安 杰,巴帥智,柳 軍,劉桂江,李潤霞

(1.撫順特殊鋼股份有限公司 總工辦,遼寧 撫順 113001;2.撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠,遼寧 撫順 113001)

20Cr1Mo1VTiB耐熱鋼具有良好的綜合性能,是制造火力發(fā)電廠高溫螺栓和工作在570 ℃以下的超高壓機制螺栓或閥桿的材料,屬于我國自行研發(fā)的低合金高強度鋼。20Cr1Mo1VTiB除了含有Cr、Mo、V 等用來彌散強化和固溶強化的合金元素外,還添加了具有細晶強化作用的Nb、Ti、B 等元素[1-6],具體化學成分見表1。

表1 20Cr1Mo1VTiB鋼的化學成分 %

某鋼廠冶煉20Cr1Mo1VTiB鋼的工藝路線:60 t電爐→LF精煉→VD脫氣→模鑄→加熱→軋制→緩冷→矯直→探傷→成材。鋼材在車光后,在表面發(fā)現(xiàn)發(fā)紋缺陷。本文對鋼材內(nèi)部發(fā)紋缺陷的產(chǎn)生原因進行分析,之后采取針對性措施予以改善。

1 發(fā)紋缺陷定性及產(chǎn)生原因分析

20Cr1Mo1VTiB鋼經(jīng)車光后,表面檢查時肉眼發(fā)現(xiàn)類似于表面裂紋的外觀缺陷,典型宏觀形貌如圖1所示。

圖1 發(fā)紋缺陷宏觀形貌

另有一些較輕微的缺陷肉眼難以辨別,需要通過熒光磁粉探傷的方式加以確認,如圖2所示。

圖2 發(fā)紋缺陷熒光磁粉探傷形貌

在圖1所示缺陷位置將鋼棒橫向切開磨制金相試樣,經(jīng)高倍顯微鏡確定裂紋處及附近存在非金屬夾雜物,然后使用掃描電鏡進一步分析夾雜物的橫向形貌,如圖3所示。圖3中夾雜物主體位置的掃描電鏡分析結(jié)果,如圖4和表2所示。

圖3 夾雜橫向形貌

圖4 圖3夾雜物掃描電鏡分析

表2 圖4夾雜物成分 %

由表2可知,夾雜物化學成分中含有K、Na、F等保護渣特征元素,即夾雜物由保護渣和塊狀氧化鈦組成,因20Cr1Mo1VTiB為鈦含量較高的品種,所以夾雜物產(chǎn)生原因為模鑄保護渣卷入后與鋼液中的Ti發(fā)生反應(yīng),未及時上浮去除而殘留在鋼中。

在圖2所示缺陷位置將鋼棒橫向切開磨制金相試樣,經(jīng)高倍顯微鏡確定缺陷附近存在非金屬夾雜物,然后使用掃描電鏡進一步分析夾雜物的橫向形貌,如圖5所示。圖5中隨機選取位置進行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖6和表3所示。

圖5 夾雜橫向形貌

圖6 圖5夾雜物掃描電鏡分析

表3 圖6夾雜物成分 %

由表3可知,夾雜物化學成分以Al-Mg-Ca-O為主,同時含有少量TiO2和TiN,是電爐爐后預(yù)脫氧和LF爐初期沉淀脫氧產(chǎn)生的大量氧化鋁夾雜物,在整個冶煉過程中逐漸進行渣鋼反應(yīng)的產(chǎn)物,直至澆鑄鋼液凝固未上浮去除,屬于典型的鋼液潔凈度不良所致[7]。冶煉過程鈦合金化是在VD真空處理之后通過喂入鈦鐵線來完成的,因Ti和Al的氧化性相近,所以夾雜物的化學成分中出現(xiàn)了氧化鈦,同時伴隨TiN析出。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn),20Cr1Mo1VTiB鋼車光后在表面發(fā)現(xiàn)的裂紋為發(fā)紋缺陷,是由模鑄卷渣和氧化物夾雜兩種非金屬夾雜物引起的。

