非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)的質(zhì)量狀況及改進措施

周春林，梁新維，周學宇，高劍輝，戴云閣，劉春明

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.承德鋼鐵公司，河北 承德 067002）

非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)的質(zhì)量狀況及改進措施

周春林1，2，梁新維2，周學宇2，高劍輝2，戴云閣1，劉春明1

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.承德鋼鐵公司，河北 承德 067002）

概括介紹了我國非合金結(jié)構鋼的發(fā)展現(xiàn)狀，從優(yōu)化質(zhì)量的角度探討了非合金結(jié)構鋼的生產(chǎn)過程和質(zhì)量問題，并指出了在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下進一步提高質(zhì)量的可能性.

非合金結(jié)構鋼;純凈度;非金屬夾雜物;連鑄

我國非合金結(jié)構鋼的生產(chǎn)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展.盡管如此，由于各企業(yè)在設備條件、工藝流程、生產(chǎn)控制能力等方面的差異，表現(xiàn)在生產(chǎn)水平和質(zhì)量上仍有很大差距，質(zhì)量波動也較大.本文以在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下提高非合金結(jié)構鋼的質(zhì)量為目標，通過分析非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，以期對非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)有新的認識.

碳素結(jié)構鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼屬于非合金結(jié)構鋼類.鋼中有害雜質(zhì)含量較低，純潔度和化學成分均勻性較高.碳素結(jié)構鋼以規(guī)定最低強度為主要特征，并具有一定的綜合力學性能和工藝性能.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼除要求保證化學成分外，還要保證力學性能，要按用途所需保證低倍組織和滿足其他一些規(guī)定的要求［1，2］.

碳素結(jié)構鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼是自煉鋼出現(xiàn)以來最先發(fā)展的最基礎鋼類，已經(jīng)有約200余年生產(chǎn)歷史.它用途廣泛、生產(chǎn)數(shù)量大、品種規(guī)格多、價格便宜.

我國的碳素結(jié)構鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼的生產(chǎn)起步較晚;1952年分別制定了第一個碳素結(jié)構鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼部頒標準.上世紀70年代以后步入快速發(fā)展階段，逐步形成了品種、規(guī)格多樣化，產(chǎn)量、質(zhì)量和綜合成材率不斷提高，消耗不斷下降的多層次生產(chǎn)局面;產(chǎn)品基本上可以滿足國內(nèi)需要，產(chǎn)品標準已經(jīng)全面向國際標準看齊［3，4］.

隨著對鋼質(zhì)量要求和技術標準水平的提高，以及生產(chǎn)技術的進步，非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)工藝流程不斷得到完善和優(yōu)化.目前，國內(nèi)采用的先進生產(chǎn)工藝流程通常為［5～10］:鐵水預處理→復吹轉(zhuǎn)爐煉鋼→二次精煉→連鑄→連軋，或超高功率電爐煉鋼→二次精煉→連鑄→連軋.上述流程都是以新技術、新工藝和新裝備為基礎的，從而使鋼的純凈度、化學成分穩(wěn)定性和均勻性高，也提高了鋼的綜合性能.

非合金結(jié)構鋼中的中高碳鋼（例如45#鋼），其性能與成分密切相關.據(jù)統(tǒng)計、回歸分析，鋼中的C是影響45#鋼強度和斷面收縮率的主要原因［11，12］.因此，很多企業(yè)研究得出了化學成分 C、Si、Mn、P、S 與 σb、σs、δ5%、ψ% 的多元回歸方程式，用于指導生產(chǎn)操作和性能預測［13，14］.

為了搞好非合金結(jié)構鋼特別是中高碳鋼的生產(chǎn)，國內(nèi)企業(yè)家在生產(chǎn)中積累了很多經(jīng)驗;包括完善轉(zhuǎn)爐終點控制、擋渣出鋼和爐外增碳操作［15～17］，以及連鑄過程關鍵技術;例如二冷冷卻制度、比水量、專用保護渣和鋼水過熱度控制等［18］.盡管如此，國內(nèi)在非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)水平和質(zhì)量上與國外先進水平相比仍有較大差距［19］，質(zhì)量波動較大，有待改進.本文涉及的質(zhì)量探討可能高于標準要求，但有助于推動非合金結(jié)構鋼生產(chǎn)的進一步發(fā)展.

