硬線鋼盤條質量分析與工藝優(yōu)化

梁 勝,周 江,蔣世川

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,成都610303)

硬線鋼盤條質量分析與工藝優(yōu)化

梁 勝,周 江,蔣世川

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司,成都610303)

針對硬線鋼盤條拉拔φ3mm以下規(guī)格細絲時常出現斷絲的問題,對盤條進行分析,并與國內其他先進廠家盤條進行質量對比,造成盤條拉拔性能差的原因有鋼質大型夾雜、鑄坯殘余縮孔、化學成分控制波動范圍大、盤條S含量及[N]含量高等。對鐵水預處理、脫氧、LF精煉及連鑄工藝進行了優(yōu)化研究,盤條質量得到提高,拉拔斷絲率明顯降低,使硬線鋼的盤條品質達到了下游用戶拉拔絲的要求。

硬線鋼盤條;拉拔斷絲;分析;工藝優(yōu)化

1 引言

硬線也稱硬線盤條,通常把優(yōu)質碳素結構鋼中含碳量不小于0.45%的中高碳鋼軋制的線材稱為硬線[1]。硬線鋼是中高碳鋼,是金屬制品行業(yè)的主要原料;通過拉絲后廣泛用于加工各種鋼絲、各類鋼絞線、鋼絲繩、彈簧鋼絲等,其拉拔性能好壞直接影響著制品廠的使用和產品的性能,多年來國內外線材廠在研制硬線產品時一直追求高的線材加工性能,并取得了不少效果,其線材的拉拔性能得到了很大提高[2—6],但目前優(yōu)質硬線仍存在一些問題,造成了其拉拔脆斷[7]。

攀鋼集團成都鋼釩有限公司(以下簡稱“攀成鋼”)使用轉爐生產的硬線鋼,經高線軋制成盤條后,發(fā)至下游用戶在拉拔到φ3mm以下規(guī)格時常出現斷絲現象,用戶提出了質量異議,給公司造成了損失。為此對生產的硬線鋼盤條進行了分析,并與國內其他先進廠家盤條進行了質量對比,找出導致盤條拉拔性能差的原因,從而對冶煉工藝進行了優(yōu)化,提出了具體解決措施,使硬線鋼的盤條品質達到下游用戶拉拔絲的要求。

2 硬線鋼轉爐生產工藝流程

高爐鐵水→混鐵爐→鐵水組罐、預脫硫、扒渣→轉爐冶煉→出鋼調渣→鋼包吹氬→LF爐精煉→五機五流150mm×150mm方坯連鑄→步進冷床→高線軋制→時效處理→拉拔絲(φ1mm～5mm)。

3 盤條質量分析

3.1 化學成分分析

對攀成鋼連續(xù)生產的78爐65鋼盤條化學成分進行分析,與國內生產硬線鋼盤條質量較好的A、B廠盤條進行對比,其對比情況見表1。

從化學成分對比情況看,65鋼盤條的化學成分與A、B廠相比,主要差異元素為C、Mn、S;平均C含量相當但攀成鋼盤條控制不穩(wěn)定,波動范圍大,不利于盤條性能的穩(wěn)定;由于攀成鋼與國內A、B廠高線機組裝備不同,因此在成分設計上也不同,Mn含量相對偏高,平均達到0.67%;實際生產平均S含量為0.015%,與A、B廠S含量控制在0.005%～0.008%相比差距較大,當鋼中S含量高時,形成的大型硫化物非金屬夾雜物在拉拔過程中,位錯大量在夾雜物相晶面處堆積,造成應力集中,從而引發(fā)微裂紋導致拉拔斷裂。

