异形坯生产S450J0V钢桩钢表面质量控制与改善

张年华　李亮　渠松涛

摘 要：采用异形坯生产S450J0V钢桩钢过程中，铸坯表面出现腹板裂纹、R角裂纹、以及腿部横裂纹，导致铸坯废次。通过提升钢水纯净度、优化结晶器水及二冷水，提升拉速等措施控制裂纹，铸坯表面质量取得明显改善。

关键词：S450J0V；异形坯；表面裂纹；改善

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.001

H型钢桩在生产时采用一次轧制而成，较钢管桩在成本上便宜40%左右，同时具有易于拼接、可采用两面焊接等特点，既可以提高接头施工效率，又可以保证接头强度与桩身强度接近，实际应用中具有沉桩灌入能力强、挤土量小、易拼接等优点，可用于各种地质复杂、岩面起伏大、混凝土桩难以施打的地基中[1]，目前H型钢桩在美国、日本、新加坡及国内的香港、上海等软土层较厚的地区得到了大量应用。日照钢铁2014年引入异形坯后，不断拓展新品种，通过技术人员与生产单位的共同努力，成功开发出钢桩钢S450J0V。在开发过程中遇到性能不合、R角裂纹、腹板裂纹、腿部横裂纹诸多问题，通过反复的试验，跟踪生产并分析总结最终获得了较为成熟的生产工艺流程。

1 生产工艺控制

1.1 工艺流程

炼钢按照混铁炉→转炉冶炼→LF精炼→异形坯连铸机→下线码垛。为了保证钢水的纯净度，精炼严格控制钢水氧含量，采用延长精炼软吹时间，全程保护浇注等措施。针对存在质量问题铸坯采用修磨处理，严重者切废处理。

1.2 化学成分控制

S450J0V钢桩钢对于机械性能的要求以及日钢异形坯的轧制设备与技术共同决定了化学成分设计，为了保证型材的品质，采用氮化钒铁与钒铁混合的方式，钢中氮含量控制在110ppm左右，P+S≤0.030%。实际化学成分控制如下表所示：

1.3 关键工艺控制

转炉采用点吹1次出钢，控制出钢P含量≤0.020%；精炼炉精炼时间≥35min，软吹时间≥10min，精炼渣碱度2.3≤R≤2.8，白渣时间≥10min；连铸机采用3流3机BB3断面异形坯，全程保护浇铸，结晶器冷却水量：1190/675，进水温度30-35℃；二冷水采用“弱冷”模式，中包过热度20-35℃，拉速控制在1m±0.05m/min，保护渣使用ST-SP/BM-BB3。

2 异形坯表面质量缺陷及原因分析

2.1 异形坯R角纵裂纹

通过观察连铸坯R角裂纹缺陷部分，可以看到R角裂纹周围存在轻微凹陷。R角裂纹主要出现在BB3断面生产过程中，BB1断面所产铸坯R角裂纹较少，但是由于BB1断面生产铸坯腹板裂纹较多，且在轧制过程中无法弥合。因此在实际生产中更多采用BB3断面生产S450J0V。将裂纹部分取样酸洗后切片，R角裂纹如图1所示：

表面R角裂纹产生的原因主要是保护渣性能不良和冷却水配比不当等。保护渣主要是防止钢液二次氧化和在振动过程中起润滑作用，但它又是钢液夹杂来源之一，因此选择合适的保护渣显得尤为重要。异形坯所用保护渣与一般方坯用保护渣相比黏度稍高些，以便能均匀地流入铸坯的各个冷却面，起到良好的润滑和传热作用，若结晶器内保护渣润滑效果不好，渣膜厚度不均匀，会导致铸坯冷却不均匀，渣膜较厚的地方坯壳薄，强度较差，容易产生裂纹。

2.2 异形坯腹板纵裂纹

造成异形坯腹板裂纹的原因主要有：

（1）异形坯形状特殊，与普通板坯相比受力更加复杂（如下图2所示），其最大区别在于：a、腹板坯壳收缩受翼缘 （ 结晶器凸出部分） 的牵制，形成额外的应力，而板坯宽面坯壳自由收缩；b、翼缘的变形使得腹板与结晶器壁之间的摩擦力增加，造成腹板坯壳冷却收缩所产生的应力更大；c、在结晶器下部和二次冷却区，翼缘的收缩变形使腹板表面裂纹扩展趋势增大。

（2）表面温度梯度对腹板裂纹的影响异形坯断面形状不规则，很难实现均匀冷却，表现在铸坯上是表面温度梯度大，现场实测表明腹板温度比其他部位低 120 ～ 240 ℃，且腹板处于低温脆性区，裂纹敏感性强。BB1断面较BB3断面腹板薄20mm，生产实际检验中显示，腹板裂纹数量明显较多。

（3）应力集中對腹板裂纹的影响温度的不均匀造成应力分布不均匀，且异形坯表面受力多维，异形坯 表面应力分布更加复杂。通过有限元分析法模拟温度场和应力场，结果显示应力集中于腹板部位，是其他部位的10倍以上（上图3所示）。腹板部位应力集中，增加了裂纹的出现概率 。

