Q420矩形坯角橫裂原因分析及控制措施

張龍龍

（常熟市龍騰特種鋼有限公司，江蘇 蘇州 215511）

大規(guī)格電力角鋼廣泛應(yīng)用在特高壓輸電工程中，普通的Q235等牌號已經(jīng)不能滿足鐵塔大型化使用要求，逐步被Q420級角鋼代替。根據(jù)國標(biāo)GB/T1591-2008低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼以及冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T4163-2007鐵塔用熱軋角鋼中要求，Q420C主要力學(xué)性能要求屈服強度≥420Mpa，抗拉強度520Mpa～680Mpa，0℃沖擊功≥34J[1]。

2019年5月份以來，連鑄生產(chǎn)大規(guī)格電力角鋼Q420鑄坯表面角橫裂缺陷，導(dǎo)致型鋼軋制表面開裂。鑄坯經(jīng)火焰精整，發(fā)現(xiàn)鑄坯內(nèi)弧角部存在裂紋，缺陷發(fā)生率60%。

圖1 鑄坯內(nèi)弧角的裂紋圖

1 概況

1.1 生產(chǎn)工藝流程

Q420大規(guī)格電力角鋼生產(chǎn)工藝流程是鐵水→電爐→LF精煉爐→矩形坯連鑄機→加熱爐加熱→軋制。

電爐出鋼使用釩氮合金微合金化，鋼包精煉爐造白渣，三機三流連鑄機生產(chǎn)220*380規(guī)格鑄坯，連鑄采用全保護澆注[2,3]。

1.2 鋼種成分設(shè)計

如表1所示。

表1 Q420C元素成分

2 角部橫裂紋產(chǎn)生原因

2.1 化學(xué)成分

為滿足角鋼強度要求，成分設(shè)計采用釩氮合金微合金化。鋼中N控制在80ppm～120ppm，氮在增加強度的同時也使鑄坯裂紋敏感性增加，通常氣體N>80ppm鋼有開裂傾向。

2.2 矯直溫度

圖2 Q420鋼熱塑性曲線

趙斌、崔懷舟等人在熱模擬機上對Q420鑄坯試樣進行高溫拉伸測試，在1250℃～1050℃范圍內(nèi)鑄坯塑性＞60%。溫度降低Ra降低，在800攝氏度時達到最小值。

研究表明，鋼的熔點到600℃存在3個溫度區(qū)，900℃～600℃為第三脆性區(qū)。鑄坯在該溫度區(qū)間矯直，鑄坯裂紋敏感性增加。

2.3 拉速

表2 不同拉速情況下的矯直溫度

現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中，測定不同拉速狀態(tài)下鑄坯矯直溫度，隨拉速提升，矯直溫度由900提高到950。盡管拉速0.70m/min，但是鑄坯矯直溫度仍然處于第三脆性區(qū)間，導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生矯直裂紋。

2.4 AlN影響

為保證材料強度，成分設(shè)計時采用釩氮合金微合金化，氣體N含量高，與鋼種Al結(jié)合，形成的碳氮化物隨著鋼液凝固過程中，AlN隨著溫度降低而析出。不同溫度下AlN熱穩(wěn)定性隨著鋼水N含量升高而降低。連鑄坯矯直過程中正好處于鋼的第二脆性區(qū)，Q420C塑性較差。在外力作用的情況下，導(dǎo)致晶界斷裂，進一步降低鋼的熱塑性，使得鋼基體產(chǎn)生開裂傾向。

2.5 冷卻強度

目前連鑄機二冷采用氣霧冷卻，四個冷卻區(qū)分別是足輥區(qū)，一到三區(qū)。二冷比水量0.50L/kg，冷卻強度較大導(dǎo)致鑄坯表面溫度低特別是角部位置，有明顯發(fā)黑。鑄坯溫度低于900℃進行矯直，較易產(chǎn)生裂紋。

2.6 振動參數(shù)

連鑄機振動機構(gòu)采用連桿式正弦振動，振動頻率110次/min生產(chǎn)鑄坯檢查表面振痕深度較深。較深的振痕導(dǎo)致應(yīng)力集中，在振痕底部產(chǎn)生裂紋源，在矯直過程中裂紋擴展[4]。

3 控制措施

3.1 電爐工序優(yōu)化

選用優(yōu)質(zhì)鐵水+清潔廢鋼入爐冶煉，電爐終點成分控制C：0.08%～0.10%，P≤0.020%，S≤0.015%。脫氧劑使用鋁塊脫氧，合金加料順序按照脫氧劑-合金-石灰方式。采用硅錳+部分硅鐵脫氧合金化。

