U型钢板桩腹板开裂原因分析

金 涛，李宝文，宋青林，刘 兴，刘翠艳

（河北津西钢铁集团股份有限公司 质检中心，河北 迁西 064302）

1 前言

目前，河北津西钢铁集团股份有限公司（简称津西钢铁）已成为专业化系列化型钢生产基地，所生产的产品种类全、规格大、附加值高。钢板桩具有强度高、止水性好、插拔方便、绿色环保等优点［1］，赢得了客户众多好评。但有一段时间客户反映，在使用津西牌U600×210规格拉森钢板桩打桩时，打桩机夹持部位出现开裂现象，严重影响了客户的施工进度，也给津西品牌形象造成了不良影响。为了尽快查明钢板桩夹持部位腹板开裂的原因并研究制定相关措施，笔者对开裂样品通过断口观察分析、物理性能分析、化学成分分析、金相检验分析以及扫描电镜能谱分析等手段，找出影响钢板桩腹板开裂的主要原因，并制定出相应解决措施。

2 钢板桩腹板开裂原因分析

2.1 腹板开裂部位断口形貌观察

开裂部位于该支钢板桩一端的打桩机夹持部位，外观呈月牙形。断口处位于腹板1/3 厚度位置有平行于轧制面的撕裂棱，断口横向两侧有辉纹。

2.2 开裂母材物理性能分析

在母材SY390 开裂部位上取物理性能和化学成分分析试样各1 块，对其进行物理性能分析检测，检测结果：屈服强度467 MPa，抗拉强度647 MPa，伸长率22%。由检测结果可知，开裂样品的物理性能符合JIS A5528：2012标准要求。

2.3 开裂母材化学成分分析

在开裂母材上取样，用直读光谱仪对其进行化学成分分析，检测结果见表1。由表1可知，开裂样品的化学成分符合JIS A5528：2012标准要求。

表1 开裂母材化学成分（质量分数）%

2.4 金相分析

垂直断口取纵截面试样，试样经金相切割机切割，在抛光机上粗磨、抛光后，用无水乙醇冲洗、风干后，置于蔡司显微镜下观察夹杂分布情况。非金属夹杂物按照GB/T 10561—2005评定，其中A类硫化物细系1.5 级，C 类硅酸盐粗系3s 级，D 类氧化物细系1.5 级，见图1。在断口开裂源处纵向试样，打磨抛光经4%硝酸酒精腐蚀液腐蚀8～10 s后，用无水乙醇冲洗、风干后，置于显微镜下观察显微组织情况，组织为铁素体+珠光体，铁素体平均晶粒度按照GB/T 6394-2017 评定为9.5 级，见图2。偏析带内有大量的灰色长条状硫化物夹杂以及马氏体组织［2］，见图3。

图1 断口处夹杂100×

图2 断口处金相组织100×

图3 偏析带处组织

2.5 电镜能谱分析

2.5.1 夹杂物能谱分析

将金相试样经超声波清洗后，在蔡司扫描电子显微镜下观察夹杂物形貌，并对其进行能谱分析。所有元素均已归一化。据图4 和表2 的结果显示，该夹杂物中含有较高含量的O、F、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti 等元素。经比对，其含量符合保护渣系基础组分SiO2·CaO·Al2O3，K、Na、Mg，属于保护渣熔剂组分，F 元素为保护渣固有元素，说明该C 类夹杂物为钢包浇铸过程中保护渣卷入形成的大型复合夹杂物［3］。

图4 夹杂能谱分析

表2 夹杂物能谱成分（质量分数）%

2.5.2 偏析带微区成分分析

经微区成分分析，偏析带内Nb 的含量为3.76%，说明偏析带内存在未完全固溶的合金元素。对灰色条状夹杂物能谱分析，结果显示主要成分为MnS夹杂。见表3、图5。

表3 夹杂物能谱成分（质量分数）%

图5 灰色条状夹杂物能谱分析

3 原因分析与控制措施

3.1 原因分析

钢板桩的腹板开裂部位存在明显的中心带状偏析，偏析带上有马氏体组织，有未完全溶解的Nb合金元素以及较多的硫化物夹杂。同时夹杂检测显示，C 类硅酸盐夹杂物超长超粗，这均是对钢的塑性、韧性及打桩工艺不利的因素［4］。

