Q235B、Q345B熱軋鋼板適用于焊接與沖壓，具有較好的鑄造性、韌性、強度和伸長率，主要用于橋梁工程和建筑行業(yè)質量要求較高的焊接結構件。由于在生產過程中，板坯出結晶器足輥后，鑄坯窄面不再噴霧冷卻，因此邊角部裂紋在產品缺陷中所占的比例不大，而鋼板表面特別是中間的結疤缺陷，因無法修磨，給產品質量帶來很大的危害。關于結疤成因，眾多學者進行了研究，楊治爭等[1]認為加熱爐加熱溫度不均勻出現(xiàn)過熱過燒導致，還有學者認為是因為道次間冷卻水異常產生的[2–3]，彭凱等[4]則認為是軋制過程中機械損傷造成的。一般認為結疤是由裂紋引起的，連鑄坯表面裂紋一是在結晶器內生成[5]，二是在零段—矯直區(qū)形成[6]。初生坯殼在結晶器彎月面生成后，由于其表面溫降與內部溫降不一致，坯殼具有較大的向內收縮的傾向，但鋼水靜壓力和熱應力能夠抵抗向內收縮，這樣在坯殼的橫截面上產生拉應力。如果應力超過坯殼的高溫力學強度，在其薄弱部位就產生細小裂紋，帶有細小裂紋的坯殼繼續(xù)向下運動過程中，由于某種原因（如保護渣潤滑不良、對弧誤差、二次冷卻不當?shù)龋┘傲鸭y的缺口效應，使細小裂紋沿樹枝晶間低塑性區(qū)擴展，最終成為粗大裂紋。同樣，在矯直區(qū)當矯直力超過晶界α相所能承受的強度時，α相中便會生成空洞，空洞聚合后長大。Q235B、Q345B在第Ⅲ脆性區(qū)的溫度為750~850 ℃[7]，如果矯直區(qū)的溫度正好落在此區(qū)間，會使細小裂紋、空洞擴展成粗大的裂紋，帶有裂紋的連鑄坯軋制過程中，因反復受力變形，表面裂紋擴展成星際或網狀裂紋，即為結疤。本文通過對結疤試樣的分析，提出了結疤產生的原因并提出了相應的解決和預防措施。

1.   現(xiàn)狀概況

1.1   生產工藝流程

用于生產熱軋鋼板的Q235B、Q345B鋼化學成分如表1所示，其生產工藝流程為：100 t轉爐（LD）→100 t鋼包精煉爐（LF）→220 mm×1600 mm連鑄坯→熱送加熱爐→除鱗→粗軋→精軋→層流冷卻→檢驗入庫。

1.2   結疤缺陷分析方法

結疤缺陷的形貌如圖1所示，由圖1可見，結疤就是通常所見的星際裂紋或網狀裂紋。為了確定結疤產生的原因，用PW4400/40光學顯微鏡檢測裂紋深度、脫碳層深度（如有脫碳層）、上下板面金相組織、板面夾雜物；用掃描電鏡檢測結疤裂口處的化學元素含量。

2.   試樣分析檢測

2.1   脫碳情況

在不同爐次上取2個試樣，編號為1#和2#。將試樣制成40 mm×20 mm×5 mm的金相試樣。選擇裂紋延伸到邊的橫截面，研磨后沿裂口觀察裂紋深度、裂紋兩側脫碳層深度。如圖2所示，1#試樣裂紋深約2.0 mm，沿裂紋脫碳，脫碳層深度約1.8 mm；2#試樣裂紋深約3.0 mm，沿裂紋脫碳，裂口處脫碳層深度約2.2 mm，這2個結疤都沿裂紋脫碳，說明結疤是由煉鋼—連鑄原因引起的，坯殼內的裂紋在隨后的拉矯、加熱爐升溫過程中，發(fā)生了如下的反應[8]。

