改善Q420B铁塔角钢缺陷的冶炼制备工艺研究

兴 超 张利武

(1. 济源职业技术学院冶金化工系， 河南 济源 459000；2. 石横特钢集团有限公司炼钢厂， 山东 肥城 271600)

Q420钢是一种屈服强度为420 MPa的通用型低合金高强度结构钢[1-2]，按照性能可分为5个等级。Q420钢的强度高，抗疲劳性能好，特别是在正火或正火加回火状态下，可表现出较高的综合力学性能。石横特钢集团有限公司(以下简称石横特钢)炼钢厂生产的角钢,有部分批次出现裂纹，角钢支腿表面偶见凹坑缺陷。为了改善角钢铸坯产品的质量，我们结合生产情况分析了角钢裂纹和凹坑缺陷产生的原因，对连铸工艺参数进行了优化，取得了良好的效果。

1 生产工艺流程及设备参数

表1 连铸机的主要工艺参数

2 Q420B铁塔角钢缺陷形态

石横特钢生产的铁塔角钢在连铸坯上未见裂纹及表面缺陷，但是在轧制成角钢后有个别批次出现裂纹，且在角钢支腿表面偶见凹坑缺陷。如所生产的Q420B铁塔角钢，规格为∠200 mm×200 mm×20 mm，力学性能检验合格，但其成品经酸洗后部分批次出现裂纹和表面凹坑缺陷。表2所示为Q420B铁塔角钢的化学成分。图1、图2所示为裂纹或凹坑的宏观照片。

3 Q420B铁塔角钢缺陷分析与合金优化

3.1 夹杂物扫描分析

如图1、图2所示，加工后的角钢主要存在裂纹和凹坑质量缺陷。在扫描电镜下对Q420B铁塔角钢试样上的缺陷部位进行观察，得到其能谱图(见图3)。角钢中主要存在不规则状、椭圆状、椎状夹杂物。通过能谱分析还可以看出，缺陷处主要含有Si、O、Mn等元素。在电子图像1中，角钢表面有夹杂物脱落的痕迹，即试样表面夹杂物在酸洗过程中脱落。根据残留于基体表面附近夹杂物的形貌，可判断其为硅酸盐类夹杂物。

表2 Q420B铁塔角钢的化学成分(ω) 单位：%

图1 角钢裂纹

图2 角钢凹坑

在该夹杂物与试样表层之间，存在大量密集分布的氧化物质点，有明显的脱碳现象。夹杂物的存在，使得角钢腿部近表层产生微裂纹，而加热过程中又有氧化性气体进入裂纹，在裂纹附近形成大量氧化质点，最终使基体组织产生孔洞而结构疏松。此时，表面氧化皮与裂纹附近的氧化斑点产生一定的机械连接，提高了氧化皮与基体的黏附力，在酸洗过程中氧化皮难以去除而残留在腿部表面。如果试样中夹杂物颗粒较多，并呈团聚状态分布于表面，则会在酸洗过程中脱落，从而留下表面脱落坑。

进一步观察发现，表面夹杂物与基体表层下的夹杂物相连接。夹杂物的导热性比钢差，在加热过程中隔断了热的有效传导，导致夹杂物往基体方向区域的温度较低，所以在此部位未发现氧化物质点及明显的脱碳现象。由于夹杂物两侧区域的温度不同，导致两区域在轧制过程中的变形量不同，故易在近表层附近诱发微裂纹。结合实际生产情况，认为该缺陷是由于浇注过程中液面波动导致保护渣卷入钢中而产生。

3.2 保护渣性能分析

黏度是连铸保护渣的重要物性参数[3-5]，它直接影响到熔渣吸收氧化物夹杂的速度和润滑铸坯的效果。黏度适宜的熔渣，在浇注过程中能均匀地充填于结晶器与坯壳之间的气隙中，包围整个铸坯，起到传热、加速铸坯凝固和润滑器壁防止黏结的作用。黏度过低会使渣膜增厚且不均匀，从而导热不均，在相应凝固壳较薄处产生应力集中，产生表面裂纹。此外，黏度过低，会使液渣流失加快；黏度过高，则会使液渣难以流入缝隙，结晶器润滑不良，坯壳与器壁相黏连，铸坯表面振痕的发展，进而产生横裂和穿钢。黏度过高还会影响钢水表面液渣的形成，使熔融层内出现烧结颗粒。可见，保护渣的黏度对铸坯质量、操作工艺和吸收夹杂物的能力均有显著影响。对于板坯保护渣，一般要求将黏度与拉速的乘积控制在0.1～0.35(Pa·s·m)/min。这样可使渣膜厚度均匀，传热效果稳定，润滑性能良好，从而减少裂纹[6]。

