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Q420B热轧角钢表面凹坑结疤缺陷成因与预防

2022-12-09田秀刚张春花

四川冶金 2022年5期
关键词:结疤水口凹坑

田秀刚,张春花

(唐山钢铁集团有限责任公司技术中心,河北 唐山 063000)

Q420B热轧角钢主要为铁塔用国网角钢,用于输变电铁塔,据统计数据显示,在同样的载荷设计下,使用Q420级角钢代替Q345级角钢可平均降低用钢量20%左右,一旦由于角钢塔存在缺陷导致失效,将引起角钢塔的变形倒塌,威胁到电网的安全稳定运行[1-2],输电铁塔用角钢主要采用热浸镀锌防腐,表面不能有影响镀锌的缺陷,Q420B钢最常见的表面缺陷就是表面结疤与凹坑,其产生的原因复杂,受设备及工艺操作等的影响[3-9]。某钢厂在对∠200 mm×24 mm的Q420B热轧角钢酸洗后发现上表面有凹坑及结疤缺陷,在缺陷部位取样进行成分分析、金相观察、扫描电镜、X射线能谱分析等检测,分析缺陷形成的原因,提出改进措施,进行表面质量优化。

1 试验材料与方法

1.1 宏观形貌分析

凹坑及结疤缺陷在角钢上表面酸洗后发现,形貌见图1,结疤缺陷呈舌状、块状嵌在角钢表面,大小厚度不一,不翘起,单个片状,分布不规则,常伴有粗糙的麻点状表面,表面可看到细小纹路与块状鳞片的分布与形貌,凹坑缺陷表面块状凹陷,无规律分布在角钢表面。

(a)块状结疤

1.2 生产工艺

炼钢采用电弧炉冶炼,连铸使用4机4流,铸坯坯型为200 mm×380 mm。轧钢采用全氧加热炉加热,角钢规格为∠200 mm×24 mm,开轧温度为1152~1176 ℃,精轧温度1040~1072 ℃,自制穿水后,上冷床温度为847~929 ℃,轧制道次为粗轧5道,精轧6道。

1.3 化学成分分析

在有缺陷的角钢上进行取样,使用瑞士ARL公司ARL 4460型直读光谱仪进行成分分析,结果见表1,可见缺陷角钢符合国标GB/T1591的要求。

表1 缺陷角钢的化学成分 单位:%

1.4 金相检验

使用德国ZEISS公司的AXIOTECH型金相显微镜进行截面分析,结疤处氧化铁皮厚度为220 μm,且距离上表面3.5 mm位置存在大量条状夹杂物,表面有斜30度角的压入,内部组织为铁素体+珠光体,晶粒度9.5级,带状组织2级,见图2。

(a)结疤厚度200X (b)条状夹杂物100X

1.5 电镜检验

使用德国Zeiss公司的SIGMA-HD型场发射扫描电镜进行能谱分析,表面结疤处成分只含有Fe、O元素,钢基体内部压入物成分也只含有Fe、O元素,延段为氧化铁压入。凹坑表面缺陷处除含有Fe、O元素,还含有Si、Ca、Na、Mg、Al成分,样品内部夹杂物成分为含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素,其成分构成与保护渣相近,电镜下形貌见图3,保护渣能谱图见图4、图5,保护渣化学成分质量分数见表2。

(a)正常铁皮表面 (b)结疤表面 (c)铁皮深入基体

图4 内部保护渣能谱

图5 表层残留保护渣能谱

表2 保护渣化学成分 单位:%

2 试验结果分析与讨论

2.1 试验结果分析

检验结果表明,该角钢化学成分符合国标要求,金相组织正常。结疤表面压入物只有Fe、O元素,表明不是保护渣导致的,是氧化铁皮压入导致;凹坑处表面及试样内部含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素,其中Ca和Si为主要成分,分别为17.27%和14.16%且钙硅比为1.22,折合成氧化物其碱度R=CaO/SiO=0.80,这个碱度在0.5~2之间[10],可以确定就是保护渣,故判断Q420B热轧角钢表面凹坑是由结晶器保护渣卷入钢液造成的表层卷渣。下面分别对氧化铁皮压入和保护渣卷渣进行分析。

2.2 氧化铁皮压入

热轧钢材从热轧生产线上产出冷却至室温后,其表面氧化铁皮一般由三层铁的氧化物组成,最外层为较薄的Fe2O3,中间层是Fe3O4,最内层为较厚的FeO[11-13]。氧化铁皮从产生类型分为一次、二次、三次和四次氧化铁皮。一次氧化铁皮是在加热炉内由于钢坯加热的氧化形成的铁皮,在板坯出炉时表面会形成厚达2~3 mm的氧化皮,在粗轧机之前采用高压除磷箱(PSB)去除。二次氧化铁皮是在由粗轧过程中带钢氧化形成的铁皮,粗轧一般经过5~7个道次,粗轧后形成的氧化皮厚度约为100 μm,在精轧机入口前用高压除磷箱(FSB)进行彻底清除。三次氧化铁皮是在精轧过程中带钢氧化形成的铁皮,厚度约为7~15 μm,精轧中,在F1至F2机架出口用高压水除磷喷嘴(IFSB)去除。四次氧化铁皮是终轧、卷曲后至室温形成的铁皮,尤其在中段层冷之前,氧化皮的生长速度较快[14-15]。由截面电镜检验可知,钢表面有氧化铁深入钢基体,导致氧化铁皮增厚出现结疤,根据氧化铁皮大于100 μm时为一次氧化铁皮,故根据表面形貌与氧化铁皮厚度220 μm可判断结疤为一次氧化铁皮。由于氧化铁皮材质硬而脆,塑性较差,无法与基体同步延伸,故经轧制后,铁皮呈颗粒状,轧制过程中表现为挤入钢基体内部,沿轧制方向分布,有一定的方向性与角度。

