唐钢30MnSi钢延迟断裂成因分析及工艺对策

唐钢30MnSi钢延迟断裂成因分析及工艺对策

李双武，刘善喜, 常凤，冯润明

（唐山钢铁公司第二钢轧厂，河北唐山，063016）

摘 要：文章分析了延迟断裂产生的原因，并提出了解决唐钢第二钢轧厂30MnSi钢延迟断裂的工艺措施。 关键词：PC钢棒；延迟断裂；C偏析

Cause Analysis for 30MnSi delayed fracture of Tangshan

Iron and Steel and Technical Countermeasures

LI Shuang-wu， LIU Shan-xi， Chang Feng FENG Run-ming

(The NO.2 Steel Roll Factory of Tangshan Iron and Steel Company,Tangshan 063016)

Abstract: This article analyzes the reasons of delayed fracture, and the technological measures were put forward to solve 30MnSi delayed fracture of the NO.2 steel roll factory of Tangshan Iron and Steel Company. Keywords:Steel bar for prestressed concrete；Delayed Fracture ；Carbon segregation

1、 前言

预应力钢棒（简称PC棒）是制造预应力混凝土管桩（PHC管桩）的重要材料。为保证PHC管桩具有良好的性能，以满足高层建筑的需要，管桩钢筋必须具有良好的机械性能，松弛性能、可焊性、可镦性，同时钢材的表面质量要好，不得有影响其使用的各类缺陷，目前国内比较普遍的是30MnSi热轧盘条。

唐钢是国内PC钢棒的第一个生产厂，我厂技术人员走访用户时发现管桩钢筋的盘卷在静置库存、纵向张拉、管桩离心成型时，甚至已放在成品堆场中的成品管桩内都会发生脆性断裂现象即延迟断裂现象，因此我厂对30MnSi钢延迟断裂问题做了重点分析。

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2、生产工艺设备及特点

①铁水预处理站一座，戴斯马克技术，喷吹颗粒镁；

②50吨顶底复吹转炉4座；

作者简介：李双武（1976-），男，大学本科，工程师；E-mail：95103876@qq.com

③60吨LF炉2座；

④达涅利公司设计的6机6流 R9米全弧形连铸机1台，钢包氩气保护浇注，结晶器液面自动控制，结晶器电磁搅拌，铸坯断面150×150mm，热送高线轧制。

3、延迟断裂概念及成因

延迟断裂是在静止应力作用下，材料经过一定时间之后突然脆性破坏的一种现象。这种现象是材料—环境—应力三者相互作用而发生的一种环境脆化，是氢致材质恶化的一种形态。

高强度钢的延迟断裂行为目前一致的观点是由钢中的氢引起的；钢中氢的来源一方面是钢在冶炼、轧制、酸洗及热处理等生产过程中侵入钢中的氢(又称为内氢)，另一方面是环境中侵入钢中的氢(又称为外氢)。

应力集中是导致延迟断裂的另一个重要诱因。生产PC钢棒时，经淬火回火处理后不足以消除钢材内部的残余应力，加工过程这些残余应力不断集中便产生了延迟断裂。

由于PC钢棒具有较强的氢脆敏感性，任何能够在冷加工与淬火处理过程中造成应力集中甚至裂纹的缺陷都会造成氢致延迟断裂，因此对PC钢棒用钢的内在和表面质量要求较高。下面阐述二钢30MnSi钢棒延迟断裂的几种典型因素。 3.1内部夹杂物

经走访用户，取样分析发现我们的30MnSi钢棒夹杂物等级高，主要夹杂为C类硅酸盐夹杂、D类球状氧化物夹杂、Si-Al-Ca复合氧化物夹杂、MnS夹杂。详见图1、图2、图3、图4。

7.1mm钢棒 C3.5 D1.0 100× 10.7mm钢棒 C3.5 D1.0 100×

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图1、7.1mm钢棒、10.7mm钢棒金相照片

Figure 1、7.1 mm steel bars, 10.7mm bar metallographic photo

20KV 4000×

图2、硅钙铝氧化物夹杂SEM图像及能谱

Figure 2、calcium aluminum oxide inclusions SEM image and EDS

20KV 9000×

图3、条状MnS夹杂物SEM图像及能谱

Figure 3、SEM image strip MnS inclusions and EDS

用户拉拔后材样，夹杂物等级高，用户加工过程中造成应力集中，容易产生脆断，是产生异议的主要原因之一。分析可知，这些夹杂物主要为原材料带进的夹杂及精炼过程产生的夹杂，精炼及浇钢过程中这些夹杂物上浮不充分或者是渣吸附能力不足而弥散分布于钢液中，另外有钢水二次氧化形成大颗粒夹杂的可能性。钢中这些夹杂物易使钢材经拉拔、刻痕、调质处理后在PC钢棒的内部产生应力裂纹，这些应力裂纹在氢的作用下逐渐扩大，导致PC钢棒延迟断裂。 3.2奥氏体晶粒影响

