高碳鋼內(nèi)部偏析優(yōu)化實(shí)踐

趙文濤 ，朱曉雷 ，寧生龍 ，李超 ，馬寧 ，田永久 ，李志剛

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；4.鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

鋼鐵材料中的高碳鋼產(chǎn)品如碳素工具鋼、彈簧鋼、合金工具鋼等廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、汽車制造等產(chǎn)業(yè)，其質(zhì)量對(duì)相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)整體品質(zhì)的提升有重要意義。高碳鋼由于碳含量高，合金成分復(fù)雜，凝固過(guò)程容易產(chǎn)生碳、硫、磷及部分合金元素的偏析，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量難以控制，直接影響產(chǎn)品組織性能的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)板坯連鑄相比，采用薄板坯連鑄生產(chǎn)高碳鋼具有的優(yōu)勢(shì)為：冷卻強(qiáng)度大，凝固速率高，鑄態(tài)組織的二次、三次枝晶更短，晶粒更加細(xì)小、均勻，微觀偏析得到改善，同時(shí)采用液芯壓下技術(shù)可進(jìn)一步減少鑄坯的中心偏析。國(guó)內(nèi)鋼企采用薄板坯連鑄試制生產(chǎn)高碳鋼時(shí)出現(xiàn)過(guò)開裂問(wèn)題，通過(guò)采取成分控制、工藝優(yōu)化等一系列措施提高了鑄坯的質(zhì)量。例如，山東日照鋼鐵公司采取提高成分控制精度、降低中間包過(guò)熱度、保持鑄機(jī)恒速率等措施有效改善了上述問(wèn)題［1-2］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡(jiǎn)稱“鲅魚圈”）1450連鑄機(jī)生產(chǎn)的高碳鋼在進(jìn)行深加工時(shí)，部分產(chǎn)品表面出現(xiàn)了開裂，因此對(duì)缺陷樣品進(jìn)行檢驗(yàn)分析，確認(rèn)產(chǎn)生原因，以便采取相應(yīng)措施，有效改善上述問(wèn)題，提高高碳鋼產(chǎn)品質(zhì)量。

1 主要設(shè)備情況

鲅魚圈產(chǎn)線配備鐵水預(yù)處理、260 t轉(zhuǎn)爐、LF和RH爐外精煉及具有動(dòng)態(tài)輕壓下和在線調(diào)寬功能的1450連鑄機(jī)，主要設(shè)備情況如表1所示。

表1 主要設(shè)備情況Table 1 Main Equipment State

2 存在的問(wèn)題及原因分析

對(duì)出現(xiàn)開裂的高碳鋼產(chǎn)品取樣觀察，試樣宏觀缺陷形貌見圖1。由圖1可見，裂紋缺陷存在于鋼板厚度方向中心部位。在裂紋處取樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕后，在ZEISS Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡下觀察。圖2為裂紋處微觀形貌，由圖2（a）可見，拋光態(tài)結(jié)果顯示裂紋處未觀察到氧化和脫碳；由圖2（b）可見，腐蝕態(tài)結(jié)果可見中心偏析帶。進(jìn)一步放大觀察腐蝕態(tài)試樣，圖3為試樣基體處和裂紋處組織形貌。由圖3（a）可見，基體處組織為珠光體+少量鐵素體；由圖3（b）可見，裂紋處組織為馬氏體+少量貝氏體。這說(shuō)明成分的偏析導(dǎo)致了組織的不同形態(tài)。

圖1 試樣宏觀缺陷形貌Fig.1 Appearance for Macroscopic Defect of Samples

圖2 裂紋處微觀形貌Fig.2 Microstructures in Location of Cracks

圖3 試樣基體處和裂紋處組織形貌Fig.3 Microstructures in Matrix and Location of Cracks on Samples

為了確認(rèn)各元素在鋼板中的偏析情況，使用電子探針對(duì)試樣進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，鋼板中C、Mn、P元素偏析非常嚴(yán)重，S元素存在局部偏聚，Si元素基本無(wú)偏析。

圖4 試樣成分電子探針?lè)治鼋Y(jié)果Fig.4 Analysis Results of Compositions in Samples by Electron Probe

基于以上分析可以判斷，由于熱軋板試樣厚度方向的中心部位存在較嚴(yán)重的C、Mn、P元素偏析，造成局部成分變化，進(jìn)一步導(dǎo)致組織變化使該處延伸率差，加工受力時(shí)造成鋼板開裂。