脫碳是鋼加熱時表面碳含量降低的現(xiàn)象。從上面的脫碳反應方程式可知，脫碳是擴散作用的結果，一方面是氧向鋼內擴散，另一方面是鋼中的碳向外擴散。脫碳層只在脫碳速度大于氧化速度時才能形成。當氧化速度很大時，脫碳層產生后即被氧化而成氧化鐵皮。所以只有在氧化作用相對較弱的氣氛中，如連鑄坯從結晶器向下運動過程中、步進式加熱爐均熱及加熱過程中才能形成較深的脫碳層。結疤表面的金相組織如圖3所示，由圖3可見，結疤面的組織中有魏氏組織，這是由于裂紋破壞了基體組織的連續(xù)性，同時連鑄坯在加熱爐中出現(xiàn)了輕度過熱行為，通過對結疤試樣進行冷彎沖斷，未發(fā)現(xiàn)端口存在晶界熔融即晶界融化而形成的自由結晶表面[9–11]，說明介于裂紋間的板面冷卻較快，出現(xiàn)了魏氏組織，而連鑄坯未發(fā)生過燒行為。

2.2   裂口處的電鏡掃描情況

使用EVO18+EISS掃描電鏡、能譜儀觀察，發(fā)現(xiàn)在裂紋內部和裂口處均出現(xiàn)了高溫二次氧化現(xiàn)象，高溫氧化圓點較多。1#試樣含有Ca、Mg、K、Al、Na、Si、Mn、O等保護渣成分，如圖4所示；2#試樣含有Fe、O，如圖5所示。由于這兩塊不同爐次的試樣都帶有結疤缺陷，因此可以通過化學元素來判定結疤產生的共性，即都帶有O，是高溫氧化結果。

2.3   內裂紋情況

金相檢測表明，圖4的試樣未發(fā)現(xiàn)橫截面上有內裂紋，但圖5試樣裂口處發(fā)現(xiàn)結疤橫截面上存在內裂紋，如圖6所示。該裂紋未與表面相連通，周邊的幾條也未連在一起，可以明顯看到裂紋從內向外破裂的特征，裂口內部未見脫碳層，裂口兩側組織相同，隱約可盡晶界滑移帶，是鋼板近表層的針孔氣泡在軋制過程中暴露而產生的。

3.   結疤缺陷成因分析與預防措施

有脫碳層，必先有裂紋，且說明這些結疤不是由于軋鋼撕裂或軋鋼工藝不合理造成，要從前道工序（煉鋼—連鑄）上尋找引起裂紋的原因。

3.1   C含量對結疤的影響

由鐵碳平衡相圖可知，w(C)=0.17%為包晶平衡點，w(C)在0.09%~0.16%為亞包晶鋼，處于此區(qū)間的鋼水凝固時會發(fā)生包晶反應，即產生δ-Fe向γ-Fe的轉變，伴隨較大的體積收縮（0.38%）[12]，坯殼與結晶器壁脫離形成的氣隙較大，導出的熱流較小，初生坯殼較薄，鑄坯表面凹陷嚴重，凹陷部位的冷卻和凝固速度慢，組織粗大，易造成應力集中，當薄弱部位所受應力超過坯殼的高溫力學強度時，就產生裂紋。針對此特點，Q235B、Q345B成分設計時盡量避免0.09%~0.16%區(qū)間，成品碳控制在0.17%~0.18%，通過提高鋼水純凈度及降低成品Mn來降低碳當量，提高焊接性。

3.2   結晶器進水溫度的變化對結疤的影響

結晶器進水溫度的變化直接影響結晶器傳熱的大小與變化，為減少初生坯殼厚度的不均勻程度，結晶器需緩冷。夏季結晶器寬面水流量3750 L/min（外?。⒄嫠髁?80 L/min，水壓0.90~0.95 MPa，進水溫度36~37 ℃、出水溫度42~43 ℃，7、8、9三個月，平均結疤率0.31%；同年的1、2、3三個月，結晶器寬面水流量3600 L/min、窄面水流量460 L/min，水壓0.90~0.95 MPa，進水溫度29~31 ℃、出水溫度36~38 ℃，平均結疤率0.53%。

