皮帶輪旋壓開裂分析

摘 要：通過斷口形貌、金相組織和掃描電鏡斷口分析，結合熱軋酸洗板SPHC的生產數據，認為鋼中的硫含量過高，導致硫化物非金屬夾雜物大量存在于鋼中，尤其鋼板厚度心部最為嚴重，降低了鋼的塑性，在旋壓的過程中部分料片無法承受厚度中心位置的旋壓而開裂。針對旋壓用途的熱軋酸洗板SPHC，需進行特殊特性的識別，進行嚴格的硫含量控制。

關鍵詞：熱軋酸洗板；旋壓開裂；非金屬夾雜物

ANALYSIS OF SPINNING CRACK OF BELT PULLEY

Tang Yongfu1 Wang Zeng1 Huang Richeng2

（1. Steel mill， Guangxi Shenglong Metallurgical Co.， Ltd. Fangchenggang 538021，China;

2. Technical Management Department，Guangxi Shenglong Metallurgical Co.， Ltd. Fangchenggang 538021，China）

Abstract：Through the analysis of fracture morphology， metallographic structure and SEM fracture， combined with the production data of hot-rolled pickling plate SPHC， it is considered that the high sulfur content in the steel results in a large number of sulfide non-metallic inclusions in the steel， especially in the center of the steel plate thickness， which reduces the plasticity of the steel. During the spinning process， some pieces cannot bear the spinning at the center of the thickness and crack. For the hot-rolled pickling plate SPHC used for spinning， it is necessary to identify the special characteristics and control the sulfur content strictly.

Key words：hot-rolled pickling steel; spinning crack; inclusion

0 前 言

熱軋酸洗板以優質的熱軋板卷為原料，在酸洗機組上，主要經酸洗去掉帶鋼表面的氧化鐵皮、切邊、平整及涂油等工序處理后得到的熱軋酸洗板卷，它除作各類冷軋板帶產品、熱鍍鋅產品以及焊管產品的原料鋼卷外，還能直接用作各類商品鋼材，用途廣泛[1]。

熱軋酸洗板SPHC制作皮帶輪，在厚度中心位置旋壓，旋壓后出現裂紋，用戶反饋采用該鋼卷生產的皮帶輪普遍存在開裂缺陷。查詢生產工藝數據，未見工藝異常現象，所有工藝參數滿足控制要求；經檢測鋼板和開裂皮帶輪，發現鋼中存在較多的硫化錳和氧化鋁夾雜，裂紋附近存在較多的硫化錳夾雜。

1 用戶反饋

2024年6月份，用戶反饋酸洗SPHC制作皮帶輪后出現裂紋，規格4.5 mm×1 500 mm。皮帶輪旋壓開裂缺陷形貌如圖1所示。

2 生產工藝查詢

查詢鋼卷的生產工藝，未見工藝異常，所有工藝參數滿足控制要求。化學成分如表1所示，出廠力學性能滿足標準要求如表2所示。

3 試樣檢測

采取線切割將開裂位置切開，針對裂紋試樣進行金相和掃描電鏡檢測，由于線切割的過程受冷卻液的污染，開裂面無法獲得準確的數據，檢測主要觀察裂紋周邊是否存在異常。

3.1 斷口形貌

試樣經打磨和清洗后，裂紋橫斷面形貌如圖3所示。2號樣形貌較為規則，皮帶輪加工完成后，受內應力的作用而開裂；3號樣為加工過程出現裂紋，隨著加工的繼續，裂紋被碾壓變形。

3.2 金相檢測

試樣經打磨、清洗、腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察，1號為鋼板試樣，組織如圖4 a所示，組織為鐵素體，是一種成形性能優異的組織。2號和3號試樣組織分別如圖4 b、圖4c所示，組織為鐵素體，加工面附近的鐵素體發生嚴重變形，與旋壓變形有關。2號試樣加工面的鐵素體沿一定的方向變形，如圖4b中線條所示，而裂口處的變形最小，因此加工面受加工硬化影響而強度提高，裂口處的變形最小而強度最低，受應力集中影響，在強度最低處開裂。3號試樣的裂口較為復雜，根據鐵素體的不同程度的變形，可推斷出初始裂紋發生在旋壓加工中，隨著旋壓的繼續進行，初始裂紋扭曲，裂紋一側覆蓋到裂紋開口處。

3.3 掃描電鏡檢測

1號試樣為鋼板試樣，厚度中心位置有大量的黑點狀物，如圖5所示。檢測化學成分為鐵、氧、鋁、硫、錳、碳，說明鋼板中存在大量的氧化鋁和硫化錳夾雜物。

2號試樣開裂處有分支裂紋，分支裂紋附近有密集黑色點狀物，如圖6所示。分別在分支裂紋附近、分支裂紋末端、基體檢測化學成分，如表4所示。分支裂紋附近的化學成分為鐵、錳、硫，說明此位置黑色點狀物無硫化錳夾雜物；分支裂紋末端的化學成分為鐵、氧、錳，錳極少，有可能試樣打磨時氧化鐵屑殘留在裂紋中；基體的化學成分為鐵、錳、硫，說明基體中有大量的硫化錳夾雜物。