3 采取的措施

3.1 提高鑄機(jī)設(shè)備精度

由于鑄機(jī)投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，受備品備件不足、維護(hù)欠缺等各種因素影響，鑄機(jī)輥縫合格率不斷下降，不僅增大鑄坯內(nèi)部裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)造成動(dòng)態(tài)輕壓下的壓下量與目標(biāo)值不符，對(duì)鑄坯偏析控制有較大影響。通過(guò)分析枝晶檢驗(yàn)結(jié)果與輥縫合格率的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，輥縫合格率的下降基本都伴隨著枝晶檢驗(yàn)結(jié)果的惡化，這說(shuō)明了輥縫控制精度對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量影響較大。因此，經(jīng)過(guò)多次跟蹤評(píng)價(jià)鑄機(jī)輥縫狀態(tài)，結(jié)合輥縫測(cè)量結(jié)果，對(duì)每個(gè)扇形段狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)并制定調(diào)整或更換計(jì)劃，將鑄機(jī)輥縫合格率由85.38%穩(wěn)步提高到90.42%。

3.2 優(yōu)化生產(chǎn)工藝

若鑄機(jī)澆鑄速度和中間包澆鑄溫度波動(dòng)，連鑄坯凝固末端位置會(huì)隨之變化，動(dòng)態(tài)輕壓下位置必然隨之調(diào)整，造成輕壓下位置不準(zhǔn)且壓下量不足，嚴(yán)重影響輕壓下效果，加重鑄坯偏析。為了保證鑄機(jī)恒速、低溫、恒溫澆鑄，采取了以下優(yōu)化工藝措施。

3.2.1 優(yōu)化成分檢驗(yàn)工藝

高碳鋼成分檢驗(yàn)一直存在碳含量波動(dòng)大問(wèn)題，導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響精煉處理時(shí)間和成品成分控制精度。為了提高成品成分檢驗(yàn)可靠性，組織評(píng)價(jià)了不同銑磨深度對(duì)碳含量檢驗(yàn)精度的影響。選取同一批中間包樣品，每個(gè)樣品的銑磨深度均設(shè)置為A、B、C、D 4個(gè)組距，每個(gè)組距檢驗(yàn)兩點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)所有樣品同一銑磨深度下碳含量偏差的平均值，得到不同銑磨深度對(duì)碳含量偏差的影響如圖5所示。

圖5 不同銑磨深度對(duì)碳含量偏差的影響Fig.5 Effect of Various Grinding Depths on Deviation of Carbon Content

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)銑磨深度達(dá)到B時(shí)，可以在基本不影響檢驗(yàn)時(shí)間的前提下提高檢驗(yàn)精度，使碳含量檢驗(yàn)穩(wěn)定性更好，更有利于控制精煉處理時(shí)間。

3.2.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐配碳工藝

轉(zhuǎn)爐碳成分一直按照成品上限的90%進(jìn)行控制，造成精煉工序補(bǔ)碳量大。因?yàn)樵鎏紕┟芏刃?，精煉可處理時(shí)間短，所以精煉過(guò)程的碳收得率不高而且波動(dòng)很大，補(bǔ)碳量越大，這種現(xiàn)象越明顯，造成精煉處理時(shí)間不受控，嚴(yán)重影響鑄機(jī)拉速的穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐及理論分析發(fā)現(xiàn)，將轉(zhuǎn)爐碳成分控制目標(biāo)由內(nèi)控上限的90%提高到100%，可以顯著減少精煉補(bǔ)碳量，有效縮短并穩(wěn)定精煉處理時(shí)間，進(jìn)而穩(wěn)定控制鋼水成分。優(yōu)化前后精煉補(bǔ)碳量及處理時(shí)間的對(duì)比見圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后精煉補(bǔ)碳量及處理時(shí)間的對(duì)比Fig.6 Comparison of Supplementary Carbon Quantity for Refining and Treatment Time before and after Optimization

3.2.3 優(yōu)化鑄機(jī)目標(biāo)拉速和中間包過(guò)熱度控制

（1）理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鑄機(jī)拉速每提高0.1 m/min，鑄坯凝固末端會(huì)后延0.5～1.5 m。如果生產(chǎn)過(guò)程中鑄機(jī)拉速波動(dòng)范圍較大，那么凝固末端位置波動(dòng)范圍也會(huì)較大，則動(dòng)態(tài)輕壓下位置調(diào)整時(shí)間隨之延長(zhǎng)，這期間生產(chǎn)的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量無(wú)法得到保證。為了保證動(dòng)態(tài)輕壓下效果，在保證拉速最高限定值不變的前提下，將拉速的允許波動(dòng)范圍差由0.55 m/min縮減為0.20 m/min。

