HRB400E热轧带肋钢筋冷弯裂纹原因分析

王建新

（宝钢集团八钢公司制造管理部）

1 前言

随着建筑逐渐朝着高层化、大型化方向发展,对建筑材料尤其是建筑钢筋提出了更高的技术要求。HRB400E抗震钢筋是目前国内最常用的热轧带肋钢筋，在高层建筑、桥梁、铁道、港口、水电等重大基础设施的钢筋混凝土中得到了广泛应用。八钢自主研发的HRB400E热轧带肋抗震钢筋，已经供应疆内外建筑市场，得到市场广泛认可。但是近期生产的一批Ф28mm的HRB400E被检测出冷弯裂纹-冷弯不合格，为找出原因，对此批钢筋的生产情况及工艺进行了调查，并对不合格钢筋裂纹进行了化学成分分析、金相检验和夹杂物分析。

2 HRB400E生产工艺简述

生产HRB400E的工艺流程：40t转炉→钢包底吹氩→方坯连铸机→棒材机组→检验→标识→入库。

八钢第一炼钢厂有2×40t氧气顶吹转炉，二套底吹氩处理装置，二台R8m4机4流小方坯连铸机，浇铸的连铸坯的断面为150×150 mm2。

棒材生产线由16架平立交替卡盘式短应力线轧机组成，主要轧制Φ10～Φ40mm的圆钢和带肋钢筋。

经调查，该批钢由八钢40t产线2#转炉冶炼，0#连铸机浇铸，棒线机组轧制。检查该生产线的冶炼、连铸、轧制工艺和有关记录未发现问题。

3 检测分析及讨论

3.1 化学成分（冷弯裂缝处检测）

对钢筋冷弯裂缺陷处做化学分析，化学成分结果见表1，各元素含量均符合国标GB/T1499.2-2018的要求。

表1 冷弯裂纹处化学成分 %

3.2 金相检测

对钢筋冷弯裂缝处做金相分析。缺陷处的金相组织为：铁素体+珠光体，晶粒度评级为8.0级。

在缺陷处进行夹杂物分析，分析结果见表2，显微镜下观察夹杂物形貌见图1。

表2 冷弯裂纹试样的夹杂物分析

C类夹杂物为硅酸盐类夹杂物，夹杂物最大宽度为22μm。

图1 夹杂物形貌

3.3 讨论与分析

3.3.1 金相组织

钢材中晶粒大小对钢的性能有很大的影响,晶粒粗大会降低钢的塑性,会影响冷弯性能。从金相检验的结果来看,冷弯裂纹试样的晶粒度在8.0级,和正常试样晶粒度级别(7.5～9.5级)相当,晶粒比较细；对于热轧带肋钢筋,GB/T1499.2～2018要求钢筋的金相组织应主要是铁素体加珠光体。检验的冷弯裂纹试样的显微组织铁素体加珠光体，组织符合标准要求。所以，可以排除这些影响因素。

3.3.2夹杂物

钢中非金属夹杂物破坏了钢的连续性和致密性，对钢的产品质量带来极大的危害。

钢材的机械性能在各种受力条件下的表现是由材料内部所发生的塑性形变和断裂这两个基本过程所决定的。非金属夹杂物会降低钢的机械性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳极限。受力时，非夹杂物往往作为显微裂纹的起点而起着重要作用。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使材料具有各向异性。严重时，横向塑性仅为纵向的一半，并使冲击韧性大为降低。非金属夹杂物的性质、形态、分布、尺寸及含量不同，对钢性能的影响也不同。条带状塑性夹杂物和点链状脆性夹杂物使钢材性能带有方向性，使钢的横向塑性低于纵向塑性[1]。