形成原因:钢坏出炉温度过高导致一次氧化皮难以剥离,后续因除鳞不彻底,会残留一定数量的FeO,氧化铁皮材质硬而脆,塑性较差,无法与基体同步延伸,故经轧制后,铁皮呈颗块状结疤。加热温度越高,停留时间越长生成的氧化皮量越多,加热温度加热时间与板坯氧化皮厚度(氧化烧损)呈指数关系。该批钢的Si含量为0.268%,加热温度为1250 ℃,有研究表明[16],当Si含量高于0.2%的钢在加热时,在1220 ℃氧化铁皮热平衡状态为FeO+液态Fe2SiO4(硅橄榄石),通过利用FactSage软件计算FeO-SiO2平衡相图[17],见图6。

图6 FeO-SiO2平衡相图

显示出氧化铁皮与基底金属界面会产生层状的硅锰橄榄石相Fe2SiO4的熔点为1188 ℃,轧制前液态Fe2SiO4将FeO晶粒包围住,形成FeO/Fe2SiO4的共析产物,凝固后形成类似锚状形貌,将FeO层钉扎住,导致氧化铁皮对基底金属的附着力增强,钉扎住的FeO很难在除鳞中完全被除掉,粗轧时留在表面或压入钢内部,铁皮压入示意图见图7。

图7 铁皮压入示意图

使用打板测试炉后除鳞情况,发现生产问题炉次的除鳞效果要弱于正常水平,打板测试具体结果见图8。

(a)缺陷角钢测试结果 (b)正常测试结果

预防铁皮压入措施:降低加热温度缩短保温时间,在实际生产中,将加热温度由1250 ℃降到1200 ℃,采用钢坯热装,加热时间由2小时缩短到1.5小时,避免长时间高温加热导致硅橄榄石产生,减少一次氧化铁皮厚度量,保证炉后除鳞效果,消除了氧化铁皮压入。

2.3 保护渣卷渣

在轧制过程中,卷入的保护渣与基体变形不一致,逐渐在基体中形成分层,轧制后期保护渣层逐渐露出带材表面,脱落后形成凹坑缺陷,见图9。

图9 凹坑形成示意图

形成原因:浸入式水口的浸入深度对流股冲击深度、液面波动、表面流速和卷渣均有重要影响[18-19],随水口浸入深度减少,结晶器表面的流速和液面波动增大,液面上的保护渣层越来越不稳定,容易被冲开,从而造成液面的裸露。这是因为在水口浸入深度减小后,流股出口到液面的距离减小,上升流冲击液面的强度因而加大,使表面流速和液面波动增加,在剪切力的作用下,液态渣层被从结晶器两端推向水口方向。钢液从水口流出的同时,上方形成负压区,负压区下的旋涡在能量达到一定强度时,浇铸过程结晶器保护渣流动性恶化,保护渣吸收浮渣和夹杂物能力降低,结晶器钢水表面波动大,保护渣会被带到结晶器深处而形成卷渣,图10是保护渣卷渣示意图[20]。

图10 结晶器卷渣示意图

预防卷渣措施:结晶器保护渣卷渣与保护渣的物化性能有直接关系,尤其是钢渣界面张力和黏度,增大钢渣界面张力能有效防止液渣被撕裂的概率,选取合适的保护渣[21],能有效控制结晶器钢水表面波动,可以促进渣钢的有效分离,提高黏度减少弯月面“弯月钩”的形成,可以减少保护渣卷入的机率,针对保护渣进行优化,提高了保护渣的粘度及其它成分,见表3。另外,方坯浸入式水口的浸入深度如果小于60 mm,会造成保护渣强烈翻卷,造成卷渣,将浸入式水口的浸入深度从50 mm调到75 mm,减少结晶器钢水表面波动,消除了卷渣缺陷。

表3 保护渣成分优化

通过对Q420B热轧角钢工艺优化后生产的热轧角钢使用情况进行跟踪,热轧表面质量良好,未见凹坑或结疤缺陷,酸洗后表面平整,在镀锌后未出现明显镀不上或漏镀现象。

3 结论

(1)采用钢坯热装,将加热温度降低50 ℃,从1250 ℃降到1200 ℃,加热时间由2小时缩短到1.5小时,避免长时间高温加热导致硅橄榄石产生,减少一次氧化铁皮厚度量,消除了一次氧化铁皮压入引起的结疤缺陷。

(2)针对钢种选用合适的保护渣,提高了保护渣的粘度,由0.295提高到0.45,水口浸入深度从50 mm调到75 mm,有效控制结晶器钢水表面波动,消除了卷渣引起的凹坑缺陷。

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