Q420B熱軋角鋼表面凹坑結疤缺陷成因與預防

田秀剛，張春花

(唐山鋼鐵集團有限責任公司技術中心，河北 唐山 063000)

Q420B熱軋角鋼主要為鐵塔用國網角鋼，用于輸變電鐵塔，據統計數據顯示，在同樣的載荷設計下，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致失效，將引起角鋼塔的變形倒塌，威脅到電網的安全穩定運行[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疤與凹坑，其產生的原因復雜，受設備及工藝操作等的影響[3-9]。某鋼廠在對∠200 mm×24 mm的Q420B熱軋角鋼酸洗后發現上表面有凹坑及結疤缺陷，在缺陷部位取樣進行成分分析、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，提出改進措施，進行表面質量優化。

1 試驗材料與方法

1.1 宏觀形貌分析

凹坑及結疤缺陷在角鋼上表面酸洗后發現，形貌見圖1,結疤缺陷呈舌狀、塊狀嵌在角鋼表面，大小厚度不一，不翹起，單個片狀，分布不規則，常伴有粗糙的麻點狀表面，表面可看到細小紋路與塊狀鱗片的分布與形貌，凹坑缺陷表面塊狀凹陷，無規律分布在角鋼表面。

(a)塊狀結疤

1.2 生產工藝

煉鋼采用電弧爐冶煉，連鑄使用4機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 化學成分分析

在有缺陷的角鋼上進行取樣，使用瑞士ARL公司ARL 4460型直讀光譜儀進行成分分析，結果見表1，可見缺陷角鋼符合國標GB/T1591的要求。

表1 缺陷角鋼的化學成分 單位：%

1.4 金相檢驗

使用德國ZEISS公司的AXIOTECH型金相顯微鏡進行截面分析，結疤處氧化鐵皮厚度為220 μm，且距離上表面3.5 mm位置存在大量條狀夾雜物，表面有斜30度角的壓入，內部組織為鐵素體+珠光體，晶粒度9.5級，帶狀組織2級，見圖2。

(a)結疤厚度200X (b)條狀夾雜物100X

1.5 電鏡檢驗

使用德國Zeiss公司的SIGMA-HD型場發射掃描電鏡進行能譜分析，表面結疤處成分只含有Fe、O元素，鋼基體內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，樣品內部夾雜物成分為含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素，其成分構成與保護渣相近，電鏡下形貌見圖3，保護渣能譜圖見圖4、圖5，保護渣化學成分質量分數見表2。

(a)正常鐵皮表面 (b)結疤表面 (c)鐵皮深入基體

圖4 內部保護渣能譜

圖5 表層殘留保護渣能譜

表2 保護渣化學成分 單位：%

2 試驗結果分析與討論

2.1 試驗結果分析

檢驗結果表明，該角鋼化學成分符合國標要求，金相組織正常。結疤表面壓入物只有Fe、O元素，表明不是保護渣導致的，是氧化鐵皮壓入導致；凹坑處表面及試樣內部含有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，這個堿度在0.5～2之間[10]，可以確定就是保護渣，故判斷Q420B熱軋角鋼表面凹坑是由結晶器保護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渣卷渣進行分析。

