螺紋鋼表面缺陷和組織性能不穩(wěn)定的原因分析與控制實(shí)踐

寇雨成,張 皞,潘 軍,王 磊

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

螺紋鋼是房屋、交通、水利等土建工程中不可或缺的建筑材料之一,近年來隨著中國城鎮(zhèn)化率的不斷提高,國家在交通設(shè)施、水利工程等基礎(chǔ)建設(shè)持續(xù)投入,螺紋鋼需求強(qiáng)烈,也是國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的主要產(chǎn)品類型原因之一[1, 2]。電爐流程生產(chǎn)螺紋鋼也是國內(nèi)常見方式之一[3-5],電爐流程較轉(zhuǎn)爐長流程具有明顯優(yōu)勢,不需要高爐、煉焦、燒結(jié)、球團(tuán)等鐵前系統(tǒng),碳排放低,能夠較多地使用周邊的廢鋼資源,在生產(chǎn)組織上也可以根據(jù)市場需求、電價(jià)和原料等因素進(jìn)行間斷生產(chǎn)[6]。針對國內(nèi)某鋼廠電爐流程生產(chǎn)的螺紋鋼HRB400E,生產(chǎn)過程中出現(xiàn)屈服強(qiáng)度波動(dòng)大、產(chǎn)品表面存在“黑線”缺陷等問題,通過金相顯微組織和電鏡掃描分析等手段,進(jìn)行了螺紋鋼質(zhì)量缺陷和性能不穩(wěn)定性原因調(diào)查,并結(jié)合生產(chǎn)工藝提出改進(jìn)措施,以進(jìn)一步提升螺紋鋼產(chǎn)品質(zhì)量和組織性能穩(wěn)定性。

1 HRB400E螺紋鋼生產(chǎn)流程和目前存在的問題

國內(nèi)某廠HRB400E螺紋鋼主要生產(chǎn)工藝流程為:電爐→爐外精煉→方坯連鑄→鋼坯(連鑄直軋)→雙高棒軋鋼生產(chǎn)線,具體情況如表1所示。在不增加產(chǎn)能情況下,對原有冶煉和連鑄生產(chǎn)線進(jìn)行升級改造,升級改造后的電爐為Consteel電弧爐,該電路從冷啟動(dòng)后每次出鋼時(shí)留鋼操作,使?fàn)t內(nèi)始終保持有大量鋼液形成的熔池,固體爐料不再是直接被電弧加熱熔化,而是被液態(tài)鋼水熔化。由于有液態(tài)熔池的存在,爐內(nèi)物質(zhì)、能量的傳輸是以液態(tài)分子的擴(kuò)散遷移為基礎(chǔ)進(jìn)行的,大大改善了固體爐料熔化的動(dòng)力學(xué)條件。由于這種化鋼方式,爐料可以連續(xù)均勻地加入熔池中熔化、冶煉,熔池的溫度、化學(xué)成分等更加均勻和諧,冶煉效果更好。

表1 生產(chǎn)HRB400E螺紋鋼的電爐流程基本信息

另外升級改在后的Consteel電弧爐還應(yīng)用了三項(xiàng)新技術(shù),分別為廢鋼使用連續(xù)加料操作、高效水冷自動(dòng)碳氧槍技術(shù)和煙氣預(yù)熱廢鋼技術(shù)。其中廢鋼使用連續(xù)加料操作是廢鋼由連接小車從電弧爐爐壁孔加入熔池,加料時(shí)無需開啟爐蓋,實(shí)現(xiàn)電爐冶煉過程中無需頻繁停爐和開啟爐蓋,減少了熱量向空氣中的耗散損失,采用爐壁孔加料可以避免頂裝料時(shí)的塌料現(xiàn)象與電極的機(jī)械折斷。留鋼操作和連續(xù)加料使電爐加料熔化、冶煉的過程可持續(xù)進(jìn)行,不必頻繁停爐。配備的高效水冷自動(dòng)碳氧槍向爐內(nèi)大量噴碳吹氧,爐內(nèi)進(jìn)行碳氧反應(yīng),一部分能量用于加熱廢鋼,作為電弧加熱的能量補(bǔ)充,而且產(chǎn)生的CO氣體隨廢氣進(jìn)入預(yù)熱裝置中,并在其中發(fā)生CO的二次燃燒,放出大量的熱,這部分潛熱以及廢氣所帶的大量顯熱,被用來預(yù)熱水平輸料道上與廢氣逆向而行的廢鋼,從而達(dá)到預(yù)熱廢鋼的目的。

