坯腿部橫裂紋

在采用BB3斷面生產S450J0V時個別澆次鑄坯表面出現嚴重的橫裂紋（如下圖4、圖5所示）。鑄坯翼R角以上靠近翼緣的部位有翼板橫向開裂，裂紋無確定起始位置，火焰吹掃掉氧化鐵皮后隱約可見。長度20-100mm左右，深度不等，有的不開口，有的開口很大在振痕的波谷處，多發生在內弧，兩側翼緣發生概率基本一樣，外弧幾乎沒有，裂紋深度達4mm以上，幾乎達到深不見底的情況。此鑄坯在軋制后出現嚴重的腿部結疤，從軋鋼退出的半成品鑄坯可以看到，經過粗軋機BD1一個道次后，腿部橫裂紋加深加寬加長。橫裂紋的產生原因具體有以下幾個方面：

（1）鑄坯轎直溫度較低，異形坯在進入拉矯機前表面溫度較低，由于異形坯的特殊性，翼緣散熱較快而腹板散熱較慢在拉矯機入口第一矯直點前測量連鑄坯的表面溫度，異形坯在矯直區溫度分布很不均勻[3]，表面溫度從翼緣頂端、R角、腹板等位置溫度差異跨度200℃左右，翼緣端部到R角溫差較大，翼緣矯直溫度較低，矯直度處于第三脆性區，鑄坯內弧在張力作用易下產生裂紋。

（2）化學成分影響，該鋼含有一定量的V、N等元素，由于本鋼種對于機械性能的要求，鋼中N含量往往超過100ppm。鑄坯冷卻過程中，氮化物在晶界析出導致降低鋼的熱塑性，促進異形坯表面橫裂紋的發生；在晶界的析出物越細小，析出物體積百分比越高對鋼種的熱塑性惡化越嚴重[4]，N對橫裂紋敏感性的影響會因鋼種合金元素的不同而不同，但最大限度地減少氮含量可減少橫裂紋的發生。endprint

3 改進措施

S450J0V的V目標值控制在0.11%，氮化釩鐵的加入量在實際生產中不斷的摸索試驗，采用BB3斷面時，分別試驗過使用1.2kg/t—2kg/t，力學實驗結果顯示，氮化釩鐵在1.4kg/t可以滿足機械性能要求，此時鋼中氮含量110ppm左右。此時氮化物在冷卻過程中極易析出，造成矯直橫裂紋，因此需要提高對鑄坯矯直溫度的控制。BB3斷面R角裂紋多少取決于保護渣性能。因此控制措施主要從以下幾個方面：

3.1 保護渣調整

日鋼在生產S450J0V過程中，主要使用斯多伯格保護渣，經過研究對比使用，目前使用的斯多伯格ST-SP/BM-BB3在BB3斷面上應用較為廣泛。

實際生產中鑄坯檢驗結果顯示，改進型保護渣ST-SP/BM-BB3對異形坯表面質量改善作用較好，能夠保證鑄坯質量R角裂紋可控。

3.2 連鑄拉速控制

連鑄坯矯直區溫度除了受到冷卻制度的直接影響外，異形坯連鑄拉速也起到重要影響。提高拉速，雖然不影響直接冷卻強度，但二冷區停留時間變短，實際出坯溫度明顯升高。BB3斷面拉速在0.7m/min與1.0m/min時矯直區溫度相差100℃以上。經過不斷實踐，結合日鋼生產節奏，采用BB3斷面生產S450J0V時拉速控制在1.0±0.05m/min。

3.3 冷卻制度改善

生產異形坯品種鋼采用盡可能弱的一冷與二冷可以改善裂紋，通過對某先進鋼企品種鋼生產的交流與學習，發現日鋼設備原設計冷卻強度過大，腹板部位冷卻過強，鑄坯在出二冷段后回熱，熱應力再次集中，容易導致裂紋在二冷區擴展，使裂紋在深度和寬度上得以延伸，有些皮下裂紋甚至會發展為表面裂紋。根據避開溫度脆性區的原則，通過實測鑄坯溫度，結合日鋼生產的實際情況，將BB3斷面一冷水調整為1190/675，二冷水采用弱冷，比水量0.55L/kg。使鑄坯腿部裂紋敏感區在二次冷卻過后溫度達到900℃，通過圖6可以看出，提高鑄坯表面溫度一定程度的避開了低溫脆性區，有效少緩橫裂紋產生。

4 改善效果

通過實施以上的改進措施，BB3斷面異形坯生產S450J0V時鑄坯表面質量取得較大進步，目前鑄坯表面僅有少量R角裂紋與腹板裂紋，通過修磨處理，能夠滿足軋鋼生產要求。

5 結論

（1）化學成分穩定的前提下，氮化釩鐵加入量控制在1.4kg/t可以滿足客戶對機械性能要求，又可以最大限度控制氮化物的析出，型材氮含量110ppm左右。

（2）采用改進后的保護渣斯多伯格ST-SP/BM-BB3可以有效降低鑄坯R角裂紋的產生。

（3）拉速控制在1.0±0.05m/min，冷卻制度采用弱冷卻，有助于提高鑄坯矯直區溫度，使鑄坯在矯直過程中減少橫裂紋的產生。

綜上幾種措施，異形坯生產S450J0V鑄坯裂紋率的到有效控制，鑄坯表面質量取得極大改善。

參考文獻：

[1]陳林.H型鋼樁與樁承臺連接性能研究[D].長沙.湖南大學，2010.

[2]呂銘.大規格異形坯腹板裂紋的研究和控制[J].鋼鐵，2010（07）：

45.

[3]史超.異形坯生產耐候鋼表面橫裂紋的控制與改善[J].包鋼科技，2016（02）：46.

[4]吳薇.化學成分對連鑄板坯橫裂紋形成的影響[J].上海金屬，2004

（01）：50.endprint