天鋼開發(fā)Z向鋼的生產(chǎn)實(shí)踐

羅卓 劉曉明 鐘國慶 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301)

天鋼開發(fā)Z向鋼的生產(chǎn)實(shí)踐

羅卓 劉曉明 鐘國慶 （天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301)

通過對(duì)天津鋼鐵集團(tuán)有限公司開發(fā)與試驗(yàn)Z向鋼生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)整理與分析，總結(jié)了生產(chǎn)Z向鋼過程中，嚴(yán)格控制鋼中的MnS、鋼中的H和保證良好的鑄坯質(zhì)量等控制關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)提出了適合天鋼現(xiàn)行設(shè)備條件下生產(chǎn)Z向鋼的工藝改進(jìn)措施，確定工藝路線為鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF爐→板坯連鑄→堆冷→軋鋼。開發(fā)試制的Z相鋼性能全部滿足GB/T 5313-1985厚度方向性能鋼板標(biāo)準(zhǔn)要求，Z向斷面收縮率平均值為65.8%，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

Z向鋼 硫化錳 夾雜 工藝 控制 開發(fā) 試制

1 前言

用于造船、海上采油平臺(tái)、鍋爐、壓力容器和高層建筑等某些重要焊接構(gòu)件的鋼板，不僅要求鋼板的常規(guī)力學(xué)性能，而且對(duì)厚度方向抗層狀撕裂性能提出了更高的要求。抗層狀撕裂鋼即Z向鋼,主要是厚度方向承受拉伸載荷，從而對(duì)厚度方向有性能要求。鋼板的抗層狀撕裂性能采用厚度方向拉力試驗(yàn)的斷面收縮率來評(píng)定。根據(jù)國標(biāo)中的規(guī)定，Z向鋼等級(jí)分為：Z15、Z25和Z35三個(gè)等級(jí)，Z后面的數(shù)字為斷面收縮率ΨZ的指標(biāo)。如國標(biāo)中Q345EZ35，要求鋼種在滿足Q345E各項(xiàng)性能的同時(shí)，還要達(dá)到其厚度方向斷面收縮率ΨZ不小于35%。

在要求Z向性能的抗層狀撕裂鋼需求量不斷增長的形式下，抗層狀撕裂鋼的研究開發(fā)對(duì)天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱天鋼)的發(fā)展意義重大。為了拓寬天鋼的產(chǎn)品市場(chǎng)，提高公司的經(jīng)濟(jì)效益，在現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)之上，天鋼成功地試驗(yàn)開發(fā)了抗層狀撕裂鋼—Z向鋼。

2 設(shè)定試驗(yàn)成分和選擇工藝路線

2.1 試驗(yàn)成分的設(shè)定

天鋼在開發(fā)試驗(yàn)Z向鋼時(shí)，選用的鋼種牌號(hào)為Q345DZ35。為了保證試驗(yàn)鋼種的性能和質(zhì)量，同時(shí)達(dá)到節(jié)省合金、降低成本的目的，設(shè)計(jì)成分時(shí)，選擇了高的錳含量，低碳含量，同時(shí)嚴(yán)格控制P、S含量，加入Al合金元素細(xì)化晶粒的設(shè)計(jì)思路。見表1。

表1 Z向鋼試驗(yàn)的成分

2.2 工藝路線的選擇

工藝路線為：鐵水——轉(zhuǎn)爐——LF爐——板坯連鑄——堆冷——板坯檢驗(yàn)——加熱——高壓水除鱗——粗軋——精軋——ACC冷卻——熱矯——精整——（正火)——鋼板檢驗(yàn)

其中：規(guī)格≥35 mm的要求正火處理。

3 生產(chǎn)中的控制關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 控制鋼中的MnS夾雜

3.1.1 MnS夾雜對(duì)Z向性能影響

MnS是鋼中最常見的夾雜物之一，它對(duì)鋼的性能特別是鋼的塑性和韌性有顯著的影響。MnS夾雜是鋼在脫氧過程中由一定含量的Mn與S化合生成的。MnS夾雜極易引起鋼板的層狀撕裂[1]。圖1為硫化物夾雜顯微組織形貌，圖2為鋼中MnS夾雜能譜圖。

當(dāng)鋼中的Mn和S達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，會(huì)形成MnS。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鋼中S含量越高，越容易產(chǎn)生MnS夾雜。

3.1.2 控制鋼中MnS夾雜的措施

天鋼控制硫化物夾雜主要措施是，控制鋼中較低S含量，減少生成MnS夾雜的數(shù)量。同時(shí)在LF出站前喂入硅鈣線進(jìn)行鈣處理，使已經(jīng)生成的MnS夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸み^程中不易變形的球狀硫化物CaS。