高强度钢延迟断裂的起点和扩展路径往往为沿原奥氏体晶界，其主要影响因素除晶界碳化物和杂质元素偏聚等外，另一个重要影响因素便为原奥氏体晶粒尺存。由于晶粒细化可使变形均匀化，降低应力集中程度，而且单位晶界面积的增加可降低杂质元素的偏聚浓度，因而有可能改善高强度钢的耐延迟断裂性能。金属的晶粒越粗大越容易在冷加工过程中造成应

力集中，同时淬火热处理时容易形成淬火裂纹，因此对氢脆就越敏感。经异议材样分析，奥氏体晶粒粗大，为得到均匀组织、细化晶粒需在微合金化、控轧控冷工艺上下功夫。 3.3中心碳偏析

与高碳钢相似，我厂30MnSi盘条存在一定的碳偏析，偏析度1.03。拉拔时因偏析处碳含量较高，强度及塑性与基体相差较大，因此无法与基体同步协调变形而产生应力集中，在氢的共同作用下形成裂纹源，并逐渐扩大，最后造成钢棒的延迟断裂。 3.4盘条表面质量影响

30MnSi盘条的表面缺陷是氢进入钢中引发氢致延迟断裂的直接部位，必须杜绝耳子、折叠、微裂纹、结疤等表面缺陷。尤其是表面裂纹给氢致延迟断裂提供了极大可能性，见图4。

7.1mm钢棒 边部0.15mm脱碳裂纹 200× 10.7mm钢棒 边部0.06mm脱碳裂纹 500×

图4、7.1mm钢棒、10.7mm钢棒脱碳裂纹

Figure 4、7.1mm steel bars, 10.7mm bar decarburization crack

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4、工艺对策

4.1降低各环节增氢量

原材料含水分时增氢一重大原因，生产中严格控制原材料的含水量，合金必须烘烤，降低含水量；另外严把石油焦增碳剂、SiC水分关，降低了进入钢液中的H含量。

LF精炼是增氢的另外一个重要原因。原因一为精炼过程高温电极电解空气中的水进入钢液；原因二为给电起弧过程中渣层有被击穿的可能性，导致钢液直接与空气接触，高温钢水吸收空气中的水分；钙处理过程也是增氢的一个重要原因，因为喂丝过程开大底吹氩气流量，Si-Ca丝打透渣层进入钢水，渣眼儿过大高温钢水就会吸氢。另外Si-Ca丝中含水分也会进入钢水中导致钢液增氢。针对以上原因，优化了精炼底吹管路及流量，精炼微正压操作等诸多措施有效的降低了钢液增氢量，很大程度上降低了延迟断裂发生的可能性。

浇钢过程要求全保护浇注，大包套管氩封保护，冲击区和中包内覆盖剂要加及时严防钢水裸露，有效的降低了中包吸氢量。另外，保护套管、结晶器保护渣必须烘烤，最大程度减

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少增氢量。 4.2、降低夹杂含量

生产中实测LF精炼过程渣中Al2O3与钢液中全Al含量关系如图5所示，由图可见，渣中Al2O3越高，与之平衡的钢液全铝含量越高；渣中MgO含量与碱度R关系如图6示，渣碱度越高渣中MgO含量越低，也就是说包衬砖被侵蚀的程度小。但是实践证明，碱度高于2.5渣子流动性变差，吸附夹杂的动力学条件变差，不利于去除夹杂。因此采取了以下工艺措施：

87渣中Al2O3含量(%)70605040302010013579111315171921钢中Al含量(×10-6)6543210Al2O3Al

图5、渣中Al2O3与钢液全Al含量关系 图6、渣中MgO含量与碱度R关系

Figure 5、Content relation of Al2O3 in Slag and Aluminum in Molten Steel Figure 6、Relation between content of MgO in Slag and Alkalinity R

1）转炉脱氧合金化使用低铝硅铁，降低合金带入的Al含量；出钢口位置设凹坑，定位投合适密度挡渣球，提高挡渣率，严格控制大包渣层厚度，为下道工序提供有利条件。 2）LF精炼砖包采用全镁碳砖修砌，减少精炼过程钢水和电弧作用下包衬受到侵蚀进入到钢液中的Al2O3，降低钢液Al含量；另外合理控制精炼渣碱度及渣流动性，提高渣吸附能力。 3）精炼底吹双管路改造。精炼底吹系统由原来的单管吹氩改为双透气砖双管底吹氩，并且优化了透气砖布局，从动力学条件优化了精炼工艺，提高了钢水的流动性，精炼过程夹杂物更充分的上浮到渣层，被精炼渣吸附，净化了钢液。

