应用分享｜夹杂物对螺纹钢筋质量影响的综合分析案例

1 引言

螺纹钢广泛用于房屋、桥梁、道路等土建工程建设，其质量优略会影响到国民经济的方方面面。相关标准中对螺纹钢筋的表面质量作了明确规定，表面不得有裂缝、结疤和折迭，不得存在使用上有害的缺陷。钢筋的表面允许有凸块，但不得超过横肋的高度，钢筋表面上其它缺陷的深度和高度不得大于所在部位尺寸的允许偏差等。

利用电镜、能谱、光镜分析方法对4例热轧螺纹钢筋典型缺陷进行综合分析，结果均与连铸坯局部存在外来或内生夹杂物聚集及裂纹等有关。找出缺陷成因，为改进工艺提供依据。

2 分析案例

常用的HRB400(E)螺纹钢筋的钢种是20MnSiV，多采用SiMn脱氧，如果脱氧不良或夹杂物上浮不充分，钢中存在较多的内生夹杂物主要是硅酸盐类氧化物。而钢中常见的外来夹杂物多为保护渣，如果连铸过程中结晶器异常波动、拉速不稳、水口破损、保护渣质量不好等均会造成保护渣卷渣，导致在连铸坯表面或皮下产生保护渣偏聚、局部增碳、局部开裂等缺陷，这些缺陷都会遗传到螺纹钢筋上。

2.1 HRB400E螺纹钢筋表面纵向条带状缺陷分析

采用规格为150mmⅹ50mm的连铸方坯热轧成直径为Φ12mm的HRB400E螺纹钢筋，检查发现部分钢筋表面存在纵向分布的条带状缺陷，见图1。在缺陷严重部位取样分析。

金相分析：样品横截面表面局部存在网状裂纹缺陷，裂纹中间及周围存在大量条状夹杂物，见图2；缺陷周围组织有明显的增碳现象，组织为珠光体+铁素体，而正常部位的组织为F+P，见图3。

电镜能谱分析：缺陷周围条状夹杂物经能谱分析是以氧化硅、氧化钙为主，并含部分氧化钠、氧化镁、氧化铝、氧化钾、氟化钙的复合夹杂物，该夹杂物是外来的保护渣，见图4。

分析判断：连铸坯表面和皮下存在裂纹、保护渣偏聚等缺陷，导致后续热轧过程中在钢筋局部产生纵向分布的条带状裂纹缺陷；混入钢中的保护渣因碳含量较高（该钢种采用低碳保护渣碳含量3-5%左右），在高温下保护渣高碳会向周围低碳基体扩撒而造成局部增碳。

图1 钢筋表面纵向分布的条带状缺陷局部宏观形貌

图2 样品横截面表面网状螺纹中间及周围大量条状夹杂物局部形貌 （ 50X 100X 200X）

图3 样品横截面表面裂纹周围增碳组织P+F、正常部位组织F+P局部形貌 100X

图4 样品横截面表面缺陷周围条状夹杂物局部形貌、夹杂物成分能谱定性分析结果

2.2 HRB400螺纹钢筋表面纵向耳子缺陷分析

在生产规格为Φ16mm的HRB400螺纹钢筋过程中，发现部分钢筋存在纵向分布的“裂纹”缺陷，在裂纹附近一个纵肋部位存在明显凸起的类似“耳子”缺陷，远远高于正常纵肋高度。在缺陷部位取多个样品进行分析。宏观观察：样品横截面对应耳子下部存在较大黑灰色块状疑似“夹渣”缺陷，耳子一侧存在折叠，折叠的开口部位实际上对应的是钢筋表面纵向裂纹部位，见图5。

将样品超声波清洗后入电镜进行分析：耳子下部较大块状夹杂物经能谱分析是混入钢中的保护渣（以氧化硅、氧化钙为主，并含少量氧化钠、氧化镁、氧化铝、氧化钾、氟化钙等）；成分中还含有部分氧化锆，表明中包水口有破损未及时更换，是造成液面异常波动及卷渣原因之一，见图6。