（1) 控制較低的S含量

當(dāng)鋼中S含量較高時(shí)，鋼中容易產(chǎn)生MnS夾雜，為了降低MnS夾雜對(duì)Z向鋼各項(xiàng)性能的危害，天鋼在Z向鋼試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格控制成品的S含量，在沒有鐵水預(yù)處理的工藝條件下，轉(zhuǎn)爐采用低S鐵水，并選用優(yōu)質(zhì)廢鋼，原料和合金方面注意S含量，精煉加強(qiáng)操作，使用優(yōu)質(zhì)石灰，合理的加大渣量，適當(dāng)加大氬氣的攪拌強(qiáng)度，保持白渣時(shí)間大于20 min，從而實(shí)現(xiàn)鋼水的脫O和深脫S。軟吹時(shí)間保證大于8 min，保證成品S含量低于0.005%。如圖3。

圖1 顯微組織中的夾雜物形貌

圖2 鋼中典型夾雜物的能譜圖

圖3 各爐次成品P、S含量變化

在統(tǒng)計(jì)的24爐數(shù)據(jù)中可以看到，成品S含量低于0.005%的爐數(shù)為21爐，占總試驗(yàn)爐數(shù)的87.5%。（2) 鈣處理

由于Ca和S的親和力非常強(qiáng)，可使鋼中塑性的MnS夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)榉撬苄缘那驙頒aS夾雜，這類夾雜在軋制時(shí)不易被拉長，從而降低MnS夾雜對(duì)鋼材的危害，有利于提高鋼材的性能[2]。

通過對(duì)鋼水進(jìn)行鈣處理，使得夾雜物細(xì)化且分布均勻，從而減輕硫化物的危害，在不降低強(qiáng)度的條件下，顯著地提高鋼的塑性和沖擊韌性，改善鋼材的各向異性，保證鋼板組織性能的均勻性[3]。在鈣處理時(shí)鈣硫比(Ca/S)的控制十分重要，當(dāng)Ca/S過小時(shí)，不能將硫化物完全球化;Ca/S較大時(shí)，形成粗大的球狀、群落狀的夾雜物，降低了鋼水的潔凈度，影響鋼材的抗層狀撕裂性能。為了確保鋼材的性能，提高鑄坯質(zhì)量，應(yīng)選擇合理的Ca/S，根據(jù)天鋼開發(fā)Z向鋼的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)控制Ca/S為1.2左右。見表2。

表2 隨機(jī)3爐成品成分 /%

3.2 控制鋼中的H含量

3.2.1 鋼中H對(duì)Z向性能影響

層狀撕裂的主要原因在于夾雜物的分布和應(yīng)力狀態(tài)，而H是促使啟裂和誘發(fā)的因素[1]。

鋼中的H主要是，廢鋼表面的鐵銹和泥砂、脫氧劑、增碳劑、合金、保護(hù)渣、石灰等造渣材料面表吸附的水分和化合水，以及鋼包和中間包中氣體，在冶煉和連鑄過程中進(jìn)入鋼液。當(dāng)含氫較少時(shí)，對(duì)層狀撕裂的影響不大。但當(dāng)H含量較多時(shí)，就會(huì)聚集在夾雜物的間隙處，使該部啟裂并擴(kuò)展，從而使夾雜物與基體金屬脫開。當(dāng)焊縫中H含量偏高時(shí)，首先形成冷裂縫。它可以作為層狀撕裂的發(fā)源地，這時(shí)層狀撕裂與冷裂縫相伴而生，H對(duì)層狀撕裂起到了誘發(fā)作用。

3.2.2 控制鋼中H含量的措施

（1) 轉(zhuǎn)爐

鋼中的H主要來源于原材料，尤其是輔料和合金中的水分。為從源頭控制鋼中的增氫，對(duì)各入爐原材料，主要是對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼后加入鋼水中的造渣料、合金、增碳劑、保溫劑等材料中的水分提出嚴(yán)格的要求。

按照試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，該鋼中需要加入較多的合金，尤其要嚴(yán)格控制合金中的水分。同時(shí)，貯料間增加防雨防水設(shè)施，加強(qiáng)周轉(zhuǎn)，減少合金和增碳劑的吸水量。

（2) LF精煉

在嚴(yán)格控制渣料和合金中水分的同時(shí)，注意造渣埋弧和采用適當(dāng)?shù)臍鍤鈹嚢鑿?qiáng)度，避免鋼液裸露造成吸氫，同時(shí)注意出站前的軟吹。天鋼喂線工藝要求喂硅鈣線和鋁線時(shí)的規(guī)范化操作，控制喂線量和喂線的深度和部位。

（3) 板坯連鑄

連鑄過程中做到全程保護(hù)澆注，使用專用的保護(hù)渣，防止吸氫和鋼水的二次氧化。在固態(tài)鋼冷卻和相變過程中，氫還會(huì)繼續(xù)通過擴(kuò)散而析出。由于固相中擴(kuò)散速度很慢，只有少量的氫能達(dá)到表面[4]，因此天鋼生產(chǎn)Z向鋼時(shí)采用鑄坯落地堆冷措施，隨著堆冷時(shí)間的延長，鋼中的氫擴(kuò)散到空氣中，使鋼中的氫含量逐漸下降。

