楊應(yīng)東 胡春林 吳 堅(jiān) 湯寅波 石 雷 李 杰

(1.馬鋼股份有限公司第三鋼軋總廠，安徽 馬鞍山 243011；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

S450J0鋼種H型鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到490 MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到610 MPa以上，斷后伸長率大于20%，適用于香港、東南亞等地區(qū)深基坑建設(shè)，主要用作高層建筑基礎(chǔ)和主要承重結(jié)構(gòu)制作[1- 3]。馬鋼股份公司第三鋼軋總廠一直采用微合金化技術(shù)生產(chǎn)該產(chǎn)品并長期占有著香港高強(qiáng)度H型鋼市場[4]。最近發(fā)現(xiàn)該廠生產(chǎn)的釩微合金化H型S450J0- T鋼在軋制后軋材的腹板表面有大量的裂紋，造成該鋼種軋后裂紋修磨率較高。為了弄清造成此問題的原因，主要分析了氮含量對釩微合金H型S450J0- T鋼鑄坯裂紋指數(shù)及軋材裂紋的影響；通過對煉鋼- 精煉- 連鑄各工序工藝進(jìn)行優(yōu)化，控制鋼中氮含量，提高了該品種鋼的質(zhì)量。

1 生產(chǎn)工藝

1.1 生產(chǎn)工藝流程

S450J0- T鋼的生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水→混鐵爐→65 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬站→65 t LF鋼包精煉爐→異形坯連鑄→軋制。其化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 S450J0- T鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the S450J0- T steel (mass fraction) %

1.2 工序標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

采用鐵水(～60 t)+廢鋼(10～12 t)的裝料制度，總裝入量控制在72 t左右。造渣：活性石灰2 000 kg、白云石1 000 kg、改質(zhì)劑100 kg，采用單渣不留渣法操作。吹煉過程中造好渣，減少回磷、回硫量。出鋼時(shí)采用滑板擋渣出鋼，控制下渣量≤500 kg/爐；出鋼過程鋼包底吹氬。出鋼過程中加鋁和復(fù)合脫氧劑脫氧，用硅錳合金、硅鐵、釩鐵進(jìn)行合金化。為了防止出鋼過程回磷、回硫，往鋼包中加入部分活性石灰。

1.2.2 爐外精煉

鋼包到達(dá)LF 處理站后，測溫定氧，強(qiáng)化對鋼水的脫氧，盡早實(shí)現(xiàn)白渣(堿度R≥2.8、渣中w(FeO)<0.5%)，正常精煉時(shí)間內(nèi)，白渣保持時(shí)間要≥10 min。渣料加入：加入一定數(shù)量的活性石灰、螢石及預(yù)熔精煉渣，2.5 min內(nèi)加完。渣料加完后開始供電，初期主要以平穩(wěn)化渣為主，采用低電壓供電；渣料熔化好后，在白渣精煉階段，采用大功率供電。

LF精煉過程吹氬采用分階段操作制度，加熱化渣階段氬氣流量控制在10～15 L/min；合金微調(diào)階段，當(dāng)合金加入量≤30 kg/t時(shí)，氬氣流量為30～60 L/min，合金加入量>30 kg/t 時(shí)，氬氣流量控制在80～100 L/min。

1.2.3 連鑄

鋼包到中間包、中間包到結(jié)晶器全過程采用保護(hù)澆注，杜絕敞開澆注，同時(shí)防止水口細(xì)流現(xiàn)象的發(fā)生。拉坯速度按恒拉速澆注，拉速0.7～1.15 m/min；中間包使用碳化稻殼和鈣質(zhì)覆蓋劑覆蓋；結(jié)晶器使用異形坯低合金鋼專用保護(hù)渣。

1.2.4 軋制

軋制工藝為：坯料加熱→BD軋制→萬能粗軋→萬能精軋→矯直→成品。加熱溫度1 200～1 250 ℃，控軋溫度低于960 ℃，終軋溫度高于830 ℃。

2 裂紋分析

通過對異形坯鑄坯進(jìn)行扒皮檢查發(fā)現(xiàn)，在腹板偏R角處有一些細(xì)小裂紋，裂紋長度大部分在10～20 mm，裂紋指數(shù)在20 mm/m左右。典型的軋材腹板表面裂紋如圖1所示，可以看出：軋材上的裂紋深度約為754 μm，裂紋底部圓鈍，裂紋周圍有夾雜物質(zhì)點(diǎn)；通過對夾雜物進(jìn)行能譜分析(圖1(b)、1(c))，發(fā)現(xiàn)裂紋周圍夾雜物主要為鐵氧化物、硅錳酸鹽、碳氮化釩等；裂紋表面有脫碳，但是脫碳層不均勻，說明裂紋應(yīng)該為連鑄坯上細(xì)小裂紋引起，并在軋制過程擴(kuò)展形成，并且裂紋的形成很有可能與鋼中碳氮化釩的析出有關(guān)。

圖1 軋材上裂紋形貌(a)及夾雜物能譜分析(b、c)Fig.1 (a) Crack on the rolled material and (b,c) EDS analysis of inclution

3 鋼中氮含量的控制

3.1 鋼中氮含量的控制原因分析

利用熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo- calc中TCFE6數(shù)據(jù)庫中的PLOY- 6和POST模塊對S450J0- T鋼的平衡析出相圖進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)果見圖2。從圖2(a)中可以看出，當(dāng)鋼中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.012%時(shí)，鋼中V(C，N)析出溫度為1 120 ℃，720 ℃時(shí)完全析出；而圖2(b)則顯示，當(dāng)鋼中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.007%時(shí)，V(C，N)的析出溫度降至1 040 ℃，720 ℃左右時(shí)析出量達(dá)到最大。