2.3 异形坯腿部横裂纹

在采用BB3断面生产S450J0V时个别浇次铸坯表面出现严重的横裂纹（如下图4、图5所示）。铸坯翼R角以上靠近翼缘的部位有翼板横向开裂，裂纹无确定起始位置，火焰吹扫掉氧化铁皮后隐约可见。长度20-100mm左右，深度不等，有的不开口，有的开口很大在振痕的波谷处，多发生在内弧，两侧翼缘发生概率基本一样，外弧几乎没有，裂纹深度达4mm以上，几乎达到深不见底的情况。此铸坯在轧制后出现严重的腿部结疤，从轧钢退出的半成品铸坯可以看到，经过粗轧机BD1一个道次后，腿部横裂纹加深加宽加长。横裂纹的产生原因具体有以下几个方面：

（1）铸坯轿直温度较低，异形坯在进入拉矫机前表面温度较低，由于异形坯的特殊性，翼缘散热较快而腹板散热较慢在拉矫机入口第一矫直点前测量连铸坯的表面温度，异形坯在矫直区温度分布很不均匀[3]，表面温度从翼缘顶端、R角、腹板等位置温度差异跨度200℃左右，翼缘端部到R角温差较大，翼缘矫直温度较低，矫直度处于第三脆性区，铸坯内弧在张力作用易下产生裂纹。

（2）化学成分影响，该钢含有一定量的V、N等元素，由于本钢种对于机械性能的要求，钢中N含量往往超过100ppm。铸坯冷却过程中，氮化物在晶界析出导致降低钢的热塑性，促进异形坯表面横裂纹的发生；在晶界的析出物越细小，析出物体积百分比越高对钢种的热塑性恶化越严重[4]，N对横裂纹敏感性的影响会因钢种合金元素的不同而不同，但最大限度地减少氮含量可减少横裂纹的发生。endprint

3 改进措施

S450J0V的V目标值控制在0.11%，氮化钒铁的加入量在实际生产中不断的摸索试验，采用BB3断面时，分别试验过使用1.2kg/t—2kg/t，力学实验结果显示，氮化钒铁在1.4kg/t可以满足机械性能要求，此时钢中氮含量110ppm左右。此时氮化物在冷却过程中极易析出，造成矫直横裂纹，因此需要提高对铸坯矫直温度的控制。BB3断面R角裂纹多少取决于保护渣性能。因此控制措施主要从以下几个方面：

3.1 保护渣调整

日钢在生产S450J0V过程中，主要使用斯多伯格保护渣，经过研究对比使用，目前使用的斯多伯格ST-SP/BM-BB3在BB3断面上应用较为广泛。

实际生产中铸坯检验结果显示，改进型保护渣ST-SP/BM-BB3对异形坯表面质量改善作用较好，能够保证铸坯质量R角裂纹可控。

3.2 连铸拉速控制

连铸坯矫直区温度除了受到冷却制度的直接影响外，异形坯连铸拉速也起到重要影响。提高拉速，虽然不影响直接冷却强度，但二冷区停留时间变短，实际出坯温度明显升高。BB3断面拉速在0.7m/min与1.0m/min时矫直区温度相差100℃以上。经过不断实践，结合日钢生产节奏，采用BB3断面生产S450J0V时拉速控制在1.0±0.05m/min。

3.3 冷却制度改善

生产异形坯品种钢采用尽可能弱的一冷与二冷可以改善裂纹，通过对某先进钢企品种钢生产的交流与学习，发现日钢设备原设计冷却强度过大，腹板部位冷却过强，铸坯在出二冷段后回热，热应力再次集中，容易导致裂纹在二冷区扩展，使裂纹在深度和宽度上得以延伸，有些皮下裂纹甚至会发展为表面裂纹。根据避开温度脆性区的原则，通过实测铸坯温度，结合日钢生产的实际情况，将BB3断面一冷水调整为1190/675，二冷水采用弱冷，比水量0.55L/kg。使铸坯腿部裂纹敏感区在二次冷却过后温度达到900℃，通过图6可以看出，提高铸坯表面温度一定程度的避开了低温脆性区，有效少缓横裂纹产生。

4 改善效果

通过实施以上的改进措施，BB3断面异形坯生产S450J0V时铸坯表面质量取得较大进步，目前铸坯表面仅有少量R角裂纹与腹板裂纹，通过修磨处理，能够满足轧钢生产要求。

5 结论

（1）化学成分稳定的前提下，氮化钒铁加入量控制在1.4kg/t可以满足客戶对机械性能要求，又可以最大限度控制氮化物的析出，型材氮含量110ppm左右。

（2）采用改进后的保护渣斯多伯格ST-SP/BM-BB3可以有效降低铸坯R角裂纹的产生。

（3）拉速控制在1.0±0.05m/min，冷却制度采用弱冷却，有助于提高铸坯矫直区温度，使铸坯在矫直过程中减少横裂纹的产生。

综上几种措施，异形坯生产S450J0V铸坯裂纹率的到有效控制，铸坯表面质量取得极大改善。

参考文献：

[1]陈林.H型钢桩与桩承台连接性能研究[D].长沙.湖南大学，2010.

[2]吕铭.大规格异形坯腹板裂纹的研究和控制[J].钢铁，2010（07）：

45.

[3]史超.异形坯生产耐候钢表面横裂纹的控制与改善[J].包钢科技，2016（02）：46.

[4]吴薇.化学成分对连铸板坯横裂纹形成的影响[J].上海金属，2004

（01）：50.endprint