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(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件。由于在生產(chǎn)過程中，板坯出結(jié)晶器足輥后，鑄坯窄面不再噴霧冷卻，因此邊角部裂紋在產(chǎn)品缺陷中所占的比例不大，而鋼板表面特別是中間的結(jié)疤缺陷，因無法修磨，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來很大的危害。關(guān)于結(jié)疤成因，眾多學(xué)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(dǎo)致，還有學(xué)者認為是因為道次間冷卻水異常產(chǎn)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(jié)疤是由裂紋引起的，連鑄坯表面裂紋一是在結(jié)晶器內(nèi)生成[5]，二是在零段—矯直區(qū)形成[6]。初生坯殼在結(jié)晶器彎月面生成后，由于其表面溫降與內(nèi)部溫降不一致，坯殼具有較大的向內(nèi)收縮的傾向，但鋼水靜壓力和熱應(yīng)力能夠抵抗向內(nèi)收縮，這樣在坯殼的橫截面上產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果應(yīng)力超過坯殼的高溫力學(xué)強度，在其薄弱部位就產(chǎn)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(dāng)?shù)龋┘傲鸭y的缺口效應(yīng)，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(dāng)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(fù)受力變形，表面裂紋擴展成星際或網(wǎng)狀裂紋，即為結(jié)疤。本文通過對結(jié)疤試樣的分析，提出了結(jié)疤產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)的解決和預(yù)防措施。

1. 現(xiàn)狀概況

1.1 生產(chǎn)工藝流程

用于生產(chǎn)熱軋鋼板的Q235B、Q345B鋼化學(xué)成分如表1所示，其生產(chǎn)工藝流程為：100 t轉(zhuǎn)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(jié)疤缺陷分析方法

結(jié)疤缺陷的形貌如圖1所示，由圖1可見，結(jié)疤就是通常所見的星際裂紋或網(wǎng)狀裂紋。為了確定結(jié)疤產(chǎn)生的原因，用PW4400/40光學(xué)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(jié)疤裂口處的化學(xué)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(cè)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(jié)疤都沿裂紋脫碳，說明結(jié)疤是由煉鋼—連鑄原因引起的，坯殼內(nèi)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(yīng)[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(yīng)方程式可知，脫碳是擴散作用的結(jié)果，一方面是氧向鋼內(nèi)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(dāng)氧化速度很大時，脫碳層產(chǎn)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(jié)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(jié)疤表面的金相組織如圖3所示，由圖3可見，結(jié)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(jié)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(jié)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(nèi)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(jié)疤缺陷，因此可以通過化學(xué)元素來判定結(jié)疤產(chǎn)生的共性，即都帶有O，是高溫氧化結(jié)果。

2.3 內(nèi)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(nèi)裂紋，但圖5試樣裂口處發(fā)現(xiàn)結(jié)疤橫截面上存在內(nèi)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(nèi)向外破裂的特征，裂口內(nèi)部未見脫碳層，裂口兩側(cè)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(chǎn)生的。

3. 結(jié)疤缺陷成因分析與預(yù)防措施

有脫碳層，必先有裂紋，且說明這些結(jié)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(jié)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(yīng)，即產(chǎn)生δ-Fe向γ-Fe的轉(zhuǎn)變，伴隨較大的體積收縮（0.38%）[12]，坯殼與結(jié)晶器壁脫離形成的氣隙較大，導(dǎo)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(yīng)力集中，當(dāng)薄弱部位所受應(yīng)力超過坯殼的高溫力學(xué)強度時，就產(chǎn)生裂紋。針對此特點，Q235B、Q345B成分設(shè)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(dāng)量，提高焊接性。

3.2 結(jié)晶器進水溫度的變化對結(jié)疤的影響

結(jié)晶器進水溫度的變化直接影響結(jié)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(jié)晶器需緩冷。夏季結(jié)晶器寬面水流量3750 L/min（外?。?、窄面水流量480 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(jié)疤率0.31%；同年的1、2、3三個月，結(jié)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(jié)疤率0.53%。

理論研究與實際生產(chǎn)表明，提高結(jié)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(jié)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(jié)疤指數(shù)。

3.3 保護渣對結(jié)疤的影響

保護渣對結(jié)晶器熱流密度的影響實際上主要取決于其導(dǎo)熱性及渣膜厚度，其中渣的堿度會影響導(dǎo)熱性[13]，當(dāng)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(nèi)有孔隙，熱流密度減小，降低了結(jié)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(jié)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(jié)晶器內(nèi)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(jié)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(jié)疤發(fā)生率1.52%；B類渣，結(jié)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(jié)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(chǎn)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(jié)疤的統(tǒng)計情況。

根據(jù)圖7可知，過熱度在15~35 ℃，結(jié)疤率最低，過熱度超過35 ℃或低于15 ℃時，結(jié)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(yīng)力和鋼水靜壓力不變的情況下，結(jié)疤指數(shù)升高。而當(dāng)過熱度小于15 ℃時，結(jié)疤發(fā)生率又有所上升，這主要是鋼水過熱度低，結(jié)晶器內(nèi)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(dǎo)熱不均勻，坯殼厚度不均勻，因而結(jié)疤指數(shù)上升。

3.5 拉速對結(jié)疤的影響

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

由圖8可知，低拉速對結(jié)疤是非常有利的。特別是當(dāng)拉速低于0.55 m/min時，結(jié)疤數(shù)明顯上升，這是因為低拉速時，從浸入式水口兩側(cè)口流出的鋼水向上分流的作用減弱，結(jié)晶器彎月面處鋼水供熱不足，結(jié)晶器內(nèi)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(jié)疤指數(shù)上升。100 t轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐生產(chǎn)能力略顯不足，需要將轉(zhuǎn)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(jié)疤危害，每次快換中間包、浸入式水口，要求5 min內(nèi)將拉速恢復(fù)到0.80~0.90 m/min。

3.6 設(shè)備因素對結(jié)疤的影響

（1）設(shè)備精度

我公司輥縫調(diào)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(diào)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(yīng)力交替作用，冷態(tài)時調(diào)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(dǎo)致驅(qū)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(cè)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(jié)疤指數(shù)升高。

（2）二冷段冷卻效果

水質(zhì)是影響二次冷卻效果的直接原因，地下水水垢嚴重，經(jīng)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(nèi)含水結(jié)冰導(dǎo)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(fù)升溫、降溫、回溫，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進而增加結(jié)疤指數(shù)。為降低設(shè)備因素對結(jié)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(fù)清洗，確保良好的水質(zhì)；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(zé)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(nèi)沒有結(jié)冰現(xiàn)象。

4. 結(jié)論

(1) Q235B、Q345B鋼板結(jié)疤產(chǎn)生原因：①多種原因?qū)е聫澰旅嫣幍某跎鳉ず穸炔痪鶆?；②扇形段的密排兩?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(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 改善Q235B、Q345B鋼板結(jié)疤的措施：①Q(mào)235B、Q345B成分設(shè)計時，控制w(C)＞0.16%，避免凝固時產(chǎn)生體積收縮；②提高結(jié)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(zhì)成分，降低結(jié)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(shè)備精度。

文章來源——金屬世界