（2）中間包過(guò)熱度也會(huì)對(duì)凝固末端位置造成一定影響。中間包過(guò)熱度控制過(guò)高或過(guò)低，不僅會(huì)造成鑄機(jī)降速或升速，影響動(dòng)態(tài)輕壓下效果，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)事故。對(duì)3年內(nèi)高碳鋼的中間包過(guò)熱度實(shí)際控制情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，中間包過(guò)熱度普遍控制在目標(biāo)上限，還存在較多中間包溫度高導(dǎo)致鑄機(jī)降速的情況。據(jù)此將高碳鋼中間包目標(biāo)過(guò)熱度在原來(lái)的基礎(chǔ)上降低了5℃，不僅保證了鑄機(jī)拉速的穩(wěn)定，而且實(shí)現(xiàn)了低過(guò)熱度澆鑄，可有效改善鑄坯偏析。

3.2.4 優(yōu)化鑄機(jī)輕壓下工藝

對(duì)鑄機(jī)動(dòng)態(tài)輕壓下工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將輕壓下區(qū)間由40%～95%調(diào)整至50%～120%，平均壓下量增加35%。

3.2.5 優(yōu)化鑄坯凝固模型

原鑄坯凝固模型中，碳含量范圍為0.2%～1.2%的鋼種只劃分了4組，且物性參數(shù)相同，同一鋼種組涵蓋的鋼種范圍大，導(dǎo)致模型與鋼種匹配不佳，凝固末端位置計(jì)算偏差大，嚴(yán)重影響鑄機(jī)輕壓下效果。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際品種情況，將4組鋼種細(xì)分為20組，并對(duì)凝固模型內(nèi)的物性參數(shù)進(jìn)行修正完善，使模型的凝固末端位置與實(shí)際凝固位置更好符合。優(yōu)化前后鑄坯凝固模型的對(duì)比如表2。

表2 優(yōu)化前后鑄坯凝固模型的對(duì)比Table 2 Comparison of Casting Blank Solidification Models before and after Optimization

3.3 建立“關(guān)鍵點(diǎn)”控制體系

結(jié)合生產(chǎn)情況和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析提煉出設(shè)備精度要求、成分和溫度控制等17個(gè)質(zhì)量控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并建立“關(guān)鍵點(diǎn)”控制體系，以此為基礎(chǔ)開展高碳鋼關(guān)鍵點(diǎn)的日常監(jiān)控并糾正執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的偏差，為改善鑄坯偏析提供重要的管理手段。

4 取得的效果

通過(guò)采取以上措施，有效地改善了高碳鋼鑄坯中心偏析缺陷，B0.5級(jí)以內(nèi)的比例由72%提高到92%，高碳高錳鋼碳偏析度由1.34降至1.10以下，錳偏析度由1.27降至1.08以下。優(yōu)化前后鑄坯形貌對(duì)比見圖7。

圖7 優(yōu)化前后鑄坯形貌對(duì)比Fig.7 Comparison of Casting Blank Appearances before and after Optimization

5 結(jié)論

（1）分析鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司生產(chǎn)的高碳鋼產(chǎn)品表面開裂原因是熱軋板厚度方向中心部位存在較嚴(yán)重的C、Mn、P元素偏析引起局部成分變化，進(jìn)一步導(dǎo)致組織變化使該處延伸率變差，加工受力時(shí)造成。

（2）根據(jù)分析結(jié)果，采取了如下措施：加強(qiáng)鑄機(jī)輥縫狀態(tài)跟蹤評(píng)價(jià)，鑄機(jī)輥縫合格率由85.38%穩(wěn)步提高到90.42%；優(yōu)化鋼水成分檢驗(yàn)工藝，避免工序過(guò)程碳含量波動(dòng)大；將轉(zhuǎn)爐碳含量控制由內(nèi)控上限的90%提高到100%，減少了精煉工序補(bǔ)碳量；優(yōu)化鑄機(jī)目標(biāo)拉速和中間包過(guò)熱度控制，將拉速的允許波動(dòng)范圍差值由0.55 m/min縮減為0.20 m/min，中間包目標(biāo)過(guò)熱度在原來(lái)的基礎(chǔ)上降低了5℃，穩(wěn)定了鑄坯凝固末端的位置；優(yōu)化鑄機(jī)輕壓下工藝，平均壓下量增加35%；細(xì)化高碳鋼鋼種凝固模型，并對(duì)凝固模型內(nèi)的物性參數(shù)進(jìn)行修正完善；提出17個(gè)質(zhì)量控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并建立“關(guān)鍵點(diǎn)”控制體系，為改善鑄坯偏析提供重要的管理手段。

（3）通過(guò)采取上述措施，有效地改善了高碳鋼鑄坯中心偏析缺陷，B0.5級(jí)比例由72%提高到92%，高碳高錳鋼碳偏析度由1.34降至1.10以下，錳偏析度由1.27降至1.08以下，提高了高碳鋼鑄坯質(zhì)量。