熱軋H 型鋼翼緣邊裂成因分析

邵永紅，崔新華

（福建鼎盛鋼鐵有限公司，福建福鼎355200）

某鋼廠型鋼生產線連續5 天生產過程中，每次都在開澆爐的前幾支熱送后，在型鋼軋制時出現邊部裂紋缺陷，被迫報廢處理,造成了一定的經濟損失。該鋼廠生產工藝流程為：廢鋼→電爐→精煉→方坯連鑄→熱送→加熱爐→軋制成材。邊裂缺陷出現在H300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm 產品規格中，主要鋼種為Q235B，該規格H 型鋼采用350 mm×230 mm 連鑄坯軋制而成，其化學成分控制標準見表1。

表1 Q235B 熱軋H 型鋼化學成分控制標準（質量分數）（%）

為了降低及杜絕裂邊產品質量問題再次發生，控制質量缺陷，筆者對型鋼出現邊裂缺陷的部分取樣并進行了檢驗分析,對連鑄生產過程進行跟蹤，檢查了中間包砌筑及烘烤情況，觀察開澆生產過程并將每次開澆的第一只鋼坯下線檢查其表面質量。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

1.1.1 型鋼邊部裂紋宏觀檢驗

熱軋H 型鋼翼緣開裂缺陷是指熱軋H 型鋼翼緣邊部沿軋制方向出現的基體破裂，如圖1 所示。裂紋主要分布在H 型鋼翼緣兩側邊部，分布并不規則，開口大小不一，邊緣部分粗糙且裂口方向沒有規律；有些裂紋沿著軋制方向伸長，間斷不連續，整支H型鋼的翼緣都有裂紋。

圖1 H 型鋼邊部長裂紋形貌圖

1.1.2 鑄坯端面檢查

由于熱送軋制時出現幾只邊裂，將每次開澆的每流第一只鑄坯下線檢查，發現鑄坯的端部有明顯的表面氣孔，如圖2 所示。

圖2 鑄坯端面形貌圖

1.1.3 鑄坯低倍檢驗

為了繼續驗證連鑄坯內部缺陷，首先將鋼坯斷面鋸切并用銑床加工，然后采用熱酸浸蝕，對坯樣進行清洗后，觀察檢驗其低倍組織，結果如圖3 所示。圖（a）低倍組織出現了三角區裂紋，圖（b）存在皮下氣泡、角裂等缺陷。

圖3 鑄坯低倍組織檢驗結果圖

鑄坯送到加熱爐內加熱后，其表面氣泡及角部裂紋的間隙在空氣中逐步被氧化，由于表面氧化物在軋制過程中無法軋合，不斷拉伸變形導致了H 型鋼邊部產生裂紋，形成邊裂缺陷。

1.2 顯微組織分析

為更好地研究分析型鋼裂紋產生的具體原因，對型鋼邊裂缺陷部位取樣進行高倍組織分析。試樣的裂紋沿樣板上部斜向下延伸，裂紋內部有夾雜物，裂紋兩側均有明顯的氧化、脫碳現象；鋼材基體高倍組織形狀是鐵素體和珠光體，晶粒較細，晶粒度約為8 級，如圖4 所示。

圖4 金相組織及裂紋形貌圖

翼緣開裂缺陷均因鑄坯的缺陷在加熱爐中被氧化，再經軋制被暴露和擴展形成，而裂紋周圍聚集分布的氧化夾雜無法軋合，促進了裂紋的進一步擴張。

1.3 化學成分分析

從邊裂缺陷的樣板上取樣進行光譜化學成分分析，結果見表2。鋼坯樣熔煉成分可以看出，成分正常且全部符合Q235B 熱軋H 型鋼的標準成分范圍。

表2 化學成分分析數據（質量分數）（%）

2 鑄坯表面氣泡分析

2.1 鑄坯表面氣泡形成原因

方坯連鑄生產過程中，鋼液含有各種氣體，凝固過程氣體分壓大于大氣壓和鋼水靜壓力之和時，就會有氣泡產生，如果這些氣泡聚集長大或者在鋼水凝固時不能溢出揮發就會成為氣泡缺陷。連鑄坯氣泡缺陷的形成與中間包砌筑及烘烤、鋼水過熱度、脫氧程度、鋼水二次氧化等均有一定關系。

2.2 鋼水過熱度

氣泡形成的動力學可由如下公式表示：

氣泡半徑r 與兩相區寬度（x1-x2）成正比例關系。當鋼液的過熱度大時兩相區的溫度梯度增大，寬度減小，則有利于柱狀晶的生長。由于兩相區寬度（x1-x2）減小，氣泡半徑減小不易上浮排除，殘留在鋼中形成氣泡。

式中：r—氣泡半徑，μm

β—凝固收縮系數，αV

η—鋼液粘度，mPa·s

R—樹枝晶生長速度，μm/s

x1-x2—兩相之間的寬度，μm

ρ—鋼液密度，g/cm3

H—鋼液面高度，mm

δ—鋼液表面張力，N/m

Pg—凝固前沿母液中富集氣體的平衡分壓，Pa

降低鋼水過熱度，在接近液相線合適溫度區間進行鋼水澆注，可增加兩相區寬度（x1-x2），使氣泡半徑增大，促進鋼液中氣體上浮，減少鑄坯氣泡的出現。研究表明鋼水過熱度在30 ℃以上時，鋼坯出現氣泡的幾率比合適過熱度條件下高出3～4 倍。

