大型角钢顶角开裂的原因分析和优化控制

李 阳

（1.唐山不锈钢有限责任公司，河北 063105；2.河北省镀锡基板技术创新中心，河北 063105）

0 引言

Q355B角钢属于低合金结构钢，其结构特点是断面为两边呈互相垂直的长条型材，分为等边角钢和不等边角钢。Q355B角钢具有很高的强度和良好的抗疲劳性能，具备良好的冷成型性能和焊接性能，同时兼备较好的抗腐蚀性能、塑性变形性能和一定的耐磨性能。因此，Q355B角钢被广泛地用于造船工程、桥梁工程、房屋建筑、输配电工程、高压容器、起重运输机械、机车车辆、各种钢结构等。Q355B角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件，也可作构件之间的连接件。

唐山某钢厂在组织试轧Q355B大型角钢时出现了批量的顶角开裂缺陷，为确定开裂原因，对角钢开裂部位取样进行了化学成分及显微组织检测，并对同炉次铸坯低倍组织行了取样检测。本文根据试样检测结果确定了大型角钢顶角开裂的原因，并提出了工艺优化控制措施。

1 生产工艺流程及顶角开裂情况

1.1 Q355B角钢生产工艺流程

该钢厂试轧Q355B大型角钢的生产工艺流程如下：120t转炉→120t LF炉→矩形坯连铸机（165mm×280 mm）→铸坯精整→中型轧机轧制→检验入库。矩形坯连铸机的主要工艺参数如表l所示。

表1 连铸机的基本参数

1.2 Q355B角钢顶角开裂情况

该钢厂试轧Q355B角钢的规格为∠180mm×180mm×12mm，累计投料量2500t，合格成品入库量2280t。此次试轧Q355B角钢出现了批量顶角开裂现象，开裂角钢重约220t，甩废处理比例为8.8%。图1为Q355B角钢顶角开裂的宏观照片。

图1 Q355B角钢顶角开裂形貌

2 Q355B角钢顶角开裂原因分析

2.1 开裂部位化学成分分析

对不同炉次Q355B角钢开裂部位取4块试样，使用光谱仪进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可以看出，开裂角钢的化学成分符合内控要求，因此可以断定Q355B角钢顶角开裂与化学成分无关。

表2 化学成分分析结果

2.2 开裂部位显微组织分析

对开裂部位横截面取样，并对试样打磨、抛光和浸蚀，用光学显微镜和能谱分析仪对角钢顶角裂纹进行分析研究[1]。顶角开裂样品的物理检测报告和能谱分析结果显示，裂纹底部较为圆滑，深度较浅，一般在0.2～0.5mm左右（见图2），脱碳不明显（见图3），未见颗粒较大的夹杂物（见图4），开裂位置未发现O、Fe、Mn以外的其他异常元素（见图5）。初步判断角钢开裂原因为铸坯可能存在较大中心缩孔、皮下气泡、或微裂纹等，遗传至轧钢工序造成的。

图2顶角开裂缺陷形貌

图3 顶角开裂显微组织

图4 顶角开裂夹杂物情况

图5 顶角开裂能谱分析

2.3 铸坯低倍组织分析

对发生角钢顶角开裂的同炉次铸坯取低倍样，铸坯低倍检测结果显示铸坯有不同程度的中心裂纹和皮下气泡缺陷（见图6），与前期生产的铸坯低倍质量相差较大。通过观察低倍组织发现，中间裂纹评级为1.5～2.5级，主要在柱状枝晶间存在裂纹，且多集中两侧，从而判断认为，中间裂纹是由于铸坯通过二冷区时冷却不均，内外弧与两侧冷却强度不匹配所导致；另外，由于目前低合金钢种的中包过热度控制偏高，部分炉次过热度超过45℃，温度回升大或鼓肚，内外弧大面产生应力，作用于正在凝固的固液界面也会造成中间裂纹。

