热轧355 MPa高耐候H型钢卡钢原因分析

杜显彬，韩蕾蕾

（山钢股份莱芜分公司，山东莱芜 271104）

试验研究

热轧355 MPa高耐候H型钢卡钢原因分析

杜显彬，韩蕾蕾

（山钢股份莱芜分公司，山东莱芜 271104）

针对莱钢热轧355 MPa高耐候H型钢生产中出现的“卡钢”事故，对翼缘裂纹的部位取样进行金相分析，结果表明裂纹为轧制过程产生。变形抗力测定结果表明，该钢在1 000℃以下的变形抗力大，在此温度区间加工容易产生卡钢现象。通过优化加热温度、降低压缩比和轧速等工艺措施，解决了热轧高耐候H型钢轧制过程的卡钢问题，保证了生产顺行。

高耐候钢；热轧H型钢；卡钢；轧制温度

1 前言

热轧H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材。由于H型钢的各个部位均以直角排布，因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。耐候钢是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候性为普碳钢的2～8倍［1-2］，涂装性为普碳钢的1.5～10倍,经过特殊的表面锈层处理，耐候钢的使用范围和寿命大大提高［3］。高耐候型钢的耐腐蚀性为普通结构钢的10倍以上，是高等级地标性结构以及建筑的经济选择，高耐候热轧型钢能够克服高耐候材质钢板难以焊接的困难，同时避免焊接处应力集中，高耐候热轧型钢将会出现应用量的增长［4］。

型钢因其断面复杂，轧制过程易出现卡钢事故，尤其是轧制腹板宽度≥500 mm的大型H型钢。卡钢多发生在精轧阶段，影响生产的同时造成高质量钢坯判废，损失较大。山钢股份莱芜分公司腹板宽度为600 mm的热轧H型钢发生卡钢事故，轧件在轧机中停止，在轧制力的作用下，产生局部变形，扭曲甚至断裂。轧机电流负荷超过上限并自我保护，生产被迫中断。通过对轧废钢件观察，发现轧件头部翼缘严重的断裂缺陷，中部也有明显的翼缘开裂缺陷。为此对裂纹缺陷进行分析，查找卡钢的原因并提出了改进措施。

2 产品生产工艺及成分

热轧H型钢生产工艺流程：铁水预处理→顶底复吹转炉→LF精炼→异型坯连铸→堆垛缓冷→加热→除鳞→开坯→连轧→冷却→矫直→锯切。产品成分控制范围见表1。

表1 热轧H型钢化学成分（质量分数）%

冶炼中铌铁、硅、硅锰合金在转炉出钢过程加入，钢水进LF炉溶解氧含量为（45～70）×10-6，转炉终点碳控制在0.07%～0.09%，出钢时使用硅钙钡进行脱氧，LF精炼使用碳化钙、硅钙钡造渣脱氧，精炼完成后，钢中［O］均低于10×10-6。钢水在LF精炼末期使用小流量氩气搅拌约12 min，保证钢中夹杂物充分上浮。连铸过热度控制在25℃以内，以0.75～0.85 m/mnin的拉速连铸并采用二冷弱冷模式冷却，保证连铸坯质量。

加热炉均热段温度控制在1 230～1 250℃，加热时间控制在150 min。采用高压水除鳞，保证除鳞效果。粗轧轧速为2.0 m/s，轧件在轧机中往返轧制9道次，精轧轧件运行速度为3.0 m/s，轧件在轧机中往返5道次，第5道次采取大压下量（13%）。轧件在冷床空冷，并在120℃以下矫直后收集。

3 裂纹产生分析

将发生裂纹部位取样与连铸坯翼缘振痕对比，发现裂纹之间相互平行，与连铸坯振痕原始位置吻合，由此判断裂纹发生的原始点为振痕处。

对中间材不同部位分别进行取样，取样部位在图1左图中标注为OS上、OS下以及DS上、DS下的位置分别由横截面沿轧制方向取圆柱试样，同时避开中心疏松区以及表面激冷层，以致密部分作为检测单元，取样示意图见图1右图。加工成高温拉伸标准试样及动态CCT标准试样，并分别进行高温拉伸试验以及单道次压缩试验，分析裂纹以及卡钢现象发生原因。

图1 试验分析取样部位及取样位置示意图

在裂纹处切取小块试样，经研磨、抛光、酸蚀后，利用金相显微镜观察裂纹尖端的形貌及金相组织，见图2，裂纹深度约为3～4 mm，沿裂纹两侧仅有轻微脱碳层，无明显脱碳现象及氧化质点析出。裂纹尖端内部干净，无任何氧化铁皮，周围无组织异常长大现象，表明此裂纹为轧制过程产生［4］。

图2 高耐候H型钢裂纹金相形貌

在轧材上取高温拉伸标准试验试样，以10℃/s速度升温至1 200℃，保温3 min，然后以1.5℃/s速率冷却至700、750、800、850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200、1 250、1 300、1 350℃，分别进行拉伸试验，结果见图3。