3號試樣的裂紋受旋壓變形影響較大，裂口上方被側向流動過來的鋼覆蓋，主裂紋上分布著多條分支裂紋，如圖7所示，在分支裂紋的末端和分支裂紋附近檢測化學成分，如表5所示。分支裂紋附近的化學成分為鐵、氧、碳、硫、錳；分支裂紋末端的化學成分為錳、硫、鐵、碳。結果說明鋼材基體中有大量的硫化錳夾雜物。

4 分析與改進

4.1 皮帶輪旋壓開裂機理

根據以上檢測結果，鋼中有大量的MnS夾雜物，尤其鋼板厚度心部最為嚴重，降低了鋼的塑性，在旋壓的過程中部分料片無法承受厚度中心位置的旋壓而開裂，裂紋不斷變形，形成3號試樣的形貌；部分料片旋壓后，在MnS夾雜物較多的厚度中心位置開裂。

文獻[2]研究認為MnS析出主要分2個階段：第1階段主要為奧氏體區MnS和Al2O3的復合析出，析出尺寸普遍介于1～5μm之間，形狀為條片狀;第2階段為MnS在卷取過程中析出，尺寸普遍介于200～600 nm之間，形狀為近球形。卷取溫度的變化對化合硫含量以及MnS析出尺寸分布范圍影響較小。雖然單獨的MnS尺寸很小，但MnS在厚度中心位置大量析出后容易造成芯部應力集中，這種應力集中在大變形量的基礎上可以引發分層缺陷。

4.2 旋壓 SPHC皮帶輪鋼[O]、[S]含量控制水平

低碳低硅SPHC基板鋼，由于成品碳低，鋼水不可避免地存在過氧化。若鋼水不深度脫氧，鋼中夾雜物含量高，嚴重影響SPHC基板鋼的質量。完善的脫氧工藝，除降低鋼中總含氧量之外，還必須使部分殘留的少量非金屬夾雜物的尺寸細小、分布要均勻，盡量減少對鋼的加工性能和使用性能的危害。因此，對于特殊用途SPHC板材，公司要求鋼水中[O]≤0.002 0%。

硫化物是非金屬夾雜物，會降低鋼的機械性能，并在軋制過程中形成熱加工纖維組織。當鋼加熱到約1 200 ℃進行熱壓力加工時，晶界上的共晶體已溶化，晶粒間結合被破壞，使鋼材在加工過程中沿晶界開裂出現熱脆性現象。因此，對于特殊用途SPHC板材，要求鋼水中[S]≤0.010%。

4.3 旋壓 SPHC皮帶輪鋼冶煉控制具體措施

為了控制鋼材中的[S]含量，必需首先控制入爐鐵水成分：要求入爐鐵水[S]≤0.040%。控制轉爐終點[C]含量0.04%～0.06%，防止鋼水過氧化，減少原始Al2O3夾雜物含量。采用雙擋渣法擋渣出鋼，控制轉爐出鋼下渣量，鋼包渣厚≤80 mm。出鋼1/3時，每爐加入預熔渣300～400 kg 、 Al40改質劑 300～400 kg，有利于對轉爐帶入的氧化性渣改質，降低鋼包精煉渣的氧化性。CAS座包[Al]≤0.010%時，及時補喂Al線，使0.020%≤[Al]≤0.040%；根據LF座包渣況、[S]含量，補加石灰、預熔渣調渣鋼水深度脫硫。精煉過程中多次分批加入Al粉、鋁粒渣面擴散脫氧，白渣保持時間10 min。控制精煉終渣中（FeO）≤0.85%、（FeO+MnO）≤1.0%，鋼液深度脫氧。

4.4 質量改善結果

統計266爐SPHC，鋼中氧、硫含量控制如表6，鋼中S含量控制如圖8所示。

跟蹤用戶SPHC鋼皮帶輪旋壓使用情況，未發現皮帶輪開裂現象。

5 小 結

1）皮帶輪產生裂紋主要是鋼板在旋壓大變形的情況下，鋼板芯部MnS大量析出形成應力集中進而引發開裂，形成類似分層的缺陷。

2）皮帶輪采用旋壓的方式加工，需要嚴格控制鋼中[O]含量≤0.002 0%、[S]含量≤0.010%，提高鋼水質量。

3）特殊要求用SPHC鋼板，訂貨、生產時必需詳細標識，必需嚴格按企業內控標準執行。

參考文獻

[1] 陳永和，周銘，顧衛偉.國內外酸洗熱軋板的生產及發展[J].上海金屬，2007（5）：71-81.

[2] 王巖，趙愛民，陳銀莉，等.不同卷取溫度低碳鋼性能及硫化物析出的研究[J].鋼鐵，2011，46（1）：60-65.

第一作者：唐勇福，男，38歲，煉鋼廠廠長助理