2.2 氧化鐵皮壓入

熱軋鋼材從熱軋生產線上產出冷卻至室溫后，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，最內層為較厚的FeO[11-13]。氧化鐵皮從產生類型分為一次、二次、三次和四次氧化鐵皮。一次氧化鐵皮是在加熱爐內由于鋼坯加熱的氧化形成的鐵皮，在板坯出爐時表面會形成厚達2～3 mm的氧化皮，在粗軋機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，粗軋一般經過5～7個道次，粗軋后形成的氧化皮厚度約為100 μm，在精軋機入口前用高壓除磷箱(FSB)進行徹底清除。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]。由截面電鏡檢驗可知，鋼表面有氧化鐵深入鋼基體，導致氧化鐵皮增厚出現結疤，根據氧化鐵皮大于100 μm時為一次氧化鐵皮，故根據表面形貌與氧化鐵皮厚度220 μm可判斷結疤為一次氧化鐵皮。由于氧化鐵皮材質硬而脆，塑性較差，無法與基體同步延伸，故經軋制后，鐵皮呈顆粒狀，軋制過程中表現為擠入鋼基體內部，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致一次氧化皮難以剝離，后續因除鱗不徹底，會殘留一定數量的FeO，氧化鐵皮材質硬而脆，塑性較差，無法與基體同步延伸，故經軋制后，鐵皮呈顆塊狀結疤。加熱溫度越高，停留時間越長生成的氧化皮量越多，加熱溫度加熱時間與板坯氧化皮厚度(氧化燒損)呈指數關系。該批鋼的Si含量為0.268%，加熱溫度為1250 ℃，有研究表明[16]，當Si含量高于0.2%的鋼在加熱時，在1220 ℃氧化鐵皮熱平衡狀態為FeO+液態Fe2SiO4(硅橄欖石)，通過利用FactSage軟件計算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產生層狀的硅錳橄欖石相Fe2SiO4的熔點為1188 ℃，軋制前液態Fe2SiO4將FeO晶粒包圍住，形成FeO/Fe2SiO4的共析產物，凝固后形成類似錨狀形貌，將FeO層釘扎住，導致氧化鐵皮對基底金屬的附著力增強，釘扎住的FeO很難在除鱗中完全被除掉，粗軋時留在表面或壓入鋼內部，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，發現生產問題爐次的除鱗效果要弱于正常水平，打板測試具體結果見圖8。

(a)缺陷角鋼測試結果 (b)正常測試結果

預防鐵皮壓入措施：降低加熱溫度縮短保溫時間，在實際生產中，將加熱溫度由1250 ℃降到1200 ℃，采用鋼坯熱裝，加熱時間由2小時縮短到1.5小時，避免長時間高溫加熱導致硅橄欖石產生，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 保護渣卷渣

在軋制過程中，卷入的保護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、表面流速和卷渣均有重要影響[18-19]，隨水口浸入深度減少，結晶器表面的流速和液面波動增大，液面上的保護渣層越來越不穩定，容易被沖開，從而造成液面的裸露。這是因為在水口浸入深度減小后，流股出口到液面的距離減小，上升流沖擊液面的強度因而加大，使表面流速和液面波動增加，在剪切力的作用下，液態渣層被從結晶器兩端推向水口方向。鋼液從水口流出的同時，上方形成負壓區，負壓區下的旋渦在能量達到一定強度時，澆鑄過程結晶器保護渣流動性惡化，保護渣吸收浮渣和夾雜物能力降低,結晶器鋼水表面波動大，保護渣會被帶到結晶器深處而形成卷渣，圖10是保護渣卷渣示意圖[20]。

圖10 結晶器卷渣示意圖

預防卷渣措施：結晶器保護渣卷渣與保護渣的物化性能有直接關系，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，選取合適的保護渣[21]，能有效控制結晶器鋼水表面波動，可以促進渣鋼的有效分離，提高黏度減少彎月面“彎月鉤”的形成，可以減少保護渣卷入的機率，針對保護渣進行優化，提高了保護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，會造成保護渣強烈翻卷，造成卷渣，將浸入式水口的浸入深度從50 mm調到75 mm，減少結晶器鋼水表面波動，消除了卷渣缺陷。

表3 保護渣成分優化

通過對Q420B熱軋角鋼工藝優化后生產的熱軋角鋼使用情況進行跟蹤，熱軋表面質量良好，未見凹坑或結疤缺陷，酸洗后表面平整，在鍍鋅后未出現明顯鍍不上或漏鍍現象。

3 結論

(1)采用鋼坯熱裝，將加熱溫度降低50 ℃，從1250 ℃降到1200 ℃，加熱時間由2小時縮短到1.5小時，避免長時間高溫加熱導致硅橄欖石產生，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疤缺陷。

(2)針對鋼種選用合適的保護渣，提高了保護渣的粘度，由0.295提高到0.45，水口浸入深度從50 mm調到75 mm，有效控制結晶器鋼水表面波動，消除了卷渣引起的凹坑缺陷。