3.2 LF精煉優(yōu)化

精煉過程造高堿度還原渣，CaO%55%～60%，SiO2%5%～8%，白渣保持時間＞15min。石灰分批加入，螢石視渣況酌情加，終渣堿度R：6～8，F(xiàn)eO+MnO%≤0.50%。精煉過程全程控制底吹氬，出鋼前采用硅鈣線進行鈣處理，鈣處理結(jié)束后開始軟攪拌，軟攪拌時間＞10min。渣面加鋼包覆蓋劑+碳化稻殼覆蓋保溫，氬氣攪拌強度以渣面微動為宜，防止鋼水二次氧化。

3.3 連鑄拉速調(diào)整

表3 不同規(guī)格拉速調(diào)整

表4 220*380規(guī)格矯直溫度測量結(jié)果

表5 200*310規(guī)格矯直溫度測量結(jié)果

不同拉速條件下，鑄坯矯直溫度如上表所示，在確保鑄坯出結(jié)晶器坯殼厚度的情況下，拉速由原來0.70逐步調(diào)整至0.93，通過提高拉速，220*380規(guī)格鑄坯在矯直區(qū)矯直溫度由原來的945℃提高到981℃以上。200*310規(guī)格鑄坯角部矯直溫度從993℃提高至1015℃。

3.4 氣體N含量調(diào)整優(yōu)化

表6 全部使用釩氮合金成品N含量（平均N：113.9ppm）

表7 使用釩鐵替代部分釩氮合金成品N含量（平均N：96.5ppm）

為控制鋼中氣體N含量，在保證強度的前提下，適當(dāng)降低N含量。原來合金化全部使用釩氮合金，經(jīng)軋材取樣分析N含量平均114ppm，最高125ppm。調(diào)整合金化方式，出鋼使用釩氮合金，鋼水在精煉爐使用釩鐵替代部分釩氮合金，鋼中N由原來110降至90。通過后續(xù)軋材強度測試，氮含量90能夠滿足強度要求。

3.5 成品Als優(yōu)化調(diào)整

圖3 11月份Q420C鋼種Als的箱線圖

鋼中AlN析出，一方面降低氣體N含量，用釩鐵代替部分釩氮合金。同時對鋼中成品Al含量按中下限進行控制。內(nèi)控成分要求Al≥0.015%，成本Al按照0.020%左右控制。

3.6 連鑄二次冷卻優(yōu)化

連鑄澆注過程中噴淋冷卻均勻性對鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要，噴嘴確保無異物堵塞，噴淋對中良好，確保鑄坯冷卻均勻，有效避免明顯的角部過冷的情況。

表8 噴淋對中情況（220*380）活動段側(cè)弧噴嘴安裝位置

在保證噴淋均勻的同時，降低冷卻強度，二冷比水量由0.50（強冷）改為0.25（弱冷），調(diào)整噴嘴安裝位置使內(nèi)外弧對中，冷卻更加均勻。整個二冷室鑄坯冷卻狀態(tài)良好，角部沒有明顯發(fā)黑的情況發(fā)生。

3.7 連鑄振動參數(shù)調(diào)整

結(jié)晶器內(nèi)連鑄初生坯殼厚度不均，振痕不規(guī)律，在振痕波谷位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為鑄坯的裂紋源。結(jié)晶器采用高頻小振幅可以有效降低表面橫裂紋的產(chǎn)生。使用高頻振動，振動頻率由110次/min提高至166次/min。結(jié)晶器振動機構(gòu)采用連桿式正弦方式，固定式振幅±4.97mm、±3.8mm可調(diào)，所以后續(xù)調(diào)整采用3.8mm振幅。

4 效果

4.1 低倍質(zhì)量

圖4 連鑄坯低倍切片

表9 連鑄低倍評級

連鑄坯取低倍切片，經(jīng)熱酸洗檢查鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，縮孔0.5級，未見其他缺陷。

4.2 表面質(zhì)量

鑄坯角部經(jīng)過剝皮檢查，基本消除橫裂紋缺陷。

表10 成材力學(xué)性能數(shù)據(jù)

成材上取樣做力學(xué)性能試驗，性能（屈服強度、抗拉強度）滿足使用要求。

成材表面質(zhì)量經(jīng)跟蹤軋制，解決軋后表面開裂現(xiàn)象。

5 小結(jié)

通過調(diào)整微合金化方式，控制鋼中Al含量＜0.020%，N含量80ppm～90ppm，同時采用高拉速高振頻弱冷配水，使大規(guī)格電力角鋼合格率由60%提高到98%。