Q370qE钢板Z向性能不合的夹杂物属性研究

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摘要：本文从宏观和微观分别对q370qe钢板Z向性能不合进行了分析，研究了Q370qE钢板Z向性能与铸坯中心线偏西的关系，采用扫描电镜、电子探针等检测手段对z向拉伸断口形貌及断口处夹杂物进行分析，并提出了改善z向性能的相应措施，如冶炼时降低含硫量、保持合适的Ca/S，控制好浇注过热度和拉坯速度以及铸坯加热工艺等。

关键词：Q370qE；Z向性能；断口形貌；扫描电镜；夹杂物；措施

1 前言

随着桥梁结构设计的进步，我国桥梁建设逐步迈向大跨度，轻型化发展，使得原本不参与整体受力的桥面板已被作为桁梁或箱梁受力的一个主要部分，同时为了保证桥梁建筑的抗震、节能、美观等因素，主要结构钢板均使用了厚度方向性能钢板，对钢板提出了抗层状撕裂性能的要求。例如黄冈长江大桥和铜陵长江大桥均采用了Q370qEZ35这一等级的带有厚度方向性能的桥梁钢板作为主要结构用材。而我厂在为此工程供给钢板时，发现Q370qEZ35钢板的Z向性能合格率偏低。为提高性能合格率，保证工程质量，分别从宏观和微观对Q370qE钢板Z向性能不合钢板进行了分析，研究了Q370qE钢板Z向性能与铸坯中心线偏西的关系，采用扫描电镜、电子探针等检测手段对Z向拉伸断口形貌及断口处夹杂物进行分析，并提出了改善Z向性能的相应措施，如冶炼时降低含硫量、保持合适的Ca/S，控制好浇注过热度和拉坯速度以及铸坯加热工艺等。

2 试验选材及内容

2.1 试验选材

试验对象为大生产中的Q370qEZ35钢板，试验钢用鄂钢130 t顶底复吹转炉冶炼，经LF、RH炉外精炼后，采用全程氩气保护浇注成板坯（冶炼成分见表1），并利用4300mm精轧机、采用两阶段轧制工艺将板坯轧制成厚度为60mm的钢板，轧制工艺见表2。

选取大生产中同规格的两块Q370qEZ35钢板为试验材料，一块为厚度方向性能达到Z35要求（编号为A），另一块厚度方向性能达不到Z35要求（编号为B），其厚度方向性能试验结果见表3，试样制取和检验方法分别按GB/T5313《厚度方向性能钢板》和GB/T228《金属拉力试验方法》标准要求进行。

2.2 试验内容

首先在A、B两块钢板宽度1/2处制取全板厚低倍试样，经磨光后进行横断面低倍酸性检验，并与铸坯低倍进行对比分析。

其次选取A、B两块钢板大生产中Z向拉伸检验试样，采用扫描电镜、电子探针等检测手段对z向拉伸断口形貌及断口处夹杂物进行分析，试样编号对应见表4。

3 试验结果

3.1 低倍检验结果

采用低倍检验手段对A、B两块钢板及对应的铸坯进行宏观分析，铸坯横断面低倍见图1，钢板宽度1/2处的横断面低倍图片见图2，铸坯低倍评级见表5。

从图1和表5可以看出，Z向性能合格钢板（A）的铸坯中心偏析为C类偏析1.0级，明显好于B钢板对应铸坯的1.5级C类偏析。通过图2可知，经过轧制并没有消除偏析影响。

3.2 Z向拉伸断口检验结果

3.2.1 断口形貌类型

采用扫描电镜、电子探针对1#～4#Z向拉伸试样的断口形貌和断口深处夹杂物进行分析，其结果如下。

（1）1#试样

图3是1#试样的（ψZ=56.4%）的断口形貌，图4是1#试样的断口深处形貌及夹杂物成分分析。

从图3和图4可以看出，试样断口具有明显的颈缩现象，断口呈现韧窝状，深嵌在韧窝深处的夹杂物主要是颗粒状或细小球状的CaS及少量的CaO·Al2O3和12CaO·7Al2O3，这种细小的夹杂物一般不会对钢板Z向性能产生明显影响。

（二）2#、3#、4#试样

图5～图7分别是2#（ψZ=27.75%）、3#（ψZ=22.56%）、4#（ψZ=22.56%）试样的的断口形貌。从图5～图7可以看出，试样断口无明显的颈缩现象，为脆性断裂。图8～图10分别是2#、3#、4#试样的断口处夹杂物类型及存在形式。