實際生產的第一爐上鋼溫度、中包溫度與過熱度見表3。

表3 連鑄上鋼溫度、中包溫度與過熱度

由上表可以看出，開澆第一爐的溫度都偏高，過熱度超出標準范圍較多。較高的過熱度會造成鋼液氧、氫氣體含量升高，尤其是剛開澆時，中間包溫度更是大大高出要求范圍，而且中間包內沒有完全被覆蓋劑覆蓋，保護澆鑄尚未到位，造成大面積與空氣接觸，二次氧化吸氣嚴重，所以高溫也是造成氣體含量高的原因。

2.3 脫氧程度

當鋼水脫氧不良時，鋼液中氧含量會較高，澆注降溫過程會發生碳氧反應，生成CO 氣體，部分CO氣泡長大后,在浮力的作用下向上運動，同時氣液界面持續碳氧反應,并吸附所遇到的雜質和其它氣泡，最后從鋼水中逸出或被凝固界面捕獲留在連鑄坯中，一部分氣泡不運動，附著在原枝晶間，成為連鑄坯“針孔”或皮下氣泡。

該廠連鑄生產的鋼種全部經過精煉爐處理，而且精煉時間都能夠保證，過程白渣良好成分正常，精煉渣樣TFe含量＜0.5%，所以鋼水脫氧程度沒有問題，不是鋼坯氣泡形成的原因。

2.4 二次氧化

中間包烘烤后開澆前，會有溫降吸氣現象，如果不采取措施，很可能造成開澆鋼水接觸空氣二次氧化現象。為了降低二次氧化風險，一般都需要向中間包內吹入氬氣，進行氣體置換，減少中間包氧含量。前期煉鋼廠對方坯連鑄不重視，沒有采取相應措施，連續出現開澆頭坯氣泡后，也采取了氣體置換措施，和其他措施共同實施后，杜絕鑄坯氣孔的再次出現。

如圖5 所示，在中間包烘烤結束后，將通有氬氣的鋼管放置到中間包蓋的上部三個孔內，向中間包內部吹氬氣，把中間包內部的熱空氣置換出來，直到大包開澆液面上漲并被中間包保護渣覆蓋后，將鋼管撤掉，停止向中間包內吹氬氣。

圖5 中間包氣體置換現場圖

2.5 中間包砌筑與烘烤

通過檢查中間包烘烤記錄，連鑄車間嚴格執行中間包砌筑廠家提供的烘烤曲線及時間，烘烤溫度達到1 000 ℃以上，但是在開澆后中間包外部鋼殼排氣孔洞處仍存在滴水（見圖6）、冒氣現象，下線的第一只坯的頭部仍然有表面氣孔。

圖6 中間包氣孔滴水情況現場圖

進一步檢查發現，中間包干式料現場擺放雜亂無章，無防潮、防濕措施，抽樣檢查過程中同時發現中間包干式料有水分超標現象；另外中間包干式料和耐火泥都存在超期使用的情況。

中間包耐火材料含有水分烘烤不良時，在澆鑄的前一階段（主要是開澆爐的頭幾只坯），水蒸氣會進入鋼中變成[H]、[O]原子，若形成氣泡，其化學成分應該是以CO（一般鋼種的方坯不加鋁合金脫氧）和H2為主。其的特點是，只有澆次的頭一爐的前幾支坯出現氣泡，越到后面氣泡越少。一些鋼廠的連鑄坯，經常出現坯頭氣泡，這是原因之一。

3 改進措施與效果

為避免H 型鋼邊裂質量問題，需要提高坯料的內部質量，杜絕鋼坯表面氣泡等缺陷，降低質量事故的發生。筆者對鋼廠的生產工藝流程進行了以下優化改進。

（1）對精煉爐提出造白渣操作，開澆爐鋼水氧含量控制在20×10-6左右，嚴格執行操作規程。

（2）控制中間包鋼水過熱度在20～30 ℃范圍，使氣泡上浮具有良好的動力學條件。

（3）開澆前向中間包吹氬氣，進行氣體置換，減少鋼水與空氣的接觸出現的二次氧化現象。

（4）嚴格執行中間包的管理制度及中間包砌筑工藝要求，要保證中間包耐火材料的質量，注意生產日期及做好防潮、防濕措施，超期的澆注料或者干式料不能繼續使用。

（5）為了避免澆注料吸收空氣中的水分，在每次中間包打結干式料前，首先對中間包永久層進行烘烤，保證干燥不潮濕。

（6）嚴格按照中間包線下、線上烘烤制度進行烘烤，保證中間包的烘烤達到合適的時間和溫度，確保內部的水分排除干凈。

（7）嚴格執行中間包確認制，中間包排氣孔堵塞時，必須及時處理干凈，保持排氣暢通。

在以上措施施行后，鑄坯檢測質量有了明顯提高，鑄坯沒有出現氣泡問題，未再出現H 型鋼軋制邊裂缺陷。圖7 是采取措施后生產的型鋼，表面質量良好，判定為合格產品。

圖7 型鋼表面形貌圖

4 結語

（1）方坯連鑄澆注過程中鑄坯存在角部裂紋、表面氣泡等缺陷，是導致該廠H 型鋼軋制時出現邊部裂紋缺陷的主要原因。

（2）通過完善中間包砌筑烘烤制度，精煉深脫氧、中間包氣體置換及采取合適的連鑄鋼水過熱度等改進措施，有效減少連鑄坯表面氣泡缺陷，H 型鋼邊部裂紋缺陷得到有效控制。