3.2 [O]、[N]含量分析

為保證盤條的質量,在煉鋼生產過程中必須降低鋼中[O]、[N]含量。鋼中[O]含量高,盤條塑性下降,對于直徑為φ5mm以下的硬線鋼,LF精煉采用較低的爐渣堿度,將鋼液Al含量控制在(2～6)×10—6,爐渣A12O3的質量分數應控制在7%以下;鋼液氧活度a[O]大約在25ppm～50ppm,可使鋼中夾雜物成為塑性夾雜物[8]。鋼中[N]含量過高,氮在鐵素體中的溶解度隨溫度降低而急劇下降,快速冷卻時,鋼中氮過飽和,部分與其他元素結合成氮化物,部分游離氮以Fe4N形式析出并沿晶界分布,使鋼變脆,產生“時效脆性”,實踐表明必須控制鋼中[N]≤60ppm。

表1 65鋼盤條化學成分對比情況

鑄坯及盤條[O]、[N]含量對比情況見表2。由表2可見,攀成鋼鑄坯與盤條[O]、[N]含量相差不大,盤條[O]含量平均為23ppm,范圍在17ppm～34ppm,[N]含量平均為50ppm,范圍為37ppm～66ppm;與國內A、B廠的盤條[O]、[N]含量對比,其[O]含量控制較低、[N]含量相當。雖然采用含鋁脫氧工藝將[O]含量控制較低,但其脫氧生成的簇群狀或塊狀Al2O3類夾雜物,在軋制過程中不易變形,對硬線盤條的拉拔性能非常有害,因此必須優(yōu)化脫氧工藝,控制鋼中Al2O3類夾雜物;為實現盤條中氮含量不大于60ppm,應加強冶煉過程及中間包增氮的控制。

表2 鑄坯及盤條[O]、[N]含量對比情況

3.3 非金屬夾雜物分析

非金屬夾雜物的類型、級別、數量、形態(tài)和分布對盤條的各項綜合性能有重要影響。夾雜物降低盤條的延展性、韌性和疲勞強度,破壞金屬的連續(xù)性成為盤條破斷的裂紋源;夾雜物附近還容易形成應力集中,受力時加速盤條的斷裂過程[9],對于硬線鋼顯微夾雜中危害最大的主要是B類夾雜物;非金屬夾雜物對比評級情況見表3。

圖1 缺陷形貌

在X100的顯微鏡視場情況下觀察非金屬夾雜物形態(tài),發(fā)現攀成鋼硬線鋼主要是A類硫化物和B類A12O3夾雜物評級偏高,盤條整個檢驗面內非金屬夾雜物總數少,但單個夾雜物尺寸較大、評級較高;A、B等廠其非金屬夾雜物評級A、B、C、D、DS類夾雜物評級較低,且夾雜物總量較少。

表3 非金屬夾雜物對比情況

用戶在拉絲過程中出現斷裂,將缺陷盤條清洗后置于掃描電鏡下觀察,SEM-SEI模式觀察發(fā)現斷口呈塑性撕裂狀特征,有明顯的變形韌窩,見圖1、2所示。SEM-BEI模式觀察發(fā)現斷口表面有異物(圖3黑色物質),見圖3所示,用能譜儀確認異物的主要成分為Na、Al、Si、P、S、Ca、O,具體成分見圖4。

圖2 斷口表面形貌

圖3 斷口表面異物

圖4 異物能譜分析成分

從斷口掃描電鏡和能譜分析看,斷裂起始源處均有大型夾雜物(內生夾雜和外生夾雜),存在CaS和鋁酸鈣系夾雜物的富集并伴有連鑄保護渣的卷入;另外,斷口處還發(fā)現了P、Zn元素,主要是拉拔過程中磷化處理時發(fā)生斷裂附著在斷口表面所致,為外來污染物。

通過分析認為,要解決硫化物夾雜必須加強鐵水預處理脫硫,降低入爐鐵水硫含量;要解決鋁酸鈣系夾雜物的存在必須進行精煉渣系調整,在精煉時采用低堿度、低A12O3含量渣系;要防止卷渣得研究保護渣性能及控制結晶器液面穩(wěn)定。

