Q420B热轧角钢表面凹坑结疤缺陷成因与预防

田秀刚，张春花

(唐山钢铁集团有限责任公司技术中心，河北 唐山 063000)

Q420B热轧角钢主要为铁塔用国网角钢，用于输变电铁塔，据统计数据显示，在同样的载荷设计下，使用Q420级角钢代替Q345级角钢可平均降低用钢量20%左右，一旦由于角钢塔存在缺陷导致失效，将引起角钢塔的变形倒塌，威胁到电网的安全稳定运行[1-2]，输电铁塔用角钢主要采用热浸镀锌防腐，表面不能有影响镀锌的缺陷，Q420B钢最常见的表面缺陷就是表面结疤与凹坑，其产生的原因复杂，受设备及工艺操作等的影响[3-9]。某钢厂在对∠200 mm×24 mm的Q420B热轧角钢酸洗后发现上表面有凹坑及结疤缺陷，在缺陷部位取样进行成分分析、金相观察、扫描电镜、X射线能谱分析等检测，分析缺陷形成的原因，提出改进措施，进行表面质量优化。

1 试验材料与方法

1.1 宏观形貌分析

凹坑及结疤缺陷在角钢上表面酸洗后发现，形貌见图1,结疤缺陷呈舌状、块状嵌在角钢表面，大小厚度不一，不翘起，单个片状，分布不规则，常伴有粗糙的麻点状表面，表面可看到细小纹路与块状鳞片的分布与形貌，凹坑缺陷表面块状凹陷，无规律分布在角钢表面。

(a)块状结疤

1.2 生产工艺

炼钢采用电弧炉冶炼，连铸使用4机4流，铸坯坯型为200 mm×380 mm。轧钢采用全氧加热炉加热，角钢规格为∠200 mm×24 mm，开轧温度为1152～1176 ℃，精轧温度1040～1072 ℃，自制穿水后，上冷床温度为847～929 ℃，轧制道次为粗轧5道，精轧6道。

1.3 化学成分分析

在有缺陷的角钢上进行取样，使用瑞士ARL公司ARL 4460型直读光谱仪进行成分分析，结果见表1，可见缺陷角钢符合国标GB/T1591的要求。

表1 缺陷角钢的化学成分 单位：%

1.4 金相检验

使用德国ZEISS公司的AXIOTECH型金相显微镜进行截面分析，结疤处氧化铁皮厚度为220 μm，且距离上表面3.5 mm位置存在大量条状夹杂物，表面有斜30度角的压入，内部组织为铁素体+珠光体，晶粒度9.5级，带状组织2级，见图2。

(a)结疤厚度200X (b)条状夹杂物100X

1.5 电镜检验

使用德国Zeiss公司的SIGMA-HD型场发射扫描电镜进行能谱分析，表面结疤处成分只含有Fe、O元素，钢基体内部压入物成分也只含有Fe、O元素，延段为氧化铁压入。凹坑表面缺陷处除含有Fe、O元素，还含有Si、Ca、Na、Mg、Al成分，样品内部夹杂物成分为含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素，其成分构成与保护渣相近，电镜下形貌见图3，保护渣能谱图见图4、图5，保护渣化学成分质量分数见表2。

(a)正常铁皮表面 (b)结疤表面 (c)铁皮深入基体

图4 内部保护渣能谱

图5 表层残留保护渣能谱

表2 保护渣化学成分 单位：%

2 试验结果分析与讨论

2.1 试验结果分析

检验结果表明，该角钢化学成分符合国标要求，金相组织正常。结疤表面压入物只有Fe、O元素，表明不是保护渣导致的，是氧化铁皮压入导致；凹坑处表面及试样内部含有Si、Ca、Mg、Na、Al元素，其中Ca和Si为主要成分，分别为17.27%和14.16%且钙硅比为1.22，折合成氧化物其碱度R=CaO/SiO=0.80，这个碱度在0.5～2之间[10]，可以确定就是保护渣，故判断Q420B热轧角钢表面凹坑是由结晶器保护渣卷入钢液造成的表层卷渣。下面分别对氧化铁皮压入和保护渣卷渣进行分析。

2.2 氧化铁皮压入

热轧钢材从热轧生产线上产出冷却至室温后，其表面氧化铁皮一般由三层铁的氧化物组成，最外层为较薄的Fe2O3，中间层是Fe3O4，最内层为较厚的FeO[11-13]。氧化铁皮从产生类型分为一次、二次、三次和四次氧化铁皮。一次氧化铁皮是在加热炉内由于钢坯加热的氧化形成的铁皮，在板坯出炉时表面会形成厚达2～3 mm的氧化皮，在粗轧机之前采用高压除磷箱(PSB)去除。二次氧化铁皮是在由粗轧过程中带钢氧化形成的铁皮，粗轧一般经过5～7个道次，粗轧后形成的氧化皮厚度约为100 μm，在精轧机入口前用高压除磷箱(FSB)进行彻底清除。三次氧化铁皮是在精轧过程中带钢氧化形成的铁皮，厚度约为7～15 μm，精轧中，在F1至F2机架出口用高压水除磷喷嘴(IFSB)去除。四次氧化铁皮是终轧、卷曲后至室温形成的铁皮，尤其在中段层冷之前，氧化皮的生长速度较快[14-15]。由截面电镜检验可知，钢表面有氧化铁深入钢基体，导致氧化铁皮增厚出现结疤，根据氧化铁皮大于100 μm时为一次氧化铁皮，故根据表面形貌与氧化铁皮厚度220 μm可判断结疤为一次氧化铁皮。由于氧化铁皮材质硬而脆，塑性较差，无法与基体同步延伸，故经轧制后，铁皮呈颗粒状，轧制过程中表现为挤入钢基体内部，沿轧制方向分布，有一定的方向性与角度。