LF精煉主要是合金元素進(jìn)行微調(diào)及調(diào)整鋼水溫度,冶煉周期在20～30 min左右,LF精煉過程保持全程吹氬,其中合金、調(diào)溫廢鋼加入后提高吹氬強(qiáng)度進(jìn)行鋼水?dāng)嚢?均勻鋼水溫度與成分,精煉期間根據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏和鋼水溫度添加廢鋼量,調(diào)溫廢鋼主要以鋼筋切粒為主。連鑄工序采用恒拉速,根據(jù)后道工序的每個(gè)規(guī)格的軋機(jī)能力,拉速控制在2.5～3.5 m/min范圍,連鑄過程為避免鋼水二次氧化,鋼水保護(hù)澆注采用浸入式水口+結(jié)晶器保護(hù)渣。

雙高棒軋鋼生產(chǎn)線工藝流程為來料→粗軋→剪切→中軋→剪切→預(yù)精軋→剪切→精軋→剪切→上冷床冷卻→打包收集、修剪取樣、稱重掛樣。

雙高棒軋鋼生產(chǎn)線主要生產(chǎn)工藝和過程控制有:因采用連鑄直軋工藝,熱鋼坯來源于現(xiàn)有廠區(qū)內(nèi)連鑄機(jī)生產(chǎn)線的出料,對鋼坯表面、外形尺寸按照《熱軋鋼筋用鋼坯表面、外觀質(zhì)量檢查及判定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)合格鋼坯經(jīng)熱送輥道運(yùn)往軋機(jī)進(jìn)行軋制;對于化學(xué)成分、外形尺寸等指標(biāo)檢驗(yàn)不合格的鋼坯由剔除裝置從出爐輥道上剔除;在軋機(jī)方面全線軋機(jī)共22架,為全連續(xù)布置,鋼坯在粗軋機(jī)組中軋制6個(gè)道次,經(jīng)粗軋機(jī)組后飛剪切頭尾后,進(jìn)入中軋機(jī)組繼續(xù)軋制10個(gè)道次切分后分雙道,經(jīng)飛剪切頭尾后,再進(jìn)入預(yù)、精軋機(jī)組中軋制2～6道次,最后進(jìn)入精軋機(jī)組軋制出成品。倍尺剪切采用高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的飛剪對軋件進(jìn)行倍尺剪切,飛剪剪切的軋件最大速度可達(dá)到45 m/s,剪機(jī)響應(yīng)時(shí)間快,剪切精度高。打包收集、修剪取樣、稱重掛樣:剪切后的成品棒材,在輥道上經(jīng)人工目測檢驗(yàn)剔除短尺,經(jīng)過鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸臺架橫移、計(jì)數(shù)、收集,并由成型輥道運(yùn)送至打捆機(jī)處,快速完成打捆。再由輥道運(yùn)送至成品收集卸料臺架,經(jīng)稱重標(biāo)記后,由天車將成捆的棒材吊入堆放場地。

但在投產(chǎn)初期螺紋鋼質(zhì)量和組織性能穩(wěn)定性存在問題,主要表現(xiàn)在產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)中下屈服強(qiáng)度波動(dòng)大以及產(chǎn)品表面存在數(shù)條不等、長度不等的連續(xù)“黑線”,其中以Φ18 mm和Φ20 mm規(guī)格最為明顯,如圖1和表2所示。為了使螺紋鋼筋產(chǎn)品化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能等指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T 1499.2-2018及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,以及產(chǎn)品表面、外觀符合其《熱軋帶肋鋼筋表面、外觀質(zhì)量檢查及判定標(biāo)準(zhǔn)》中判定標(biāo)準(zhǔn)要求,搞清楚電爐流程生產(chǎn)HRB400E螺紋鋼表面缺陷和組織性能不穩(wěn)定的原因,迫切而重要。