3.4 鑄坯質量分析

跟蹤生產情況發(fā)現連鑄坯低倍存在殘余縮孔比較嚴重,最終將影響到盤條內部質量,造成拉拔過程中出現斷絲,特別是在拉拔φ3mm以下規(guī)格細絲時表現特別突出。鑄坯生產過程中拉速過快、鋼水過熱度較高、冷卻強度過強極易造成鑄坯內裂,液相穴明顯變長,推遲了等軸晶形核和長大,擴大柱狀晶區(qū),鑄坯澆注時中心產生“搭橋”現象,當殘余鋼液凝固收縮時,得不到其他鋼液的補充,會在心部形成封閉的縮孔,并伴隨著中心偏析和夾雜物的富集,特別是在無電磁攪拌情況下表現更突出。這種缺陷嚴重時,軋制過程不能焊合,拉拔受力時心部產生應力集中從而首先斷裂,最終形成“筆尖”狀斷裂。在顯微鏡下觀察發(fā)現其典型特征是:斷裂部位旁側無高溫氧化現象,亦無大型非金屬夾雜物,在斷裂部位的縱向延伸方向發(fā)現一定數量的孔洞,孔洞內存在顆粒狀非金屬夾雜物,孔洞內部有不同程度的氧化。由鑄坯殘余縮孔造成的典型“筆尖”狀斷裂缺陷宏觀形貌和微觀特點見圖5、6所示。

圖5 缺陷形貌及附近的孔洞12.5×

圖6 缺陷孔洞內的夾雜物500×

4 工藝過程控制優(yōu)化

4.1 鐵水預處理優(yōu)化

為防止出現盤條硫的富集和偏析,必須降低源頭鐵水的硫含量,保證鐵水脫硫前S≤0.080%、溫度T≥1 250℃。強化鐵水預處理脫硫,盡可能降低鐵水硫含量;采用單翻鐵水噴粉脫硫,鐵水初渣厚50mm以上,撈初渣;保證脫硫后撈渣干凈,撈渣率≥95%;脫硫后禁止勾兌未脫硫鐵水;保證入轉爐鐵水硫含量≤0.030%。

4.2 轉爐冶煉優(yōu)化

為降低轉爐終點氧化性,控制轉爐終點[C]≥0.10%,轉爐終點[P]≤0.010%,出鋼溫度根據生產節(jié)奏控制在1 600℃—1 660℃。為降低硬線鋼中A12O3等脆性夾雜物的數量,并保證鋼中夾雜物為塑性夾雜物,轉爐終點采用無鋁脫氧工藝;轉爐出鋼過程采用鈣系脫氧劑進行無鋁脫氧,加入量2.0kg/t～3.0kg/t,采用碳錳球增碳,提高鋼液純凈度,并在出鋼過程隨鋼流加入復合脫硫劑300kg/爐進行出鋼過程渣洗。

4.3 LF精煉優(yōu)化

針對原工藝精煉過程精煉渣系堿度平均控制在2.69(范圍2.30～2.96),相對偏高且終渣Al2O3含量偏高平均15.48%(范圍14.47%～16.48%),產物為富鈣夾雜物,其變形能力低,并且當爐渣Al2O3含量高時,易產生高熔點Al2O3夾雜的情況。對LF精煉渣系進行優(yōu)化,通過LF精煉過程禁止喂Al線脫氧;采用新型低堿度合成渣造渣,取消含鋁造渣材料加入(如合成渣、鋁礬土、鋁粉等),加入SiC、FeSi粉或少量精煉劑強化脫氧脫硫效果;保證埋弧操作,控制精煉過程增氮,形成更容易吸附鋼中夾雜物且使鋼中夾雜物塑性化的低堿度渣系,其堿度小于2.0,爐渣A12O3的質量分數在7%以下。整個精煉過程根據需要調減Ar氣流量,隨時觀察Ar氣攪拌情況,保證鋼液S≤0.010%。強化LF化學成分控制,微調鋼中碳、硅、錳等成分到內控要求范圍內,保證爐與爐之間C元素控制在±0.01%以內且化學成分均勻。強化白渣及靜吹效果,保證LF白渣時間15min和靜吹時間10min以上,促進夾雜物的充分上浮吸附。