对冷弯裂纹试样断面夹杂物检验的结果来看,钢筋中存在的夹杂是硅酸盐类、硫化物类、球状氧化物类夹杂物。试样中硫化物类夹杂物级别2.0级,球状氧化物类夹杂物级别1级,而且都是细类夹杂物，与正常试样夹杂物级别接近,夹杂物含量较低,对钢筋冷弯裂纹的影响不大。硅酸盐类夹杂物达到3级，而且是粗类夹杂物，对钢筋冷弯裂纹的影响较大。

综合分析认为:此批次热轧带肋钢筋冷弯裂纹主要是由夹杂物引起，属硅酸盐类夹杂物。

4 夹杂物的来源分析

根据夹杂物来源[2]，钢中非金属夹杂物分为外来夹杂物和内生夹杂物。外来非金属夹杂物是由于耐火材料、炉渣等在钢水的冶炼、运送、浇铸等过程中进入钢液中并滞留在钢中形成的夹杂物。一般来讲，外生夹杂物的尺寸要比内生夹杂物大，常常位于钢的表层，因此危害更大。内生类夹杂物是指在液态或固态钢内，由于脱氧、钢水钙处理等各种物理化学反应而形成的夹杂物。此外，在完成对钢水的脱氧操作之后，如钢液被空气、氧化性炉渣等再次氧化（称为二次氧化），钢液内部生成的氧化产物（Al2O3、SiO2、MnO等）也属于内生类非金属夹杂物。内生夹杂物在钢中的分布，相对比较均匀，颗粒一般比较细小。

为了解夹杂物的来源,使用KYKY-1000B扫描电镜，对冷弯裂纹试样断面进行电镜扫描分析,分析三处位置的夹杂物结果，见表3。

表3 电子显微镜分析夹杂物成分 %

根据电镜分析结果表明：夹杂物的主要成分是Mn、Si及少量 Ca、Mg、Al、S（表 5）。

转炉冶炼的钢水经钢包、中间包、结晶器连铸成坯,钢包、中间包加碳化稻壳保温,结晶器添加保护渣进行保护浇铸。

为分析夹杂物来源，对钢包耐火材料成分（见表4）、中间包耐火材料成分（见表5）、转炉终渣4炉成分（见表6）及连铸保护渣成分（见表7）进行了分析。

表4 钢包耐火材料化学成分分析 %

表5 中间包耐火材料化学成分分析

根据电镜分析结果表明:夹杂物的主要成分是Mn、Si。从表 4、5、6、7 可以排除转炉渣、钢包耐火材料、中间包耐火材料、保护渣的影响。因为是转炉渣中MnO较低（见表6），说明出钢过程中挡渣效果较好；钢包耐火材料含MnO低（见表4）；中间包耐火材料不含MnO（表5）；保护渣不含MnO（见表7）。

表6 转炉终点渣化学成分分析 %

表7 连铸保护渣成分 %

对本批钢连铸过程进行了调查：连铸工艺要求中间包的钢液面控制在300mm以上，对应中间包钢水吨位是6.5t，实际中间包钢水吨位是8～11t（对应钢液面高度在400～550mm），所以可排除中间包下渣的因素。

分析认为，夹杂物来源于内生夹杂物：生产HRB400E要采用硅锰合金（或锰铁）、硅铁脱氧合金化,一些脱氧产物可能来不及上浮就留在钢液中,夹杂物主要含有MnO、SiO2。

5 结束语

综合分析认为：造成Ф28mm HRB400E热轧带肋钢筋冷弯裂纹的主要原因是由夹杂物引起的，夹杂物类型是硅酸盐类夹杂物。从来源来看，基本可以排除外来夹杂物，主要来源是含Mn、Si的脱氧产物，属于内生夹杂物。

建议采取相应对策：（1）提高终点控制命中率，C%控制在0.08%以上，降低钢中溶解氧含量，从源头减少钢中非金属夹杂物数量。（2）适当延长钢包吹氩时间、优化吹氩操作工艺、提高吹氩工的操作技能等措施。夹杂物可以得到有效控制。