Mintz等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，釩微合金鋼裂紋敏感性與鋼中[V]、[N]的乘積有關(guān)，當(dāng)鋼中[V]×[N]<1.2×10- 3時(shí)，無論是提高[V]還是[N]，對鋼的高溫塑性都不利[5- 6]。通過對馬鋼S450J0- T鋼氮含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，該鋼氮的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.012%左右，鋼中[V]×[N]≈1.22×10- 3，因此為了改善該鋼種的高溫塑性，可以通過降低S450J0- T鋼中N含量的方法來降低V(C，N)的析出溫度，縮小第三脆性區(qū)的溫度區(qū)間，降低該鋼種對裂紋的敏感性。

對不同氮含量S450J0- T鋼鑄坯進(jìn)行扒皮計(jì)算測量裂紋指數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯寒?dāng)鋼中w[N]>0.01%時(shí)，鑄坯的裂紋指數(shù)為21.7 mm/m；w[N]=0.008%～0.01%時(shí)，鑄坯裂紋指數(shù)約為10.3 mm/m；鋼中w[N]<0.008%時(shí)，裂紋指數(shù)為4 mm/m左右。由此可知,氮含量對鑄坯扒皮后裂紋指數(shù)有著重要影響，要保證S450J0- T鋼的表面質(zhì)量，控制表面裂紋，需要將鋼中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.008%以下。

3.2 鋼中氮含量的控制措施及結(jié)果

圖2 (a)w[N]=0.012%和(b)w[N]=0.007%時(shí)S450J0- T鋼中平衡析出相與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between equilibrium precipitation phase and temperature for S450J0- T steel when the mass fraction of nitrogen is equal to (a) 0.012% and (b) 0.007%

圖3 S450J0- T鋼鑄坯裂紋指數(shù)隨含氮量的變化Fig.3 Crack index of S450J0- T steel slab as a function of nitrogen content

對S450J0- T鋼各冶煉工序的氮含量進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯篠450J0- T鋼出鋼過程增氮量為0.004 7%，增氮量相對較高；LF精煉過程增氮量為0.001 4%，連鑄過程增氮量為0.000 7%；其中增氮最為嚴(yán)重的是轉(zhuǎn)爐出鋼過程，其次是LF精煉過程。

針對上述冶煉過程增氮嚴(yán)重的現(xiàn)象，對轉(zhuǎn)爐- 精煉- 連鑄工序采取了如下措施進(jìn)行優(yōu)化控制。

(1)轉(zhuǎn)爐出鋼過程做好底吹控制，充分發(fā)揮底吹效果，嚴(yán)格控制出鋼時(shí)間和合金加入時(shí)間避免鋼液攪動，出鋼時(shí)及時(shí)加入石灰造渣保護(hù)液面不與空氣接觸以及出鋼后及時(shí)吹氬攪拌等[7]。

(2)精煉做好吹氬站和LF爐氬氣控制,避免鋼液裸露，LF造渣控制化渣快、埋弧效果好，加熱時(shí)保證爐內(nèi)微正壓防止空氣吸入[8]。

(3)連鑄過程采用大包長套管氬封以及快換水口保護(hù)澆注工藝，避免鋼水與空氣接觸[9]。

經(jīng)過上述工藝優(yōu)化后， S450J0- T鋼中的氮含量如表2所示。轉(zhuǎn)爐出鋼過程增氮量為0.003 1%，較優(yōu)化前降低了34.04%；LF精煉過程及連鑄過程的增氮量也有了一定程度的降低，最終成品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本可以控制在0.007 1%左右。

表2 工藝優(yōu)化前后S450J0- T鋼各工序氮含量變化Table 2 Variation of nitrogen content during different processes for S450J0- T steel before and after process optimization

4 工藝優(yōu)化后的產(chǎn)品質(zhì)量

對采用上述工藝優(yōu)化前后的S450J0- T異型坯扒皮裂紋指數(shù)變化情況進(jìn)行分析，可以看出：工藝優(yōu)化前、后連鑄坯扒皮后平均裂紋指數(shù)分別為21.7和3.2 mm/m，平均裂紋指數(shù)降低了18.5 mm/m，鑄坯表面裂紋情況有了很大程度的改善。

對工藝優(yōu)化前后S450J0- T鋼軋材裂紋修磨率變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以看出：工藝優(yōu)化前，該鋼種的裂紋修磨率為28%左右；經(jīng)過工藝優(yōu)化后，其裂紋修磨率降低為6%左右，裂紋修磨率顯著降低。以月產(chǎn)S450J0- T鋼4萬t計(jì)算，噸鋼修磨成本35元，修磨率降低帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益約30萬元/月，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

(1)馬鋼三鋼軋總廠生產(chǎn)的釩微合金化S450J0- T鋼軋后腹板裂紋是由連鑄坯上細(xì)小裂紋引起，并在軋制中擴(kuò)展形成，裂紋的形成與鋼中V(C、N)在晶界析出有關(guān)。

(2)鋼中氮含量對釩微合金S450J0- T鋼裂紋敏感性有重要影響，要保證S450J0- T鋼的表面質(zhì)量，控制表面裂紋，需要將鋼中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.008%以下。

(3)通過轉(zhuǎn)爐—精煉—連鑄工序的工藝優(yōu)化，可以使轉(zhuǎn)爐出鋼過程增氮量降低34.04%，LF精煉過程及連鑄過程的增氮量也有了一定程度的降低，最終成品氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本可以控制在0.007 1%左右。

(4)經(jīng)過生產(chǎn)工藝優(yōu)化，S450J0- T鋼鑄坯表面裂紋情況有了很大程度的改善，軋材裂紋修磨率降低約22%，修磨率降低帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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