1 調(diào)查研究范圍和方法

質(zhì)量調(diào)查的鋼種為碳素結(jié)構鋼Q195 L、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼45#.采用連續(xù)跟蹤、系統(tǒng)取樣方式進行研究.轉(zhuǎn)爐容量30 t，連鑄機為R6.5/12 m一機兩流全弧形板坯連鑄機和R7.0 m四機四流全弧形方坯連鑄機.取樣爐次的基本工藝流程如下框圖所示:

2 調(diào)查研究結(jié)果

2.1 非合金結(jié)構鋼水成分變化

2.1.1 鋼中碳含量變化

碳是45#、Q195 L鋼中最重要元素，其含量與鋼性能及鋼質(zhì)量密切相關，同時也是操作水平的標志之一.對轉(zhuǎn)爐終點和鑄坯取樣，其碳含量（質(zhì)量分數(shù)/%）的波動及平均值見表1.圖1為45#、Q195 L鋼沿取樣點的碳含量平均值的變化.

表1 轉(zhuǎn)爐終點和鑄坯取樣的碳含量（質(zhì)量分數(shù)）的波動和平均值Table 1 Fluctuation and average of carbon content（mass fraction）in samp ling from converter end point and casting blank %

圖1 45#、Q195 L鋼沿取樣點平均碳含量的變化Fig.1 Variation ofmean carbon content in 45#and Q195 L steels along sampling points

表1的結(jié)果表明，45#鋼的轉(zhuǎn)爐終點控制不穩(wěn)定，終點碳含量波動大，控制準確性有待提高;圖1的結(jié)果說明，平均碳含量從轉(zhuǎn)爐到吹氬站進站和中間包到結(jié)晶器之間呈明顯增長趨勢.顯然，從轉(zhuǎn)爐到吹氬站間的變化是由爐后增碳所致，而中間包到結(jié)晶器間則與包內(nèi)所加覆蓋劑有關.可見，鑄坯中碳含量既與轉(zhuǎn)爐終點有關，更主要是受生產(chǎn)過程的調(diào)整和控制.

鋼的成分優(yōu)化是提高碳素鋼性能的前提條件.從性能要求上講，C、Si、Mn含量都有最佳值，P、S則越低越好.因此，提高終點碳和沿程碳控制的準確性和穩(wěn)定性，以及與Si、Mn等元素的最佳組合還有待今后更仔細的研究.

2.1.2 鋼中氮含量變化

45#、Q195 L鋼中平均氮含量（質(zhì)量分數(shù)）沿取樣點的變化見圖2.從圖2可見，鋼中氮含量多數(shù)階段呈明顯增長狀態(tài).鋼水中氮含量的來源單一，主要來自空氣，而鋼水從空氣中吸氮的同時也吸氧，所以鋼水沿程必須加強保護，以減少鋼中氮含量增加.

2.1.3 鋼中總氧量變化

鋼中總氧量［TO］=［O］溶解+［O］結(jié)合，［O］溶解為鋼液脫氧后與鋼中元素相平衡且溶于鋼中的氧，其值很低而且波動不大.［O］結(jié)合是以內(nèi)生和外來夾雜物形式存在于鋼中的結(jié)合氧.因此，脫氧后鋼中總氧量［TO］實際上體現(xiàn)了氧化物夾雜數(shù)量，故可用［TO］量作為鋼純凈度的量度.

圖2 45#、Q195 L鋼中平均氮含量沿取樣點的變化Fig.2 Variation ofmean content of nitrogen in 45#and Q195 L steels along sampling points

圖3為經(jīng)CAS精煉和未經(jīng)CAS精煉45#鋼中［TO］的平均值沿取樣點的變化.從吹氬站進站到中間包階段，［TO］呈明顯下降趨勢，說明鋼水精煉和中間包對凈化鋼質(zhì)有明顯效果.

圖3 經(jīng)CAS精煉和未經(jīng)CAS精煉45#鋼中［TO］的平均值沿取樣點變化Fig.3 Variation ofmean［TO］content in steels refined with CAS and without CAS along sampling points

從圖3可以看出，從吹氬后到中間包，經(jīng)CAS精煉的鋼中［TO］下降幅度比未經(jīng)CAS精煉的鋼中［TO］下降幅度要大.可見CAS精煉具有較好的去除夾雜效果.顯然，在有條件的情況下，鋼水采用精煉措施對提高鋼質(zhì)量有明顯好處.

2.2 渣中成分變化

圖4為冶煉45#鋼的熔渣中 CaO、SiO2、Al2O3、MnO、MgO和全鐵TFe沿取樣點的變化.熔渣的TFe除轉(zhuǎn)爐終點稍高外，沿程其他位置均處于較低水平，說明熔渣氧化性控制較好.渣中Al2O3主要來源于脫氧產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物、耐火材料浸蝕物和鋼水覆蓋劑.可見，渣中Al2O3來源多、數(shù)量大.因此，控制渣中Al2O3來源，對提高鋼的純凈性有利.從取樣點渣中CaO、SiO2含量可見，轉(zhuǎn)爐終點渣堿度偏高，說明轉(zhuǎn)爐造渣制度有待加強.

