Q390D-Z25钢板断面收缩率不合格原因分析

2022-01-08祁敏翔仲阳阳闫政林

山东冶金 2021年6期

祁敏翔，仲阳阳，闫政林

（五矿营口中板有限责任公司，辽宁营口 115000）

Z 向钢，又称“抗层状撕裂钢”，主要应用在建筑、造船等领域。Z向钢在使用过程中要承受沿板厚方向的拉力，存在层状撕裂的问题，因此，对钢板的Z 向性能提出了更高的要求。某板厂在生产厚规格（厚度60 mm以上）Q390D—Z25钢时经常出现断面收缩率不合格的情况，严重影响了钢板的交货期和生产周期。为寻找其不合格原因，选取典型试样对其进行分析。

1 试验材料与方法

试验材料。钢板规格：80 mm×2 200 mm×8 000 mm。其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 化学成分（质量分数） %

表2 力学性能

试验方法。选取Z 向性能不合格钢板及拉伸断后试样制备热酸蚀试样、金相试样、断口试样，分别进行断口宏观观察、热酸蚀检验、金相检验、扫描电镜观察和能谱分析。

2 检验结果及分析

2.1 试样断口观察

通过宏观拉伸断口可见，断口在试样厚度1/2位置，无金属光泽和明显塑性变形，属脆性断口。

2.2 热酸蚀检验

取全厚度横截面试样进行热酸蚀检验，检验发现试样中心疏松比较严重，在中心一侧（内弧侧）有裂纹，呈一定角度分布。另外，在裂纹一侧可见比较发达的柱状晶，部分柱状晶呈一定角度倾斜。

2.3 扫描电镜断口分析

用扫描电镜对断口形貌进行分析发现，断口为准解理断裂形貌，它是介于解理断裂和延性断裂之间的一种过渡形式，属于脆性断裂，同时在断口上发现自由生长表面（金属自由面），见图1。另外，通过能谱分析发现，有硫化锰夹杂存在。

图1 断口微观形貌

2.4 显微组织检验

为了了解钢板的基体组织，从拉伸试样未经受变形的区域取金相试样进行组织分析，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后发现近表和厚度1/2位置组织无异常，为珠光体+铁素体组织。厚度1/2位置珠光体中掺杂着少量异常组织，为贝氏体组织，分散分布，见图2。

图2 金相组织

2.5 结果分析

通过热酸蚀检验可以看出，在厚度1/2 位置一侧柱状晶较发达，有裂纹存在于柱状晶位置，柱状晶与裂纹均有一定角度的倾斜。分析认为柱状晶与裂纹均为铸坯遗传到钢板所致，因为发达的柱状晶晶间是薄弱环节，铸坯在各种应力作用下柱状晶晶间极易产生裂纹缺陷（中间裂纹）。柱状晶与裂纹在轧制力的作用下产生倾斜，且由于厚规格钢板压下率较小，钢板厚度中心位置变形渗透率不够，柱状晶无法被完全打碎，裂纹也无法被轧合，由此导致Z 向试样在拉伸变形不断加大的过程中在薄弱的柱状晶晶间和裂纹处产生应力集中。同时由于裂纹破坏了基体连续性，使Z向试样有效受力面积大大减小［1］，试样在塑性变形很小的情况下产生断裂，进而导致断面收缩率不合格。另外，从柱状晶和裂纹的位置来看，其与Z向试样断裂的位置是一致的，这也旁证了发达的柱状晶和裂纹是其Z向性能不合的原因。

柱状晶的形成原因是当连铸坯进入二次冷却区时，连铸坯表面受到强烈冷却，表面与铸坯心部产生较大温度梯度，形成垂直连铸坯表面的单向传热。此时最大的晶体生长方向是平行热流方向，抑制了相邻的晶体的生长而优先长大，其他方向晶体的生长则被淘汰，形成了垂直铸坯表面的柱状晶带［2］。

中间裂纹一般分布于连铸坯内、外弧侧的表面与厚度中心之间。裂纹大都与柱状晶平行，沿一次柱状晶间分布，多呈线状、曲线状、“河流”状的特征。当铸坯经过喷水段的强冷后铸坯表面温度回升，坯壳受热膨胀，对凝固前沿施加张应力，当某一局部位置的张力应变超过该处的极限值时，就会沿柱状晶间产生中间裂纹。影响连铸坯中间裂纹的因素还有拉速、辊缝精度和压下量。

钢板组织也会在一定程度上影响Z向钢性能，因为不同的组织类型在拉伸过程中变形不一致，易在不同组织类型交界处产生应力集中，导致试样提前断裂。此次检验发现只有厚度中心部位存在少量贝氏体组织，且不连续分布，分析认为不会对Z向性能产生较大影响。

金属自由生长表面是铸坯原生缺陷的一个固有特征，铸坯生产过程中产生裂纹缺陷后钢液补充不及时就会在裂纹处出现光滑的金属自由生长表面。扫描电镜断口检验发现金属自由面，自由面上有硫化锰夹杂，硫化锰夹杂又易在中间裂纹附近聚集，由此证明中间裂纹是导致Z向性能不合的原因。

3 解决措施

1）降低钢水过热度。过热度越低，结晶前形成的成分过冷区越大，越有利于等轴晶的产生和生长，减少柱状晶比例，进而减少中间裂纹的形成。2）二冷区采用弱冷。冷却强度过大，铸坯表面温度降低，而中心温度变化很小，铸坯横断面上温度梯度增大，有利于柱状晶的生长。二冷区采用弱冷可提高矫直温度，避开热延性低谷。3）延长二冷区喷水长度，降低铸坯回热。4）提高Mn/S 比。5）检查喷嘴水压及有无堵塞，避免冷却不均，坯壳反复回温。6）选择合适铸坯拉速，降低中间裂纹发生率。