理論研究與實際生產表明，提高結晶器進水溫度，符合弱冷的原則，使彎月面處于緩冷狀態(tài)，初生坯殼傳熱慢、收縮小、冷卻均勻，坯殼厚度均勻。因此，冬季結晶器的水溫還有上升的空間，只要確保進、出水溫差控制在5~8 ℃之間，可以降低鋼板結疤指數(shù)。

3.3   保護渣對結疤的影響

保護渣對結晶器熱流密度的影響實際上主要取決于其導熱性及渣膜厚度，其中渣的堿度會影響導熱性[13]，當渣堿度大于1時，凝固后晶體渣膜占固渣膜的比例多，晶體渣膜內有孔隙，熱流密度減小，降低了結晶器的傳熱，有利于初生坯殼厚度的均勻，降低裂紋指數(shù)。

熔渣層厚度不足時，鋼渣界面沿結晶器銅壁一周，熔渣受冷卻形成渣圈，將熔渣通道堵死。熔渣通道不被堵死的液態(tài)渣層臨界厚度可用下式計算[14–16]：

把各參數(shù)代入式（5），計算得到最小液渣層厚度為7.6 mm。保護渣在使用過程中，為了掌握其性能是否穩(wěn)定，每爐鋼至少需測量一次液渣層厚度，正常拉速下，結晶器內處于活躍部位的液渣層厚度必須大于12 mm、處于窄面與寬面交界三角區(qū)最不活躍部位的液渣層厚度必須大于8 mm。合適的液渣層厚度是結晶器均勻傳熱的前提，也是初生坯殼厚度均勻的保證。表2為Q235B、Q345B保護渣改進前后的理化指標。在外界情況相同的情況下，比對使用A類渣，結疤發(fā)生率1.52%；B類渣，結疤發(fā)生率0.29%，因此基本可以斷定B類稍高堿度保護渣更適合澆鑄Q235B、Q345B鋼。

3.4   鋼水過熱度對結疤的影響

Q235B和Q345B含Mn量不一樣，液相線相差2.5 ℃左右，實際生產過程中，由于拉速不高，液相線取中、上限值，過熱度定為15~30 ℃，中間包溫度1530~1550 ℃，圖7為過熱度與鋼板結疤的統(tǒng)計情況。

根據(jù)圖7可知，過熱度在15~35 ℃，結疤率最低，過熱度超過35 ℃或低于15 ℃時，結疤發(fā)生率明顯上升。過熱度超過35 ℃時，凝固推遲，彎月面處的坯殼厚度減薄且坯殼平均溫度升高，鋼的整體溫度向第Ⅰ脆性區(qū)移動，在熱應力和鋼水靜壓力不變的情況下，結疤指數(shù)升高。而當過熱度小于15 ℃時，結疤發(fā)生率又有所上升，這主要是鋼水過熱度低，結晶器內鋼水溫度低，供給熱量不足，保護渣熔化不好，液態(tài)保護渣保持量不足，保護渣渣膜薄且流入不均勻，使得渣膜導熱不均勻，坯殼厚度不均勻，因而結疤指數(shù)上升。

3.5   拉速對結疤的影響

拉速與鋼水過熱度、鋼水的供應情況有關，在鋼水過熱度全部符合工藝要求時，對因鋼水供應緊張而降拉速的100爐次鋼板結疤情況進行統(tǒng)計，每爐次連鑄坯為65塊（2.65 t/塊），結果見圖8，結疤數(shù)為每爐次出現(xiàn)結疤情況的鑄坯數(shù)量。