圖4 45#鋼熔渣化學成分沿取樣點的變化Fig.4 Variation of chem ical com ponents in slag of 45#steel a long sam p ling points

隨著鋼水的轉(zhuǎn)移和澆鑄操作，大包渣和中間包渣都有可能進入到結(jié)晶器中.因此，結(jié)晶器渣可能包括轉(zhuǎn)爐渣、中間包渣、二次氧化產(chǎn)物等.它們在結(jié)晶器中如果來不及上浮，將滯留鋼中成為夾雜物.因此，減少轉(zhuǎn)爐下渣、加強夾雜物的上浮排除工作及加強澆鑄操作，對提高鋼的純凈性都是有益的.

由于是碳素鋼，熔渣成分不復雜，沿取樣點變化無明顯異常，說明生產(chǎn)上只要控制好工藝參數(shù)，防止堿度、氧化性、Al2O3的大幅度波動，就會有利于提高鋼質(zhì)量.

2.3 鑄坯凝固組織檢驗

作為鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（缺陷）的檢測，通常采用硫印檢測法和熱酸浸蝕法.但隨著爐外精煉設備的廣泛采用，鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)多已控制在0.005%以下，使硫印檢測不易判斷，有時檢測結(jié)果出現(xiàn)“白板”;熱酸浸蝕法雖然能夠顯示出鑄坯內(nèi)部缺陷及粗大柱狀晶組織，但操作復雜，控制不當極易將缺陷擴大.本文采用的凝固組織顯示方法，是對試樣剖面加工、腐蝕、成像的方法，可以獲得結(jié)晶組織和內(nèi)部缺陷的較清晰圖貌，鑄坯凝固組織檢測參照國家低倍評級標準.

45#鋼鑄坯凝固組織檢測結(jié)果及低倍缺陷情況見表2，圖5為鑄坯組織及缺陷顯示情況的照片.從表2和圖5可見，鑄坯柱狀晶發(fā)育明顯，個別試樣柱狀晶直至坯心.試樣普遍存在中心裂紋和中心疏松.在受檢的4個試樣中有兩個存在殘余縮孔.從檢驗結(jié)果看，喂線試樣略好于不喂線試樣.由鑄坯檢驗看，試樣缺陷差異不大，說明爐與爐之間鑄坯低倍組織波動不大.所檢鑄坯質(zhì)量缺陷主要與鋼水過熱度高、冷卻速度大等因素有關.可見，鑄坯質(zhì)量的好壞與連鑄操作密切相關.要減少鑄坯缺陷，必須嚴格控制好連鑄工藝參數(shù).

表2 鑄坯凝固組織檢測結(jié)果Table 2 Test results of solidification structure of slab

圖5 顯示鑄坯凝固組織（缺陷）的照片F(xiàn)ig.5 Photographs show ing the solidification structure（bug）of slab

2.4 試樣的金相檢驗

在OLYCIA m3金相圖像分析系統(tǒng)上，根據(jù)夾雜物與基體的灰度差別，利用體視學原理對試樣中非金屬夾雜物進行定量測定.非金屬夾雜物數(shù)量沿取樣點的變化見表3.根據(jù)檢測，金相檢驗的夾雜物粒度為 0～10μm的占 96.96% ～98.59%，＞30μm的夾雜物占0～0.61%，可見金相檢驗的主要是鋼液內(nèi)生的小顆粒夾雜.

由表3可見，沿取樣點低碳鋼（Q195 L）比中碳鋼（45#）夾雜物密度普遍偏低，這與低碳鋼中常存元素含量少，生產(chǎn)過程相對簡化，F(xiàn)e－Si、Fe－Mn等物料加入量少等特點所產(chǎn)生的內(nèi)在夾雜物少密切相關.生產(chǎn)沿程對比可見，低碳鋼鑄坯鋼質(zhì)比較純凈，吹氬后、結(jié)晶器取樣點鋼中夾雜物密度高而且呈大幅度波動.因此，加強生產(chǎn)沿程各環(huán)節(jié)的操作，對提高鋼鑄坯質(zhì)量，減少鋼的內(nèi)生夾雜物數(shù)量有利.

在生產(chǎn)沿程中，45#鋼夾雜物密度比Q195 L鋼高，在鑄坯中也是如此.這說明45#鋼比Q195 L鋼生產(chǎn)復雜，所產(chǎn)生的內(nèi)生夾雜物多，因此純凈性比Q195 L鋼差.眾所周知，45#鋼屬優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼，質(zhì)量要求相對較嚴格，因此對鋼純凈性要求也應該更高.