（1）钢板桩腹板中心的带状偏析是钢连铸时的内部缺陷之一。在浇铸中，中心偏析的存在会影响钢板桩成品的质量和加工性能。其形成原因是在铸坯的凝固过程中，由于铸坯的传热和冷却的不稳定性，导致柱状晶生长不稳定，生长较快的柱状晶在铸坯中心相遇形成“搭桥”，并且在铸坯中心呈断续分布［5］，同时在凝固末期由于液相到固相的体积收缩会产生一定空穴，富集溶质元素也被吸入到空穴中，液相穴内的钢液就被断断续续分布的“搭桥”分割开，当晶桥下面的钢液凝固收缩时得不到上部钢液的补充，凝固末端由于枝晶偏析和选分结晶的作用，易偏析元素C、S、P等元素在此被封闭，形成疏松或缩孔，并伴有中心偏析［6］。中心偏析会导致钢板桩腹板组织的不均性。偏析带处组织与正常组织都存在一定的组织应力，严重的中心偏析会导致钢材内部存在分层，降低钢材的强度。由于在铸坯中心附近有C、Mn、P、S 以及其他合金元素（如Nb）的富集、偏析，增加了奥氏体的稳定性，使C曲线右移，导致实际冷却速度大于临界冷却速度，从而形成条带富碳马氏体组织。这种组织高度富碳和合金元素的偏析，导致该偏析带处硬而脆，塑韧性差，影响钢材的冲击韧性，因此在打桩机震动打桩时，巨大的冲击力首先作用在最薄弱、应力集中比较严重的偏析带上，于是首先在偏析带内形成微裂纹，进而扩展到附近夹杂区，导致钢板桩腹板出现开裂现象。

（2）非金属夹杂物是在钢包浇铸过程中，由于保护渣和耐火材料卷入钢液中，未能及时上浮，残留在钢液中形成［7］。尤其是数量较多的大型C类硅酸盐夹杂物的存在［8］，在轧制时被压成片状，在纵截面上表现出严重的分层现象，破坏了钢材基体的连续性，造成钢材内部分层［9］，从而降低钢材物理性能，特别是降低钢材塑性、韧性及疲劳性，在施工现场打桩时容易形成应力集中点，导致桩体受夹持部位受力开裂。

3.2 控制措施

3.2.1 减少铸坯夹杂物的措施

（1）结合炼钢厂浇铸实际，采取保护浇铸措施，如氩气密封，水口密封卷，防止钢水从空气中吸氧吸氮，降低转炉终点溶解氧含量，控制在0.006%以内。

（2）适当增加吹氩时间，增强中包去除大型夹杂物的能力。优化中包钢水流场，减少死区，给大型夹杂物充足的上浮时间。防止中包覆盖剂在浇铸过程中结壳，使得吸附夹杂能力变差，保证软吹时间大于10 min。

（3）对中间包等设备所使用的耐火材料进行检查，可选用耐侵蚀的碱性耐火材料，可一定程度上减少大型夹杂物的形成，防止浇注过程钢水二次氧化以免产生新的夹杂物。

（4）确定合理拉速。正常拉速控制在0.2 m/min，避免结晶器液面波动，造成夹杂物上浮困难而难以去除，出现严重卷渣现象［10］。

3.2.2 中心偏析的控制措施

（1）采取低过热度浇铸。金属凝固主要经过结晶形核和晶体长大两个阶段，其中形核率和晶体生长速度和液态金属的过热度、温度梯度都有着密切的联系。过热度低，形核率高，越容易形成等轴晶，对减小中心偏析有利。因此，中包过热度控制在15～30 ℃。

（2）控制冷却强度。二冷配水采用弱冷却强度，控制柱状晶的生长，增加等轴晶比例，获得良好铸坯质量。避免强冷却强度下溶质元素还没析出就凝固。采取合适的二冷强度可减轻碳偏析程度。

（3）拉速在相同的浇铸过热度条件下，降低拉速也会使凝固散热量减少，坯壳加厚，减少碳偏析程度，降低有害夹杂元素含量（如S、P、O），S含量控制在0.010%以内，P 含量控制在0.020%以内，O 含量控制在0.006%以内，以提高钢纯净度，减少连铸坯中心偏析，改善钢板桩的内部质量。

4 改善效果

通过实施上述控制措施，通过金相检验分析，发现夹杂物得到较大改善，尤其是A 类硫化物和C类硅酸盐类夹杂物级别改善效果明显。改善后非金属夹杂物按照GB/T 10561—2005评定，A类硫化物细系1级，C类硅酸盐细系2级，D类氧化物细系1级，见图6。改善后组织为铁素体+珠光体，未见显微偏析带，带状组织3 级，铁素体平均晶粒度按照GB/T 6394—2017评定为9.5级，见图7。

图6 改善后夹杂100×

图7 改善后组织100×

5 结语

开裂的钢板桩内部存在的元素与组织偏析以及存在大型非金属夹杂物，破坏了钢板桩腹板组织的连续性，使钢板的塑性、韧性急剧变差。同时，硬而脆的马氏体组织的出现也使钢板的韧性变差，最终导致钢板桩在打桩时发生开裂现象。根据分析出的原因，针对性地对炼钢精炼、连铸以及轧后冷却各工序制定有效的改进措施，通过生产验证，腹板中心偏析问题得到有效解决。