由圖8可知，低拉速對結疤是非常有利的。特別是當拉速低于0.55 m/min時，結疤數(shù)明顯上升，這是因為低拉速時，從浸入式水口兩側口流出的鋼水向上分流的作用減弱，結晶器彎月面處鋼水供熱不足，結晶器內的鋼液面處于低溫狀態(tài)，保護渣熔化不好，液渣層變薄，初生坯殼厚度不均勻，鋼板結疤指數(shù)上升。100 t轉爐配二機二流板坯連鑄機，在最高拉速限定0.90 m/min的情況下，轉爐生產能力略顯不足，需要將轉爐擴容至180 t，前道工序要催著后道工序走，拉速才能得到發(fā)揮。同時，為避免低拉速給鋼板帶來的結疤危害，每次快換中間包、浸入式水口，要求5 min內將拉速恢復到0.80~0.90 m/min。

3.6   設備因素對結疤的影響

（1）設備精度

我公司輥縫調整情況如表3所示，每次檢修時，按照表3給定的參數(shù)進行輥縫值的調整。但是，隨著檢修后過鋼量的增加，扇形段的對弧精度（接弧誤差）、輥縫值都會發(fā)生改變。分析原因：一是熱態(tài)時工況惡劣，多種應力交替作用，冷態(tài)時調整好的縫隙值會發(fā)生改變；二是采用的是密排兩節(jié)輥，處于中間的軸承座，由于密封墊損壞漏水，滾珠、軸瓦卡死后碎裂，導致驅動輥變形。計劃停機的實測值均大于標準值，特別是兩節(jié)輥的中間軸承座附近輥縫值較外側明顯偏大，有的甚至偏大2.0 mm，并且沒有規(guī)律性。較大的輥縫開口度勢必造成鑄坯鼓肚量的增加，在進入隨后的扇形段壓下時誘發(fā)中間結疤指數(shù)升高。

（2）二冷段冷卻效果

水質是影響二次冷卻效果的直接原因，地下水水垢嚴重，經常造成噴嘴堵塞或噴偏、水霧化不良，尤其是外弧噴嘴清理不方便，冬季壓縮空氣管道內含水結冰導致氣體壓力低。上述現(xiàn)象使鑄坯橫向溫度不一致，坯殼溫度不均勻，坯殼表面反復升溫、降溫、回溫，易產生較大的應力，進而增加結疤指數(shù)。為降低設備因素對結疤的影響，一是對備件上線前試壓，安裝后要確保輥縫誤差≤0.30 mm，接弧誤差≤0.20 mm；二是每周安排6 h停機檢修，對水過濾器反復清洗，確保良好的水質；三是拆下扇形段后，必須對水道沖水處理，待未見污水后再上新的扇形段；四是實行噴嘴專人負責制，對噴嘴的噴霧效果、出水狀況、檢修時的拆洗等情況進行動態(tài)跟蹤與驗收；五是增加壓縮空氣主管道放水閥的放水次數(shù)，確保冬季管道內沒有結冰現(xiàn)象。

4.   結論

(1) Q235B、Q345B鋼板結疤產生原因：①多種原因導致彎月面處的初生坯殼厚度不均勻；②扇形段的密排兩節(jié)輥中間軸承座工況惡劣，易損壞；③隨著過鋼量的增加，輥縫誤差、接弧誤差大于工藝要求，鑄坯產生應力集中現(xiàn)象。

(2) 改善Q235B、Q345B鋼板結疤的措施：①Q235B、Q345B成分設計時，控制w(C)＞0.16%，避免凝固時產生體積收縮；②提高結晶器進水溫度，進、出水溫差保持在5~8 ℃，采用弱冷制度；③選擇堿度稍高的保護渣，增加固渣膜中晶體質成分，降低結晶器的傳熱；同時確保液渣層厚度≥8 mm；④鋼水過熱度控制在15~30 ℃之間，拉速穩(wěn)定在0.80~0.90 m/min，不宜采用低速拉矯；⑤每周安排一次計劃停機小修，提高設備精度。

文章來源——金屬世界