4.4 連鑄優(yōu)化

為改善鑄坯殘余縮孔缺陷,提出穩(wěn)定連鑄工藝制度,增加結晶器電磁攪拌確定合理的攪拌參數,對連鑄中間包過熱度、拉速及二冷制度進行調整。

為改善鑄坯質量,增加了結晶器電磁攪拌,通過不同結晶器電磁攪拌參數試驗,采用電攪的鑄坯低倍質量明顯優(yōu)于未采用電攪的鑄坯低倍質量,鑄坯中心縮孔、中間裂紋、近表面裂紋得到明顯改善且鑄坯等軸晶明顯,確定了3.5HZ、380A的合理攪拌參數。高碳鋼鑄坯等軸晶率最低,且等軸晶率受鋼水過熱度影響最敏感,ΔT＞25℃就會發(fā)生穿晶現象,鑄坯容易產生縮孔,控制鋼水過熱度是獲得良好的內部質量的關鍵因素;因此降低鋼水過熱度,保證過熱度按15℃～25℃控制。為保證鑄坯質量根據鋼水過熱度與拉速合理進行匹配,降低澆鑄拉速且使拉速波動在(1.85±0.05)m/min以內,實行恒拉速澆鑄。適當調整二冷制度采用弱冷制度,二冷比水量控制根據鋼種和季節(jié)不同按0.65L/ kg～0.70L/kg控制且保證二冷的均勻。全程采用保護工藝,避免鋼水出現二次氧化、過程增氮。為防止卷渣,連鑄結晶器使用低黏度保溫性好的速熔高碳鋼專用保護渣,穩(wěn)定結晶器液面波動。

5 盤條質量控制效果

以65鋼盤條為例,通過對工藝優(yōu)化前后盤條質量控制效果進行對比分析,取得了良好的效果,硬線鋼的盤條品質達到了下游用戶拉拔絲的要求。

5.1 化學成分及[O]、[N]含量

盤條工藝優(yōu)化前后化學成分及氣體含量見表4。盤條化學成分控制波動范圍更窄,特別是C、Mn元素控制更穩(wěn)定、均勻,有利于盤條性能穩(wěn)定,另外盤條S含量全部控制在≤0.010%;通過控制鋼中鋁含量和渣中A12O3的質量分數,得到在鈣斜長石與磷石英和假硅灰石相鄰的周邊區(qū)域的低熔點夾雜物,雖然盤條平均[O]含量30ppm稍微高于優(yōu)化前,但此類夾雜物具有良好的變形能力;盤條平均[N]含量46ppm比優(yōu)化前降低4ppm,控制過程增氮措施取得的效果明顯,有利于降低鋼的“失效脆性”。

表4 盤條工藝優(yōu)化前后化學成分及氣體含量

5.2 非金屬夾雜物

盤條非金屬夾雜物評級見表5。工藝優(yōu)化后盤條A、B、C、D、DS類非金屬夾雜物得到改善,特別是A類、B類夾雜物評級較低且夾雜物總量較少,效果明顯。

表5 工藝優(yōu)化前后盤條非金屬夾雜物評級

5.3 鑄坯質量

鑄坯低倍形貌見圖7、8。從圖7、8可見,從鑄坯優(yōu)化前后中心疏松、殘余縮孔、中心裂紋、中間裂紋及近表面裂紋等的評級情況看,全部為1類坯,但優(yōu)化后鑄坯殘余縮孔得到有效解決。

圖7 優(yōu)化前低倍形貌

圖8 優(yōu)化后低倍形貌

5.4 盤條用戶使用情況

通過與用戶交流攀成鋼工藝優(yōu)化后生產的硬線鋼盤條拉拔φ3mm以下規(guī)格細絲的使用情況,從反饋的信息看,拉拔斷絲率明顯降低,其生產過程穩(wěn)定;盤條質量與國內其他先進廠家盤條質量相當。

