大型角鋼頂角開裂的原因分析和優化控制

李 陽

（1.唐山不銹鋼有限責任公司，河北 063105；2.河北省鍍錫基板技術創新中心，河北 063105）

0 引言

Q355B角鋼屬于低合金結構鋼，其結構特點是斷面為兩邊呈互相垂直的長條型材，分為等邊角鋼和不等邊角鋼。Q355B角鋼具有很高的強度和良好的抗疲勞性能，具備良好的冷成型性能和焊接性能，同時兼備較好的抗腐蝕性能、塑性變形性能和一定的耐磨性能。因此，Q355B角鋼被廣泛地用于造船工程、橋梁工程、房屋建筑、輸配電工程、高壓容器、起重運輸機械、機車車輛、各種鋼結構等。Q355B角鋼可按結構的不同需要組成各種不同的受力構件，也可作構件之間的連接件。

唐山某鋼廠在組織試軋Q355B大型角鋼時出現了批量的頂角開裂缺陷，為確定開裂原因，對角鋼開裂部位取樣進行了化學成分及顯微組織檢測，并對同爐次鑄坯低倍組織行了取樣檢測。本文根據試樣檢測結果確定了大型角鋼頂角開裂的原因，并提出了工藝優化控制措施。

1 生產工藝流程及頂角開裂情況

1.1 Q355B角鋼生產工藝流程

該鋼廠試軋Q355B大型角鋼的生產工藝流程如下：120t轉爐→120t LF爐→矩形坯連鑄機（165mm×280 mm）→鑄坯精整→中型軋機軋制→檢驗入庫。矩形坯連鑄機的主要工藝參數如表l所示。

表1 連鑄機的基本參數

1.2 Q355B角鋼頂角開裂情況

該鋼廠試軋Q355B角鋼的規格為∠180mm×180mm×12mm，累計投料量2500t，合格成品入庫量2280t。此次試軋Q355B角鋼出現了批量頂角開裂現象，開裂角鋼重約220t，甩廢處理比例為8.8%。圖1為Q355B角鋼頂角開裂的宏觀照片。

圖1 Q355B角鋼頂角開裂形貌

2 Q355B角鋼頂角開裂原因分析

2.1 開裂部位化學成分分析

對不同爐次Q355B角鋼開裂部位取4塊試樣，使用光譜儀進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可以看出，開裂角鋼的化學成分符合內控要求，因此可以斷定Q355B角鋼頂角開裂與化學成分無關。

表2 化學成分分析結果

2.2 開裂部位顯微組織分析

對開裂部位橫截面取樣，并對試樣打磨、拋光和浸蝕，用光學顯微鏡和能譜分析儀對角鋼頂角裂紋進行分析研究[1]。頂角開裂樣品的物理檢測報告和能譜分析結果顯示，裂紋底部較為圓滑，深度較淺，一般在0.2～0.5mm左右（見圖2），脫碳不明顯（見圖3），未見顆粒較大的夾雜物（見圖4），開裂位置未發現O、Fe、Mn以外的其他異常元素（見圖5）。初步判斷角鋼開裂原因為鑄坯可能存在較大中心縮孔、皮下氣泡、或微裂紋等，遺傳至軋鋼工序造成的。

圖2頂角開裂缺陷形貌

圖3 頂角開裂顯微組織

圖4 頂角開裂夾雜物情況

圖5 頂角開裂能譜分析

2.3 鑄坯低倍組織分析

對發生角鋼頂角開裂的同爐次鑄坯取低倍樣，鑄坯低倍檢測結果顯示鑄坯有不同程度的中心裂紋和皮下氣泡缺陷（見圖6），與前期生產的鑄坯低倍質量相差較大。通過觀察低倍組織發現，中間裂紋評級為1.5～2.5級，主要在柱狀枝晶間存在裂紋，且多集中兩側，從而判斷認為，中間裂紋是由于鑄坯通過二冷區時冷卻不均，內外弧與兩側冷卻強度不匹配所導致；另外，由于目前低合金鋼種的中包過熱度控制偏高，部分爐次過熱度超過45℃，溫度回升大或鼓肚，內外弧大面產生應力，作用于正在凝固的固液界面也會造成中間裂紋。