从图8～图10可以看出，2#、3#、4#试样断口处分布着较多的块状夹杂物，夹杂物主要类型为含Nb的复合夹杂物和MnS，尺寸在几十微米以上。

4 分析与讨论

4.1 中心偏析分析

从图1和图2可知，铸坯本身存在C类1.0和1.5级的中心偏析，经过轧制压缩后并没有改善偏析，钢板横截面中心仍有肉眼可见偏析线，因此铸坯中心偏析是造成钢板Z向性能不合的主要原因。而能够引起铸坯的中心偏析有很多因素，例如浇注温度、拉坯速度、冷却水强度等，因此要改善铸坯的中心偏析应掌握合适的注温和注速，在保证浇注顺行的前提下尽量降低浇注温度、恒定浇注速度，可以有效缩小固液相区间，从而制Nb析出物的长大，同时还可减小溶质元素的浓度差，有效控轧铸坯的正负偏析。同时改善铸坯宽度方向上冷却的均匀性从而减少凝固末期钢液在宽度方向的流动也是减弱中心线偏析的有效途径。

4.2 夹杂物分析

通过对2#、3#、4#试样的电镜扫描结果可以得出，性能较差的试样中含有两种夹杂物，一种是MnS夹杂，另一种为Nb、Ti化合物夹杂。根据这一结果可以对其来源进行分析讨论，尤其是炼钢中如何控制方面。

4.2.1 Nb复合化夹杂

图8～图10中的Nb复合化物夹杂的尺寸一般在50微米以上，并分布广泛，其形成原因为连铸时的温度、冷却制度以及拉坯速度匹配不合理，导致了液相一固相区间过大，凝固时间长，Nb化合物的析出量较大，并附着其他夹杂物形成大颗粒夹杂逐渐长大粗化，最终形成大颗粒夹杂。此类型夹杂为硬相不变形质点夹杂，不仅对钢板的Z向性能有影响，对常规性能也有有较大影响，含有此类型夹杂物的钢板往往在受到应力后，在这种硬相不变形质点周围首先产生裂纹源，以引发裂纹为断裂。

4.2.2 MnS夹杂

图8～图10中的MnS夹杂的尺寸在150微米以上，镶嵌在钢中，此类夹杂虽为塑性夹杂，会随着轧制过程中变形（通常以轧制方向呈条状分布），对钢板的常规性能没有影响（如横、纵向拉伸、冲击等），但当钢板受到厚度方向应力时，在夹杂物的端部会产生较大的应力（应力集中所致），因此极易引发沿着夹杂物平行面产生层状撕裂。

一般情况下，硫化物是在钢液凝固过程中，硫按液相和凝固相的比例在枝晶间析出，并与Mn，Fe等元素生成硫化物夹杂。因此，降低原始钢液中的含硫量是减少该类硫化物的主要途径。但对于本次试验中的三个试样，S含量仅为0.002%，不应产生较多的硫化物夹杂。而本试验中，1#试样与2#、3#、4#试样都含有硫化物夹杂，其区别主要是存在的形状和形式， 因此可以从如何改变夹杂物的形态来改善硫化物夹杂对Z向性能的影响，例如进行钙化处理，使钢中MnS夹杂转变为球状的CaS夹杂或者具有高硫容的高钙钙铝酸盐与CaS形成的双相夹杂，这类夹杂在轧制时不易被拉长，有利于提高钢材的性能。

5 结论

根据上述分析，引起Q370qEZ35钢板Z向性能不合的主要原因是铸坯存在中心偏析和钢中存在数量多Nb复合夹杂和MnS夹杂。在生产中可以采用下几点改进措施来改善钢板的Z向性能。

（1）要掌握合适的注温和注速，在保证浇注顺行的前提下尽量降低浇注温度、恒定浇注速度，可以有效缩小固液相区间，不仅可以抑制Nb析出物的长大，还可减小溶质元素的浓度差，减弱中心线偏析。

（2）改善铸坯宽度方向上冷却均匀性可减少凝固末期钢液在宽度方向的流动，也可减弱中心线偏析的有效途径。

（3）在尽量降低钢中含硫量的同时，可合理进行Ca化处理来减少长条状硫化物对钢材性能的危害。

参考文献

【1】 杨阿娜，李自刚，季思凯。厚板Z向性能不合的夹杂物属性研究分析。宝钢技术，2007，2。

【2】 张德铭。14MnNbq钢板厚度方向的试验研究。桥梁建设，2006，1。

【3】 王慧珍译。中心偏析对厚板层状撕裂的影响。宽厚板，1996，2。