3.3 加強(qiáng)對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的控制

3.3.1 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量對(duì)Z向性能影響

相關(guān)研究表明[5]，層狀撕裂與鋼材的含硫量有很大關(guān)系。另外，鋼中夾雜物含量越高，鋼板的Z向性能越差。鑄坯的凝固質(zhì)量，諸如中心偏析、中間裂紋對(duì)鋼板的Z向性能影響非常明顯，由于中心偏析的存在，使得鋼板的Z向性能面縮率顯著降低。在生產(chǎn)Z向性能鋼板時(shí)，鑄坯中嚴(yán)重的中間裂紋在后續(xù)的軋制過程中幾乎不能焊合，在受到Z向力時(shí)會(huì)迅速擴(kuò)展斷裂，使鋼板的Z向性能顯著降低。

3.3.2 提高鑄坯質(zhì)量的措施

加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐和精煉操作，降低鋼中易偏析元素P、S的含量。見圖3，試驗(yàn)24爐，成品P含量全部低于設(shè)計(jì)0.020%要求，滿足內(nèi)控0.015%的爐數(shù)為21爐，內(nèi)控率達(dá)到87.5%。成品S含量低于0.005%的爐數(shù)占總試驗(yàn)爐數(shù)的87.5%。

連鑄過程中控制低過熱度澆注，過熱度為25℃左右;采用凝固末端動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，來補(bǔ)償鑄坯最后凝固的收縮，減輕或消除中心偏析。采用弱冷卻制度，穩(wěn)定拉速。實(shí)際生產(chǎn)中表明，通過制定合理的工藝操作制度，鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量可以控制在較高的水平。表3為鑄坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果。從表3中可以看出，天鋼試驗(yàn)開發(fā)的Z向鋼鑄坯的低倍檢驗(yàn)主要缺陷是中心偏析和中心疏松，但級(jí)別較低。

表3 板坯低倍情況

4 軋鋼工藝

在軋鋼過程中嚴(yán)格控制鑄坯的加熱時(shí)間及粗軋和精軋的開軋溫度，大規(guī)格采用正火處理等措施，試驗(yàn)鋼板得到了良好的力學(xué)性能。

本次試驗(yàn)粗軋、精軋、待溫情況、中間坯厚度要求和鋼板的力學(xué)性能情況見表4、表5。

表4 鋼板軋制工藝參數(shù)

表5 試驗(yàn)爐次Z向鋼的力學(xué)性能

5 結(jié)論

5.1 該試驗(yàn)工藝下生產(chǎn)的Z向鋼質(zhì)量優(yōu)良，性能全部滿足GB/T 5313-1985厚度方向性能鋼板標(biāo)準(zhǔn)要求，其中Z向斷面收縮率平均值為65.8%，達(dá)到了較高的水平。說明天鋼的現(xiàn)有設(shè)備條件，完全可以滿足Z向鋼開發(fā)和生產(chǎn)的需要。

5.2 生產(chǎn)Z向鋼時(shí)，重點(diǎn)是控制鋼中塑性MnS夾雜。首先應(yīng)控制較低的S含量，減少鋼中MnS夾雜的數(shù)量;然后采用鈣處理工藝，實(shí)現(xiàn)塑性MnS夾雜的變性處理，使之變成球狀不變形CaS類夾雜，提高鋼的Z向性能。生產(chǎn)Z向鋼時(shí)，要注意控制鋼中的氫含量和鑄坯質(zhì)量。

[1]劉曉美.Q345B鋼Z向斷面收縮率的研究[D].沈陽：東北大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：25.

[2]楊阿娜，李自剛，季思凱.厚板Z向性能不合的夾雜物屬性研究分析[J].寶鋼技術(shù)，2007（2)：13～17.

[3]李經(jīng)濤，蔡慶伍，莫德敏.舞鋼濕硫化氫環(huán)境用低合金高強(qiáng)度鋼[J].寬厚板，2006（4)：13～20.

[4]劉根來.煉鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004：148.

[5]王攀等，范麗偉，劉勇，等.安鋼抗層狀撕裂性能鋼工藝實(shí)踐[J].河南冶金，2008（4)：36～38.

Production Practice of Z Direction Steel Development at TISCO

Luo Zhuo,Liu Xiaoming,Zhong Guoqing

The authors summarize the key control points of strictly controlling MnS and H in steel and ensuring good billet quality by sorting out and analyzing process data in the development and trail of Z direction steel in Tianjin Iron and Steel Group Company Limited,propose process improvement measures for production under existing equipment conditions and determine the process route as hot metal（converter)-LF-slab casting-stack cooling-rolling.The produced steel,with 65.8%average reduction ratio,is of prime quality and can meet all requirements posed by GB/T 5313-1985 Steel Plate with Through-thickness Characteristics.

Z direction steel,manganese sulphide,inclusion,process,control,development,trail

（收稿 2011-07-13 責(zé)編 趙實(shí)鳴)

羅卓，男，2007年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院冶金工程專業(yè)，現(xiàn)在天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心煉鋼研究室從事產(chǎn)品開發(fā)和煉鋼工作。