圖6 鑄坯低倍組織

3 連鑄生產工藝優化及效果

3.1 連鑄生產工藝優化

3.1.1 連鑄機精細對弧

連鑄機輥子對弧精度準確與否直接關系著鑄坯質量的好壞[2]，我們將線下對好足輥弧度的結晶器、對好輥子弧度的活動段吊到連鑄平臺，替換線上結晶器和活動段；把對弧樣板從結晶器上口吊入連鑄機，從上到下依次進行對弧，用塞尺檢測輥面兩端和樣板的間隙，直到合格為止，對弧精度如表3所示。

表3 連鑄機對弧精度要求

3.1.2 拉速和過熱度控制

經過計算，以現有冷卻制度，拉速每增加0.1m/min，連鑄坯出二冷區的表面溫度增加50～80℃，165mm×280mm斷面鑄坯穩定合適的拉速為1.2～1.4m/min。同時，要嚴格控制鋼水過熱度在15～30℃，避免鑄坯溫度回升過大或鼓肚的產生，根據過熱度的高低，采用多次小幅調整拉速，每次調速不得超高0.1m/min，減小鑄坯表面溫度回升幅度。另外要確保鑄坯進入拉矯機表面溫度高于950℃，避免第3脆性區矯直時產生中間裂紋。

3.1.3 改善水質和加強噴嘴排查

連鑄坯內熱應力主要是因為連鑄坯內溫度場不均勻引起的[3]，所以我們建立日常水質檢查機制，加強水質監測[4]，保證結晶器軟水和二冷水水質達標。結晶器軟水濁度、鈣硬度、總硬度的達標率由92%提高到99%；二冷水懸浮物、PH值、總硬度達標率由87%提高到97%。另外，每次拉下時間＞2小時，檢查二冷區噴嘴情況，及時清理和更換堵塞噴嘴，避免鑄坯表面回溫過快，降低連鑄坯中間裂紋的產生幾率。

3.1.4 調整二次冷卻制度

連鑄二次冷卻的效果對鑄坯內部質量有著很大的影響，也是連鑄機能否順利生產的一個重要環節[5]。該鋼廠矩形坯連鑄機二冷區分為足輥區、二冷1區、二冷2區、二冷3區共4個部分，二冷水量分配比分別為35%、28%、25%、12%，20%，內外弧水量分配與兩側面相同。Q355B鋼種屬于低合金結構鋼，使用的二冷水比水量是0.9L/kg，連鑄矯直溫度在900～950℃，矯直溫度偏低，應適當提高，所以我們將二冷水比水量降至0.75 L/kg，提高鑄坯矯直溫度，防止鑄坯受矯直力作用而產生裂紋。另外，根據中間裂紋出現的情況，判斷鑄坯通過二冷區時冷卻不均，內外弧與兩側冷卻強度不匹配導致，我們將活動段兩側的噴嘴型號適當更改，降低兩側的噴水量。

3.2 改善效果

通過采取以上一系列的工藝優化措施，Q355B大型角鋼產品質量得到明顯改善，從低倍檢測結果看（見圖7），中間裂紋評級達到0.5～1.0級，從內部質量看可以滿足中型軋機的軋制，Q355B大型角鋼頂角開裂甩廢比例由8.8%降低到1%以下。

圖7 鑄坯低倍組織

4 結語

通過對試軋Q355B角鋼頂角開裂部位化學成分、顯微組織以及同爐次鑄坯低倍組織的檢測和分析，明確了角鋼頂角開裂產生的原因，通過一系列改進措施的實施，有效的改善了Q355B大型角鋼產品的質量，并得出以下結論：

（1）連鑄機輥子對弧精度的精細控制，合適的鋼水過熱度以及與之匹配的合適的鑄機拉速，同時制定適當的二冷冷卻制度，可以確保鑄坯進入拉矯機表面溫度高于950℃，有效避免第3脆性區矯直時產生中間裂紋。

（2）加強水質監測，保證結晶器軟水和二冷水水質達標，定期排查并及時清理和更換二冷區堵塞噴嘴，避免鑄坯表面回溫過快及局部冷卻不均等現象，從而降低連鑄坯中間裂紋的產生。