圖1 HRB400E螺紋鋼表面“黑線”缺陷

2 HRB400E螺紋鋼表面缺陷和組織性能不穩(wěn)定的原因分析

為了能夠調(diào)查清楚HRB400E螺紋鋼筋表面“黑線”缺陷及屈服強(qiáng)度波動(dòng)大的原因,選取問題嚴(yán)重的Φ18 mm規(guī)格產(chǎn)品試樣,開展了金相顯微組織分析和電鏡掃描分析等,然后再結(jié)合生產(chǎn)工藝排查,明確原因并制定改進(jìn)措施。

2.1 金相顯微組織分析結(jié)果

對Φ18 mm規(guī)格的鋼筋截取金相試樣2支,并取對照組25 mm規(guī)格鋼筋截取金相試樣1支,試樣分析面為垂直軋制方向,試樣通過截取、鑲嵌、試樣分析面通過磨制及拋光后(見圖2、6),使用光學(xué)顯微鏡利用直接觀察法對試樣進(jìn)行檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Φ18 mm規(guī)格的鋼筋試樣中存在很多非金屬夾雜物,其中在試樣芯部的非金屬夾雜物呈彌散分布,非金屬夾雜物的形貌呈短條狀為主,少量呈圓形或長條形,仔細(xì)觀察非金屬夾雜物還可以發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物在長度方向具一定的方向性,并發(fā)現(xiàn)試樣分析面周邊某個(gè)區(qū)域內(nèi)有數(shù)條深約0.10 mm裂紋,部分裂紋內(nèi)部填滿了非金屬夾雜物,如圖3所示。對照組Φ25 mm規(guī)格的鋼筋試樣分析面也發(fā)現(xiàn)了少量的非金屬夾雜物,如圖7所示,但試樣分析面周邊正常,未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

圖2 Φ18 mm規(guī)格鋼筋試樣截面宏觀照片

(100×) (500×)圖3 Φ18 mm規(guī)格鋼筋試樣高倍照片

采用直接觀察法檢驗(yàn)后,再次對試樣表面進(jìn)行清洗、拋光,并對Φ18 mm、25 mm規(guī)格的鋼筋試樣截面在3%硝酸酒精腐蝕之后采用光學(xué)顯微鏡觀察了晶粒度和顯微組織,Φ18 mm、25 mm規(guī)格的鋼筋邊部和芯部的顯微組織均為正常的鐵素體+珠光體,實(shí)際晶粒度的評級均為10.5級,如圖4、8所示。另外,Φ18 mm規(guī)格的鋼筋分析面經(jīng)在3%硝酸酒精腐蝕之后采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行高倍檢驗(yàn)時(shí)還發(fā)現(xiàn)其顯微組織存在條帶組織,如圖5所示,Φ25 mm規(guī)格的鋼筋分析面無此現(xiàn)象,如圖5所示。

(芯部 100×) (邊部500×)圖4 Φ18 mm規(guī)格鋼筋試樣顯微組織照片

(100×) (500×)圖5 Φ18 mm規(guī)格鋼筋試樣中的條帶組織形貌

(芯部 500×) (邊部500×)圖6 Φ25 mm規(guī)格試樣截面宏觀照片圖 圖7 Φ25 mm規(guī)格試樣高倍照片(100×)

(芯部 500×) (邊部500×)圖8 Φ25 mm規(guī)格試樣顯微組織照片

對照圖3和圖5,還可以看出Φ18 mm規(guī)格的鋼筋分析面中裂紋、非金屬夾雜物向鋼筋內(nèi)部延伸的路線與條帶組織方向較為一致。

2.2 電鏡掃描分析結(jié)果

用掃描電鏡觀察試樣中夾雜物的形貌,找出了兩類較為典型的非金屬夾雜物進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果如圖9所示,從該圖中可以看出,非金屬夾雜物主要為硅鋁酸鹽類復(fù)合夾雜物,其中還含有少量的Ti、Na元素。

圖9 典型非金屬夾雜物顯微照片和能譜圖

2.3 結(jié)果討論

(1)通過試樣的金相顯微組織分析,發(fā)現(xiàn)其邊部和芯部的顯微組織為鐵素體+珠光體,符合國標(biāo)GB/T1499.2-2018及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。但同時(shí)發(fā)現(xiàn),因雙高棒軋鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)的Φ12～22 mm規(guī)格鋼筋采用切分軋制,導(dǎo)致在Φ18 mm規(guī)格鋼筋試樣中發(fā)現(xiàn)存在條帶組織。