分析判断：连铸过程中可能存在浸入式水口局部破损、液面异常波动等，造成结晶器保护渣卷渣至连铸坯的皮下，后续热轧过程中在相应缺陷部位形成折叠、保护渣偏聚、耳子等缺陷。由于大块状保护渣的硬度高于钢的硬度，轧制过程中二者变形性不同，导致螺钢筋对应大块保护渣部位的一个纵肋被严重挤起而形成明显的“耳子”缺陷。

图5 钢筋表面纵向裂纹及耳子缺陷、横截面耳子下部夹渣及一侧折叠局部形貌

图6 耳子缺陷下部块状夹杂物电镜局部形貌、夹杂物成分能谱定性分析结果

2.3 HRB400E螺纹钢筋冷弯脆断原因分析

规格为Φ25mm的HRB400E螺纹钢筋进行冷弯试验过程中发生横向脆断。宏观观察：断口开裂源位于表面一横肋的根部，开裂源部位断口较平坦，裂纹扩展区呈放射状，为典型的脆性断口。电镜观察：横截面边缘开裂源部位存在较多块状夹杂物，能谱分析这些夹杂物是硅酸盐，见图7。裂纹扩展区断口形貌为脆性解理。

将一个断口磨制横截面观察夹杂物分布情况，在开裂源及附近基体中存在较多黑灰色小颗粒状夹杂物，在近表面夹杂物最多部位再磨制纵截面进行观察，发现大量黑灰色条状夹杂物，部分夹杂物超长，能谱分析这些条状夹杂物是硅酸盐，与断口分析结果一致，见图8。

分析判断：该螺纹钢筋横肋根部及周围有大量硅酸盐夹杂偏聚，表明钢的脱氧不良或夹杂物上浮不充分，该开裂源部位可能对应的是连铸坯的内弧侧。大量条状夹杂物分割基体，受力弯曲过程中夹杂物聚集严重的缺陷部位产生应力集中，导致在最薄弱部位产生横向开裂、裂纹扩展直至脆断。

图7 钢筋横截面断口开裂源、开裂源部位夹杂物形貌、夹杂物成分能谱定性分析结果

图8 钢筋横截面开裂源部位颗粒状夹杂物、纵截面条状C类夹杂物局部形貌

2.4 HRB400螺纹钢筋轧断原因分析

在轧制规格为Ф12mm的HRB400螺纹钢筋过程中出现轧断事故，见图9。缺陷部位取样观察:断裂边缘及延伸裂纹中间有氧化铁和夹杂物，周围有大量氧化圆点和条块状夹杂物，缺陷周围有明显的氧化脱碳。电镜能谱分析这些夹杂物是硅酸盐，见图10。

分析判断：连铸坯局部存在裂纹、大量硅酸盐夹杂物聚集等缺陷，导致后续热轧过程中在螺纹钢筋夹杂物聚集最多最薄弱部位产生轧断质量事故，轧断钢筋缺陷部位有大量氧化圆点及严重脱碳，表明轧断部位除存在大量夹杂物外，还存在连铸坯原始裂纹。

图9 钢筋局部轧断缺陷局部宏观形貌

图10 轧断样品横截面缺陷部位夹杂物局部形貌、夹杂物成分能谱定性分析结果

3 结束语

无论是内生夹杂物还是外来夹杂物如果大量偏聚于钢坯的表面及皮下均会造成后续热轧螺纹钢筋局部产生裂纹、折叠等缺陷，严重的会产生轧断事故。钢中存在大量夹杂物破坏了钢的连续性，降低钢的强度、塑性和韧性，受力后易产生应力集中,促使裂纹萌生、扩展至断裂。

炼钢连铸加强工艺改进，提高钢坯的纯净度和内外表面质量，保证后续生产出合格的螺纹钢筋，提高产品的使用性能和安全性。

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