4）精炼结束后喂硅钙线处理。一方面，我们采用钙处理（喂Si-Ca线）来改变Al2O3形态，溶解钙与钢水中固相Al2O3，生成液相的12CaO·7Al2O3，这样有利于夹杂物上浮，也有效的防止了水口堵塞。另一方面，促进了条形MnS夹杂向球状CaS转变。 5）提高中包渣吸附夹杂能力

理论上，中包渣碱度对夹杂物的吸附至关重要，以前工艺我们的中包渣碱度偏低，而且排渣困难，为此我们对中间包结构进行了改进，排除了原来中间包放渣困难，避免了卷渣，而且通过加碱性、低熔点中包覆盖剂提高了中包渣碱度（对比情况见表1），增加了渣中游离CaO活度，极大地提高了中包渣的物理和化学吸附能力，很大程度上净化了钢液。

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表1 、改进前后中包渣荧光分析

Table1、Fluorescence analysis of tundish slag before and after improvements

组分（%）

CaO 28.95 28.74 42.50 40.99

MgO 14.86 14.55 11.10 12.02

SiO2 29.41 28.56 27.34 26.64

Al2O3 7.41 6.54 5.68 5.55

MnO 2.20 2.17 0.95 0.74

FeO 2.35 2.12 1.43 0.98

R 0.98 1.01 1.55 1.54

备注 改进前 改进前 改进后 改进后

-6

生产中不同碱度中包渣下的钢液W（T.O）分析我们得到了图5钢液W(T.O)(×10)与碱度R的关系图。

65

钢液W(T.O)(×10-6)605550454035302511.52R2.5

图7 中包渣碱度R与钢液W（T.O）关系

Figure 7、 R of tundish slag and molten steel W (T.O) relations

分析可知，中包渣碱度低时，渣中SiO2活度增大，可以发生以下反应：4[Al]+3(SiO2)=3[Si]+2[A12O3],渣中氧传递到钢水中形成Al2O3,使钢液的W（T.O）增加；碱度高时，中包渣偏稠，流动性差，渣吸附能力减弱同时也会使钢液W（T.O）增加，由图5可见，中包渣碱度1.5～2.0时钢液较纯净，全氧低。 4.3晶界强化、晶粒细化

强化晶界、抑制晶界裂纹的萌生和扩展是改善高强度钢耐延迟断裂性能的一种有效途径。其主要对策为：1、减少晶界脆化元素的偏聚量；研究证实杂质元素磷降低晶界结合强度，硫在腐蚀环境下促进氢的吸收；因而需降低P、S等杂质元素含量的办法，提高钢的纯净度，以降低杂质元素在晶界的偏聚，提高晶界结合力，从而改善其耐延迟断裂性能。2、细化晶粒；可以向钢水中添加适量的Ti、V,一方面可以起到细化晶粒作用，另一方面起到了“氢陷阱”作用，很大程度上降低了延迟断裂的可能。

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4.4 降低过热度、优化电磁搅拌参数、优化二冷配水制度

实践证明，过热度在30度以下大大降低了钢中夹杂。另外根据生产经验，摸索出了适合我厂PC钢生产的电磁搅拌参数，钢液在形成坯壳时进行搅动，迅速降低了结晶器内钢液的过热度，并保证中包液面高度大于600mm且保持稳定，促进夹杂及气体尽可能的上浮；稳定了拉速，优化了二冷配水，改善了内部组织，减少了成分偏析，得到了优质的铸坯。 4.5 提高盘条表面

钢区生产工艺优化，降低钢液全氧，消除铸坯振痕、裂纹、缩孔等缺陷；优化轧钢控轧控冷工艺，最大程度消除盘条耳子、微裂纹、结疤等缺陷，另外轧钢精整现场检验，盘卷头尾缺陷剪尽，提高出厂盘条表面质量，提高抗延迟断裂能力。

5、结论

1）H是延迟断裂的最大诱因，因此各个生产工序要尽量减少钢液增氢。

2）降低钢中S、P等杂质元素含量减少晶界偏聚，提高晶界结合力可提高抗延迟断裂性。 3）提高精炼渣吸附能力及中间包冶金效果，最大程度去除钢中夹杂物可有效减少延迟断裂发生的可能。

4）不断完善控轧控冷工艺，提高盘条的表面质量可明显改善抗延迟断裂性。

参考文献：

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