形成原因：钢坏出炉温度过高导致一次氧化皮难以剥离，后续因除鳞不彻底，会残留一定数量的FeO，氧化铁皮材质硬而脆，塑性较差，无法与基体同步延伸，故经轧制后，铁皮呈颗块状结疤。加热温度越高，停留时间越长生成的氧化皮量越多，加热温度加热时间与板坯氧化皮厚度(氧化烧损)呈指数关系。该批钢的Si含量为0.268%，加热温度为1250 ℃，有研究表明[16]，当Si含量高于0.2%的钢在加热时，在1220 ℃氧化铁皮热平衡状态为FeO+液态Fe2SiO4(硅橄榄石)，通过利用FactSage软件计算FeO-SiO2平衡相图[17]，见图6。

图6 FeO-SiO2平衡相图

显示出氧化铁皮与基底金属界面会产生层状的硅锰橄榄石相Fe2SiO4的熔点为1188 ℃，轧制前液态Fe2SiO4将FeO晶粒包围住，形成FeO/Fe2SiO4的共析产物，凝固后形成类似锚状形貌，将FeO层钉扎住，导致氧化铁皮对基底金属的附着力增强，钉扎住的FeO很难在除鳞中完全被除掉，粗轧时留在表面或压入钢内部，铁皮压入示意图见图7。

图7 铁皮压入示意图

使用打板测试炉后除鳞情况，发现生产问题炉次的除鳞效果要弱于正常水平，打板测试具体结果见图8。

(a)缺陷角钢测试结果 (b)正常测试结果

预防铁皮压入措施：降低加热温度缩短保温时间，在实际生产中，将加热温度由1250 ℃降到1200 ℃，采用钢坯热装，加热时间由2小时缩短到1.5小时，避免长时间高温加热导致硅橄榄石产生，减少一次氧化铁皮厚度量，保证炉后除鳞效果，消除了氧化铁皮压入。

2.3 保护渣卷渣

在轧制过程中，卷入的保护渣与基体变形不一致，逐渐在基体中形成分层，轧制后期保护渣层逐渐露出带材表面，脱落后形成凹坑缺陷，见图9。

图9 凹坑形成示意图

形成原因：浸入式水口的浸入深度对流股冲击深度、液面波动、表面流速和卷渣均有重要影响[18-19]，随水口浸入深度减少，结晶器表面的流速和液面波动增大，液面上的保护渣层越来越不稳定，容易被冲开，从而造成液面的裸露。这是因为在水口浸入深度减小后，流股出口到液面的距离减小，上升流冲击液面的强度因而加大，使表面流速和液面波动增加，在剪切力的作用下，液态渣层被从结晶器两端推向水口方向。钢液从水口流出的同时，上方形成负压区，负压区下的旋涡在能量达到一定强度时，浇铸过程结晶器保护渣流动性恶化，保护渣吸收浮渣和夹杂物能力降低,结晶器钢水表面波动大，保护渣会被带到结晶器深处而形成卷渣，图10是保护渣卷渣示意图[20]。

图10 结晶器卷渣示意图

预防卷渣措施：结晶器保护渣卷渣与保护渣的物化性能有直接关系，尤其是钢渣界面张力和黏度，增大钢渣界面张力能有效防止液渣被撕裂的概率，选取合适的保护渣[21]，能有效控制结晶器钢水表面波动，可以促进渣钢的有效分离，提高黏度减少弯月面“弯月钩”的形成，可以减少保护渣卷入的机率，针对保护渣进行优化，提高了保护渣的粘度及其它成分，见表3。另外，方坯浸入式水口的浸入深度如果小于60 mm，会造成保护渣强烈翻卷，造成卷渣，将浸入式水口的浸入深度从50 mm调到75 mm，减少结晶器钢水表面波动，消除了卷渣缺陷。

表3 保护渣成分优化

通过对Q420B热轧角钢工艺优化后生产的热轧角钢使用情况进行跟踪，热轧表面质量良好，未见凹坑或结疤缺陷，酸洗后表面平整，在镀锌后未出现明显镀不上或漏镀现象。

3 结论

(1)采用钢坯热装，将加热温度降低50 ℃，从1250 ℃降到1200 ℃，加热时间由2小时缩短到1.5小时，避免长时间高温加热导致硅橄榄石产生，减少一次氧化铁皮厚度量，消除了一次氧化铁皮压入引起的结疤缺陷。

(2)针对钢种选用合适的保护渣，提高了保护渣的粘度，由0.295提高到0.45，水口浸入深度从50 mm调到75 mm，有效控制结晶器钢水表面波动，消除了卷渣引起的凹坑缺陷。