45#鋼在吹氬站、中間包和結(jié)晶器中夾雜物密度呈明顯下降趨勢，說明鋼水精煉操作、中間包對凈化鋼質(zhì)有明顯作用.為更好地發(fā)揮其效能，應該在設備和工藝參數(shù)上繼續(xù)改進，以強化其功能，進一步發(fā)揮凈化鋼質(zhì)的作用.夾雜物密度在中間包、結(jié)晶器與鑄坯間表現(xiàn)的波動，說明澆鑄參數(shù)的影響也很大.鑄流控制不當，將使液面覆蓋渣被卷攜轉(zhuǎn)移的機會增多，并使鋼中夾雜物上浮的機會減少，從而不利于減少鋼中夾雜物.

表3 非金屬夾雜物密度（個/mm2，最小值～最大值/平均值）沿取樣點的變化Table 3 Variation of nonmetallic inclusion density（number of nonmetallic inc lusions/mm2，m inimum～maximum/mean）along sam pling points

2.5 鑄坯試樣的大樣電解

對45#鋼、Q195 L鋼鑄坯試樣的大樣進行電解，獲得的粒徑≥50μm的夾雜物占47.14% ～79.13%.可見大樣電解分離出來的夾雜物主要是外來夾雜物.由不同鑄造條件鑄坯獲得的夾雜物總量（質(zhì)量分數(shù)）平均值如表4所示.由表4可見，對于45#鋼，經(jīng)CAS精煉比未經(jīng)CAS精煉的試樣夾雜物總量低很多，說明CAS精煉對凈化45#鋼鋼質(zhì)有明顯作用，有利于提高鋼的純凈性;結(jié)晶器喂線鋼夾雜物總量明顯高于不喂線鋼，這可能與喂線鋼所產(chǎn)生的夾雜物來不及從鋼中排除有關.

Q195 L鋼的夾雜物總量在各種處理方式下都高于45#鋼.在經(jīng)CAS精煉情況下，Q195 L鋼夾雜物總量是經(jīng)同樣處理的45#鋼的10倍以上.可見，低碳鋼比中碳鋼的外來夾雜物要多很多，這可能與低碳鋼的鋼水氧位高和爐渣氧化性較強有直接關系.

表4 試樣大樣電解結(jié)果（夾雜物總量（質(zhì)量分數(shù)）平均值）Table 4 Results of large samp le electrolyte samples（average of inclusion quantities） 10－7

無論對45#鋼還是Q195 L鋼而言，鋼水即使經(jīng)過CAS精煉，鑄坯的夾雜物總量仍然比較高.可見，在這樣的條件下要生產(chǎn)高品牌純凈鋼，將是非常困難的.這說明，非合金鋼生產(chǎn)盡管采用了比較先進的設備和工藝流程，實際上并沒有達到預期的效果，這可能是非合金鋼實物質(zhì)量比預想的要差的主要原因.這說明，非合金鋼實物質(zhì)量有堪憂之處.設想，在同樣生產(chǎn)條件下，如果能按純凈鋼的操作方式組織生產(chǎn)，那么非合金鋼的實物質(zhì)量可能是另一種局面.

3 結(jié)語與展望

（1）我國碳素結(jié)構鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼經(jīng)過多年生產(chǎn)和發(fā)展，技術標準已經(jīng)全面向國際標準看齊，鋼的純凈性、化學成分穩(wěn)定性和均勻性大幅度提高，產(chǎn)品基本上可以滿足國內(nèi)市場需要.

（2）從優(yōu)質(zhì)鋼的角度審視非合金鋼產(chǎn)品，在成分控制和優(yōu)化，鑄坯質(zhì)量及純凈性等方面尚存在質(zhì)量堪憂之處.盡管生產(chǎn)中采用了較先進的流程和設備，但并不一定達到預期效果，其原因與生產(chǎn)過程中操作和控制密切相關.

（3）從提高產(chǎn)品質(zhì)量的角度考慮，在同樣生產(chǎn)條件下，如果能按照純凈鋼的操作方式組織生產(chǎn)，非合金結(jié)構鋼產(chǎn)品的實物質(zhì)量有可能進一步提高.

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Quality status for producing the unalloyed structural steels and its im provementmeasures

ZHOU Chun-lin1，2，LIANG Xin-wei2，ZHOU Xue-yu2，GAO Jian-hui2，DAIYun-ge1，LIU Chun-ming1
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China;2.Chengde Iron and Steel Corporation，Chengde 067002，China）

This review introduced the domestic development actuality of unalloyed structural steels，and discussed the manufacturing process and the quality problem of unalloyed structural steels from the viewpoint for optimizing the quality.And the review indicated the probability to improve the quality of steel on existing production condition.

non－alloy structural steel;purity and cleanliness;non－metallic inclusion;continuous casting

TG142.41

A

1671-6620（2012）03-0197-05

2012-07-11.

國際釩技術委員會資助.

周春林 （1963—），男，承德鋼鐵集團有限公司高級工程師;劉春明 （1961—），男，東北大學教授，博士生導師，E－mail:cmliu@mail.neu.edu.cn.