(2)通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行直接觀測以及對試樣中非金屬夾雜物使用掃描電鏡進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)試樣中存在大規(guī)模的硅鋁酸鹽類復(fù)合夾雜物以及少量的Ti、Na元素。從夾雜物的類型及尺寸進(jìn)行分析,推測為外來夾雜物。

(3)這些夾雜物的存在對鋼筋基體的連續(xù)性有著較大的影響,鋼筋在拉伸試驗(yàn)的過程中,夾雜物作為裂紋的發(fā)源地,會大大降低檢測的力學(xué)性能,是造成18 mm規(guī)格力學(xué)性能波動(dòng)的主要原因。

(4)某鋼廠因鋼水中存在大量的外來非金屬夾雜物,在精煉、連鑄過程中未及時(shí)上浮去除,非金屬夾雜物在連鑄過程中隨著鋼水凝固而保留在鑄坯之中,加之雙高棒軋鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)的Φ12～22 mm規(guī)格鋼筋采用二切分軋制,非金屬夾雜物在軋制過程中隨著鋼基體的流變被軋到鋼筋次表面或暴露在鋼筋表面,是造成表面“黑線”缺陷的主要原因。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

(1)存在外來的硅鋁酸鹽類復(fù)合夾雜物以及采用二切分軋制工藝是導(dǎo)致某廠Φ18 mm規(guī)格HRB400E螺紋鋼產(chǎn)品屈服強(qiáng)度波動(dòng)大和存在表面“黑線”缺陷的主要原因。

(2)經(jīng)生產(chǎn)過程調(diào)查發(fā)現(xiàn),70 t電爐鋼水出鋼過程中采用高錳生鐵按照電爐成分目標(biāo)中下限初調(diào)鋼水中Mn含量;LF精煉存在先提溫、再用鋼筋切粒進(jìn)行調(diào)溫的習(xí)慣,給鋼水帶來了大量氧化物,在加上LF精煉過程中吹氬時(shí)間短,外來夾雜未充分上浮,部分夾雜物滯留于鋼水中。

另外,連鑄過程中結(jié)晶器鋼液面波動(dòng)相對較大,甚至卷入了保護(hù)渣。根據(jù)原因分析并結(jié)合實(shí)際工藝,提出如下改進(jìn)措施:

①在電爐出鋼過程中,將電爐調(diào)整Mn元素的原料改為LF爐精煉的錳硅合金和高碳錳鐵,避免高錳生鐵中氧化物污染鋼水。

②在LF精煉過程中,精煉崗位應(yīng)注重操作,嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)指導(dǎo)書中LF終點(diǎn)溫度的規(guī)定范圍,避免一次升高溫,再加廢鋼降溫操作,如確實(shí)LF終點(diǎn)溫度高于規(guī)程要求,需加入調(diào)溫廢鋼,應(yīng)相應(yīng)延長LF過程吹氬時(shí)間。

③在連鑄過程中,通過優(yōu)化結(jié)晶器浸入式水口插入深度,降低結(jié)晶器鋼液面波動(dòng),避免卷渣。

④在軋鋼紅檢過程中,首先將“黑線”缺陷維護(hù)到《熱軋帶肋鋼筋表面、外觀質(zhì)量檢查及判定標(biāo)準(zhǔn)》中,其次對紅檢人員進(jìn)行針對性培訓(xùn)、增加產(chǎn)品紅檢過程表面檢查頻次,來加強(qiáng)產(chǎn)品表面質(zhì)量檢驗(yàn)。

(3)通過上述措施后,某廠70 t電爐生產(chǎn)的HRB400E螺紋鋼在高倍顯微鏡的直讀法觀測下未發(fā)現(xiàn)夾雜物,且Φ18 mm規(guī)格的鋼筋力學(xué)性能明顯提升、穩(wěn)定,產(chǎn)品表面未發(fā)現(xiàn)“黑線”缺陷,改進(jìn)效果顯著。