6 結論

通過與用戶交流和對國內其他先進廠家生產的硬線鋼盤條進行對比分析,找到導致盤條拉拔性能差的原因;通過對冶煉工藝進行了優(yōu)化,盤條質量得到提高,拉拔斷絲率明顯降低,使硬線鋼的盤條品質達到了下游用戶拉拔絲的要求。

(1)造成盤條拉拔性能差的原因主要是由鋼質大型夾雜(硫化物系、鋁酸鈣系內生夾雜和卷渣帶來的外生夾雜)和鑄坯殘余縮孔造成,其次化學成分控制波動范圍大、鋼中S含量及[N]含量高對盤條拉拔性能也有一定影響。

(2)從源頭降低鐵水S含量,優(yōu)化鐵水預處理工藝控制入轉爐含S總量,盤條S含量有效控制在0.010%以內。

(3)通過采用無鋁脫氧,精煉時采用低堿度和低A12O3含量渣系并強化LF化學成分控制、過程Ar氣控制、白渣及靜吹時間控制和連鑄采用全程保護澆鑄等工藝優(yōu)化措施;使鋼中夾雜物級別低數量少且具有良好的變形能力、化學成分控制穩(wěn)定均勻、過程增氮控制效果明顯。

(4)通過連鑄采用合理的結晶器電磁攪拌參數、低過熱度、低拉速及低比水量控制可改善鑄坯殘余縮孔缺陷;采用低黏度保溫性好的速熔高碳鋼專用保護渣和實行恒拉速澆鑄,可防止結晶器卷渣。

[1] 袁志學,楊林浩.高速線材生產[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005,1:211.

[2] 尹青,李長榮,謝祥,等.高碳硬線鋼快速脫磷熱力學分析[J].鋼鐵釩鈦,2009,30(4):72—75.

[3] 覃之光,杜美文,周新龍.高碳鋼82B精煉過程夾雜物的研究[J].煉鋼,2004,20(3):37—38.

[4] 張翔.高碳鋼82B線材的質量改進[J].軋鋼, 2001,18(4):20—23.

[5] 王一俊.杭鋼高線廠的生產工藝和裝備[[J].軋鋼,2002,19(4):34—37.

[6] 蔣躍東,杜江兵,練瑞民,等.降低高碳鋼線材中脆性夾雜物的試驗研究[J].包鋼科技, 2003,29(4):55—57.

[7] 于同仁,劉開升,張步海.高碳硬線拉拔脆斷原因分析[J].安徽冶金,2002(3):1—4.

[8] 王新華,等.硬線鋼中非金屬夾雜物控制[J].金屬制品,2005,31(5):9—13.

[9] 張寄東.高碳硬線鋼冶煉新工藝及性能優(yōu)化研究[D].內蒙古:內蒙古科技大學,2011:1—71.

Quality Analysis and Process Optimization on Hard Wire Rod

LIANG Sheng,ZHOU Jiang,JIANG Shi-chuan

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.Chengdu 610303,Sichuan,China)

Addressing the problem concerning frequent wire fracture during the drawing process of thin steel wire belowφ3mm,this article analyses the wire rods and compared their quality with the wire rods made by other advanced domestic manufacturers.It is found that the poor drawing property of wire rod is caused by large steel inclusion,cast billet shrinkage,large deviation of chemical composition control and large content of S and N.Processes of hot metal pretreatment, deoxidation,LF refining and continuous casting are optimized,as a result,the wire rod quality is improved,the drawing fracture rate is significantly reduced,which enable the hard wire rods to meet the drawing requirements of downstream users.

hard wire rod;drawing fracture;analysis;process optimization

1001—5108(2016)03—0045—07

TG115

A

梁勝,煉鋼工程師,主要從事工藝技術管理工作。