2 發(fā)紋缺陷的改善措施

2.1 保護渣成分發(fā)紋缺陷的改進

經(jīng)掃描電鏡分析為保護渣成分非金屬夾雜引發(fā)的發(fā)紋缺陷,其產(chǎn)生原因在實際冶煉生產(chǎn)中被稱為模鑄卷渣,屬于開澆操作不當導致的偶發(fā)問題,一般發(fā)生在鋼錠尾部。一方面開發(fā)適合20Cr1Mo1VTiB鋼使用的模鑄保護渣,改進模鑄鋼錠的內(nèi)外部質(zhì)量,另一方面通過推行模鑄開澆標準化操作來提高穩(wěn)定性。

2.2 脫氧產(chǎn)物成分發(fā)紋缺陷的改進

鋼液潔凈度問題是貫穿整體冶煉過程的系統(tǒng)問題,從電爐配料到澆鑄的每一個工藝操作環(huán)節(jié)均與夾雜物控制有關(guān),以下展示了部分重點工藝改進環(huán)節(jié)。

1)降低電爐鋼水過氧化程度

某鋼廠電弧爐采用全廢鋼頂裝料的熔煉工藝,電弧爐負責熔化鋼鐵料、鋼液脫磷和脫碳。熔煉末期使用爐門氧槍和爐壁氧槍強供氧方式會導致鋼水嚴重過氧化,后續(xù)采用鋁錠和鋁線沉淀脫氧會產(chǎn)生大量脫氧產(chǎn)物Al2O3(非金屬夾雜物)污染鋼液[8-10]。所以降低電爐鋼水過氧化是提高精煉鋼液潔凈度的首要任務(wù)。

該鋼廠鋼通過優(yōu)化配料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化供氧方式、強化噴粉造泡沫渣等電弧爐常規(guī)改進措施,將電爐出鋼鋼液氧含量由700×10-6降至500×10-6以下,大幅改善了鋼水的過氧化程度。

2)優(yōu)化脫氧劑使用

電爐爐后預(yù)脫氧采用單一的鋁錠沉淀脫氧,是集中生成氧化鋁夾雜物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。除降低電爐鋼水過氧化,減少整體鋁脫氧產(chǎn)物生成量外,還引入電石、硅鈣合金等非鋁質(zhì)脫氧劑輔助預(yù)脫氧,進一步減少氧化鋁夾雜物產(chǎn)生量,亦可達到理想的脫氧效果。另外,LF爐取消了鋁粒擴散脫氧劑,全部使用碳化硅擴散脫氧,保證LF爐白渣精煉。

3)VD真空處理后的夾雜物去除

采用VD真空處理工藝,在鋼包底吹氬氣狀態(tài)下,鋼液面劇烈翻滾,將鋼包頂渣卷入鋼水中,渣鋼充分混沖,使鋼液受到嚴重污染。VD脫氣后必須經(jīng)過足夠時間的軟吹處理(喂入鈦鐵線后軟吹≥20 min),使夾雜集中上浮,方能保證鋼包頂渣和鋼水中夾雜物充分上浮去除。

經(jīng)過上述措施,精煉鋼液脫氧良好,潔凈度控制滿足20Cr1Mo1VTiB的質(zhì)量要求。同時VD后喂鈦鐵線合金化的鈦收得率由80%提升至95%以上,側(cè)面證明鋼液潔凈度質(zhì)量得到大幅提升。

3 結(jié) 論

(1)通過掃描電鏡分析,確定20Cr1Mo1VTiB鋼發(fā)紋缺陷產(chǎn)生原因可分為兩類,即模鑄卷渣和精煉鋁脫氧產(chǎn)物;

(2)模鑄卷渣引起的發(fā)紋缺陷,可通過開發(fā)20Cr1Mo1VTiB專用模鑄保護渣,執(zhí)行模鑄開澆標準化操作等方式予以解決;

(3)脫氧產(chǎn)物引起的發(fā)紋缺陷,通過降低電爐鋼水過氧化程度、優(yōu)化脫氧劑使用等工藝改進措施,大幅提高鋼液潔凈度,進而改善發(fā)紋缺陷。