保护渣的组成及性质如表3所示。石钢Q420B铁塔角钢的保护渣黏度为0.626 Pa·s，拉速为1.0～1.2 m/min，黏度与拉速的乘积控制在0.939～1.064 (Pa·s·m)/min，显然数值偏高。当黏度较大时，保护渣难以流入缝隙，结晶器润滑不良，进而使坯壳与器壁相黏连，最终促使铸坯表面振痕发展直至产生横裂。因此，应降低保护渣的黏度，将其控制在0.45 Pa·s左右，以降低表面裂纹和卷渣的发生概率，提高铸坯质量。

3.3 合金加入制度优化

Q420B铁塔角钢只采用合金V，没有加入Nb、Ti等其他合金元素[7]。V微合金化钢的塑性低谷开始温度很低，为 880 ～1 000 ℃。然而，石横特钢铸坯的矫直温度一般控制在900 ～ 1 050 ℃，与V微合金化钢的塑性低谷开始温度很接近。即铸坯在矫直过程中可能正处于塑性低谷区，这对钢的塑性有很大影响，容易使铸坯产生表面裂纹。

为此，调整Q420B钢种的合金加入制度，向钢中适量加入Nb、Ti合金元素，以提高其塑性低谷温度，从而减少铸坯在塑性低谷时进行矫直所带来的缺陷。

图3 Q420B铁塔角钢缺陷的SEM形貌和能谱分析

表3 保护渣的组成和物理参数

3.4 结晶器液面控制优化

当水口插入深度不同时，钢液在结晶器内的冲击深度也不同，并且影响涡流中心的位置(见图4)。如插入深度由70 mm延深至130 mm时，冲击深度在不断下移，同时涡流中心位置也在下移。

图4 涡流中心位置变化

对于结晶器内流场，主要关注其冲击深度和涡流情况。适宜的冲击深度可以避免铸坯在凝固过程中遭受不必要的冲击，使铸坯正常凝固。涡流能促使卷渣的发生，所以应该避免结晶器上部发生涡流，若涡流发生时需有一定厚度的坯壳来形成保护。

当水口插入深度为70 mm时，冲击深度较小，但是形成的涡流位置处在结晶器上部，对防止卷渣不利；当水口插入深度为100、130 mm时，冲击深度有所加深，但同时涡流位置也会下降。综合考虑后，将浸入式水口插入深度控制在100～130 mm，结晶器液面平稳地控制在距结晶器上口80 mm处，液面波动控制在±3 mm。

4 实践效果

采取上述措施以后，铸坯质量得以提高，角钢表面质量得以改善，消除了表面微裂纹和凹坑。角钢经酸洗后，表面如图5所示。同时，角钢内部质量也得到了提高，A、B、D类夹杂物级别均在1.0级以内，C类夹杂物级别在0.5级以内。

图5 角钢酸洗图片

5 结 语

在对Q420B铁塔角钢缺陷部位进行了扫描电镜和能谱分析后，我们发现大部分角钢缺陷是由铸坯中硅酸盐夹杂物所造成。连铸过程中所用保护渣的黏度高达0.626 Pa·s，流动性较差。同时，由于拉速控制不稳定，钢液面易波动，加大了卷渣的可能。因此，提出将Q420B铁塔角钢的保护渣黏度大致控制在0.45 Pa·s左右，并向钢中适量加入Nb、Ti合金元素，以提高该钢种的塑性低谷温度，减少铸坯在塑性低谷时进行矫直所带来的缺陷，从而提高铸坯质量。同时，将结晶器液面平稳地控制在距结晶器上口80 mm处，液面波动控制在±3 mm，浸入式水口插入深度控制在100～130 mm。