图3 高耐候H型钢高温塑性试验

从图3中可以看出，在试验温度范围内，高耐候H型钢断面收缩率在60%以下的温度区间为700～1 040℃，1 320～1 350℃；在60%～80%的温度区间为1 040～1 090℃以及1 220～1 320℃；断面收缩率保持在80%以上的温度区间为1 090～1 220℃。因此，该钢种的脆性区温度范围为700～1 050℃。高耐候H型钢因其成分设计要求以及性能设计的需要，其中加入大量的微合金元素Nb、V以及Cr、Ni、Cu等耐腐蚀元素，这些元素的碳氮化物或者其本身在奥氏体晶界析出，造成材料晶界脆化［5］。因此，在低于1 050℃的温度进行轧制时发生裂纹的概率也高。可以证明，卡钢过程轧件翼缘顶端与轧辊接触面产生的与振痕位置吻合的裂纹是因为在低温状态下，轧件受到机械力而导致薄弱部位开裂。

4 变形抗力测定

高温变形的应力—应变曲线有动态回复和动态再结晶两种形式，这是高温变形过程中的材料加工硬化和动态软化两种机制共同作用的结果［7-9］，材料变形抗力的测定能够指导热加工工艺。为此，在轧材上取圆柱单向单道次压缩标准试验试样，从普通低合金钢Q345B型钢上取样，制成标准压缩试样，以1.0 s-1变形速率（真应变0.8）并与卡钢产品相同试验参数结果进行对比，见图4。高耐候H型钢在900℃和950℃的变形抗力较普通低合金类产品高出30～40 MPa。这与钢中合金元素较多关系较大，第二相元素Nb、V的钉扎晶界，阻止位错以及晶界在变形中的移动，导致了高耐候型钢变形抗力较大。因此，轧制变形抗力较高是该产品卡钢的主要原因。为此，采用高于1 050℃的轧制温度以及较低的轧制速度是保证顺利轧制的有效措施。

图4 低合金钢Q345B与高耐候H型钢变形抗力对比

为确定具体轧制温度，分别对该材料在不同温度、不同应变速率下的变形抗力进行测定，在轧材上取圆柱单向单道次压缩标准试验试样，以5℃/s速度升温至1 200℃，保温5 min，然后以5℃/s速率分别冷却至1 150、1 100、1 050、1 000、950、850℃，保温10 s（消除温度梯度），再以0.1、1.0、10 s-1的变形速率压缩至真应变0.5，绘制不同变形速率下的应力—应变曲线，见图5。

变形速率越大，对应的变形抗力越大；变形温度越低，对应的变形抗力增加越快。在850℃变形时，3种变形速率再结晶趋势均不明显，材料没有明显的软化趋势。应变速率为0.1 s-1时，在1 000℃以上有再结晶出现（见图5a）；应变速率为1 s-1时，在1 150℃温度有不明显再结晶趋势出现（见图5b）；应变速率为10 s-1时，在所有试验温度均无再结晶现象发生（见图5c）。可以发现，应变速率越大，需要再结晶的温度越高，这与材料性质相关［10］。850℃变形，0.1 s-1的变形抗力为190 MPa，1.0 s-1的最大变形抗力为240 MPa，10 s-1的最大变形抗力为260 MPa，变形速率的最大变形抗力逐级增加20 MPa；950℃变形，3种变形速率最大变形抗力逐级增加30 MPa；1 000℃变形，0.1 s-1、1.0 s-1变形速率最大变形抗力增加30 MPa左右，10 s-1的较1.0 s-1速率变形抗力增加50 MPa左右。1 050℃、1 100℃变形，3种变形速率的最大变形抗力逐级增加20 MPa左右。因此，低温阶段轧制的应变速率不宜过大。在轧制过程中，提高轧制温度至1 040℃以上，在精轧阶段降低轧速20%。高温慢轧措施有效缓解了卡钢现象的发生。通过进一步优化轧制温度及轧制速度，轧件表面质量良好，卡钢现象从40%至完全消失。

图5 不同应变速率下高耐候H型钢的应力—应变曲线

5 结语

热轧355 MPa级高耐候H型钢卡钢产品翼缘顶部产生的裂纹缺陷为振痕在脆性区由于轧制力的作用而造成的加工缺陷。700～1 040℃是材料的脆性区，在此温度区间加工容易产生产品缺陷和卡钢现象。1 000℃之下的变形抗力较普通低合金产品Q345B变形抗力大，容易产生卡钢。在轧制过程中提高轧制温度至1 050℃以上，降低压缩比和轧速是缓解加工硬化和防止卡钢的有效手段。

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Cause Analysis of Steel-heaping Accident of 355 MPa Hot-rolled High Atmospheric Corrosion Resisting H-beam

DU Xianbin,HAN Leilei
（Laiwu Branch of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The reasons of steel-heaping accident for hot rolled high atmospheric corrosion resisting H section of 355 MPa during rolling were analyzed by metallographic examination of crack from flange in this article.The result shows that the crack produced during rolling.Deformation resistance test results indicate that the deformation resistance is larger when rolling temperature less than 1 000℃,in which the steel-heaping can be induced.The problem had been solved and ensured the production by optimizing reheating temperature,reducing compression ratio and rolling speed so that ease the strain hardening and reduce the deformation resistance.

high atmospheric corrosion resisting;hot rolled H section;steel-heaping accident;rolling temperature

TG335.4；TG142.1

A

1004-4620（2017）01-0038-03

2016-12-22

杜显彬，男，1964年生，1988年毕业于北京科技大学材料工程专业，硕士。现为山钢股份莱芜分公司技术中心副主任，高级工程师，从事新产品开发及科研创新工作。