图6 铸坯低倍组织

3 连铸生产工艺优化及效果

3.1 连铸生产工艺优化

3.1.1 连铸机精细对弧

连铸机辊子对弧精度准确与否直接关系着铸坯质量的好坏[2]，我们将线下对好足辊弧度的结晶器、对好辊子弧度的活动段吊到连铸平台，替换线上结晶器和活动段；把对弧样板从结晶器上口吊入连铸机，从上到下依次进行对弧，用塞尺检测辊面两端和样板的间隙，直到合格为止，对弧精度如表3所示。

表3 连铸机对弧精度要求

3.1.2 拉速和过热度控制

经过计算，以现有冷却制度，拉速每增加0.1m/min，连铸坯出二冷区的表面温度增加50～80℃，165mm×280mm断面铸坯稳定合适的拉速为1.2～1.4m/min。同时，要严格控制钢水过热度在15～30℃，避免铸坯温度回升过大或鼓肚的产生，根据过热度的高低，采用多次小幅调整拉速，每次调速不得超高0.1m/min，减小铸坯表面温度回升幅度。另外要确保铸坯进入拉矫机表面温度高于950℃，避免第3脆性区矫直时产生中间裂纹。

3.1.3 改善水质和加强喷嘴排查

连铸坯内热应力主要是因为连铸坯内温度场不均匀引起的[3]，所以我们建立日常水质检查机制，加强水质监测[4]，保证结晶器软水和二冷水水质达标。结晶器软水浊度、钙硬度、总硬度的达标率由92%提高到99%；二冷水悬浮物、PH值、总硬度达标率由87%提高到97%。另外，每次拉下时间＞2小时，检查二冷区喷嘴情况，及时清理和更换堵塞喷嘴，避免铸坯表面回温过快，降低连铸坯中间裂纹的产生几率。

3.1.4 调整二次冷却制度

连铸二次冷却的效果对铸坯内部质量有着很大的影响，也是连铸机能否顺利生产的一个重要环节[5]。该钢厂矩形坯连铸机二冷区分为足辊区、二冷1区、二冷2区、二冷3区共4个部分，二冷水量分配比分别为35%、28%、25%、12%，20%，内外弧水量分配与两侧面相同。Q355B钢种属于低合金结构钢，使用的二冷水比水量是0.9L/kg，连铸矫直温度在900～950℃，矫直温度偏低，应适当提高，所以我们将二冷水比水量降至0.75 L/kg，提高铸坯矫直温度，防止铸坯受矫直力作用而产生裂纹。另外，根据中间裂纹出现的情况，判断铸坯通过二冷区时冷却不均，内外弧与两侧冷却强度不匹配导致，我们将活动段两侧的喷嘴型号适当更改，降低两侧的喷水量。

3.2 改善效果

通过采取以上一系列的工艺优化措施，Q355B大型角钢产品质量得到明显改善，从低倍检测结果看（见图7），中间裂纹评级达到0.5～1.0级，从内部质量看可以满足中型轧机的轧制，Q355B大型角钢顶角开裂甩废比例由8.8%降低到1%以下。

图7 铸坯低倍组织

4 结语

通过对试轧Q355B角钢顶角开裂部位化学成分、显微组织以及同炉次铸坯低倍组织的检测和分析，明确了角钢顶角开裂产生的原因，通过一系列改进措施的实施，有效的改善了Q355B大型角钢产品的质量，并得出以下结论：

（1）连铸机辊子对弧精度的精细控制，合适的钢水过热度以及与之匹配的合适的铸机拉速，同时制定适当的二冷冷却制度，可以确保铸坯进入拉矫机表面温度高于950℃，有效避免第3脆性区矫直时产生中间裂纹。

（2）加强水质监测，保证结晶器软水和二冷水水质达标，定期排查并及时清理和更换二冷区堵塞喷嘴，避免铸坯表面回温过快及局部冷却不均等现象，从而降低连铸坯中间裂纹的产生。