45#鋼水平連鑄坯內(nèi)部缺陷對(duì)管子質(zhì)量的影響

尚繼民，王洪剛

(東北特鋼集團(tuán)北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

以連鑄坯方式生產(chǎn)圓管坯，并以三輥穿孔，三輥軋管的方式生產(chǎn)無縫鋼管，是目前生產(chǎn)無縫鋼管較為先進(jìn)的工藝。此法與傳統(tǒng)的生產(chǎn)無縫鋼管的舊工藝相比，具有節(jié)約能源、成材率高、鋼管質(zhì)量好及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

作者通過考核某企業(yè)水平連鑄機(jī)的性能及其穩(wěn)定性，開展了連鑄管坯的生產(chǎn)試驗(yàn)和三輥穿孔、三輥軋管新工藝試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明:水平連鑄坯質(zhì)量良好，連鑄管坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量均達(dá)到各相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，管材的成材率80%以上，管材的合格率達(dá)98.13%。證明45#鋼、直徑120mm的水平連鑄圓管坯的內(nèi)在質(zhì)量完全能夠滿足管材生產(chǎn)要求。

1 水平連鑄坯45#鋼、直徑120mm圓坯生產(chǎn)及質(zhì)量情況

1.1 45#鋼、直徑120mm圓坯生產(chǎn)情況

作者跟蹤了4個(gè)爐坯的45#鋼圓坯生產(chǎn)過程，共計(jì)48t，在某鋼管廠進(jìn)行了穿管試驗(yàn)。冶煉過程中平均出鋼溫度1 650℃，在鋼包內(nèi)為1 615℃，吹氬調(diào)溫后降為1 590℃，過跨徑15min左右有大幅降溫，開澆溫度在1 520℃，在連鑄過程中，中間包鋼水溫度變化:連鑄溫度大致在1 461℃～1 540℃之間，過程中最高與最低溫度差為11℃～80℃，一般在35℃，過程降溫較大，同時(shí)因中間包無加熱設(shè)備，故不能保持連鑄過程鋼水溫度的穩(wěn)定，致使開澆溫度偏高，連鑄后期鋼水溫度低，不能滿足在液相線溫度(TLI1496℃)以上15℃～30℃，即1 511℃～1 526℃，從而影響了連鑄坯組織的均勻性，有可能導(dǎo)致產(chǎn)生縮孔與疏松等常見缺陷。

為了保證澆注后期的鋼水溫度，應(yīng)完成全爐澆注，在現(xiàn)有工藝中，只好提高鋼水的開澆溫度，因此要相應(yīng)地提高出鋼溫度。故引起鋼水純凈度下降并鑄坯易出現(xiàn)組織缺陷。

1.2 45#鋼、直徑120mm管坯質(zhì)量狀況

表面質(zhì)量良好，無明顯劃痕、劃傷、折疊等不允許存在的缺陷，可以不經(jīng)過任何處理直接進(jìn)行穿管、軋管。

在同一截面上，測量管坯的外徑尺寸為:最大外徑φ117mm，最小外徑φ114mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

中心疏松等級(jí)在合格范圍內(nèi)偏高，個(gè)別爐坯達(dá)2.0級(jí)，但不至影響成品管材的質(zhì)量。一般疏松為0.5～1級(jí)，縮孔殘余一般在1級(jí)以下，個(gè)別爐坯1.5～2級(jí)，不致影響成品管材的質(zhì)量。

在φ120mm管坯低倍組織看到了明顯的柱狀晶組織，在其縱斷面上，柱狀晶區(qū)與表層等軸晶區(qū)和中心區(qū)的明顯差異。這種柱狀晶組織的橫斷面上，形成一個(gè)約占半徑1/3的環(huán)帶。中間的一環(huán)稱為第二環(huán)，表面等軸區(qū)稱為第一環(huán)。第二環(huán)實(shí)際為φ20mm的中心區(qū)形成。作者對(duì)φ120mm樣本計(jì)算可得:外環(huán)面積(Ⅰ區(qū))為6 283.2mm2，占總面積的55.55%，中環(huán)面積(Ⅱ區(qū))為3 769.9mm2，占總面積33.33%，中心圓面積(Ⅲ區(qū))為1 256.6mm2，占總面積11.10%。

塔形檢驗(yàn)，在所有階梯上均未發(fā)現(xiàn)課件的發(fā)紋。

2 管坯質(zhì)量的評(píng)估

(1)工具管坯的表面質(zhì)量，可以達(dá)到不經(jīng)表面處理即可直接進(jìn)行穿管、軋管工作，而不會(huì)影響管材質(zhì)量。

(2)根據(jù)管坯的內(nèi)部質(zhì)量，所有內(nèi)部質(zhì)量的檢測項(xiàng)目均達(dá)到管坯質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。在正常穿管、軋管工藝條件下，不會(huì)影響管材質(zhì)量。

(3)由于管坯連鑄時(shí)，管坯(圓形狀)的冷卻特性，造成柱狀晶區(qū)比較發(fā)達(dá)，柱狀晶區(qū)實(shí)測值約占整個(gè)圓坯斷面的1/3。此區(qū)的特點(diǎn)是柱狀晶之間的結(jié)合力較弱，強(qiáng)度特別是熱強(qiáng)度較低，這是由于雜質(zhì)較高的柱狀晶間結(jié)合力較弱所致。此區(qū)在穿孔和軋管過程中，特別是在軋管過程中(不論二輥或三輥軋機(jī))均使Ⅱ區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈的碾?yún)^(qū)與延展，故在此區(qū)易產(chǎn)生顯微缺陷發(fā)紋，致使其在一定程度上可能會(huì)影響管子的內(nèi)部質(zhì)量。

為此在改善連鑄工藝、提高管坯質(zhì)量(如熱風(fēng)冷卻條件、采用電磁攪拌等)的同時(shí)，盡量改善軋管工藝。從這兩個(gè)方面努力以期進(jìn)一步提高管材質(zhì)量。

(4)根據(jù)管坯的綜合檢測分析結(jié)果，可以認(rèn)為全部質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求，性能穩(wěn)定，可以滿足當(dāng)前軋管生產(chǎn)的要求。

3 連鑄坯質(zhì)量對(duì)軋管質(zhì)量的影響

如果沒有高質(zhì)量的連鑄坯就軋不出高質(zhì)量的好鋼管。因此要求我們認(rèn)真地探討一下在軋管試驗(yàn)過程中所碰到的連鑄坯缺陷和軋后鋼管缺陷之間存在多大關(guān)系，搞好兩者之間的關(guān)系，在改進(jìn)連鑄工藝及提高軋管質(zhì)量方面克服盲目性。

3.1 連鑄坯中心疏松和縮孔

中心疏松和縮孔殘余在模鑄和連鑄上是經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷，尤其是縮孔，在要求高質(zhì)量的鋼材中是不允許存在的。否則降低鋼材的成材率。但是在這跟蹤的軋管試驗(yàn)表明:坯料的中心缺陷對(duì)棒材和管材的影響不大相同。下面舉例說明縮孔、嚴(yán)重中心疏松、中心無缺陷三種狀態(tài)對(duì)鋼管質(zhì)量的影響。

連鑄圓坯料在三輥穿孔機(jī)上穿孔時(shí)，能夠避免二輥穿孔機(jī)穿孔時(shí)所產(chǎn)生的交變拉伸壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而使圓坯中心部分只產(chǎn)生壓應(yīng)力，在穿孔過程中也不能形成孔腔，這就有利于連鑄坯穿孔。在上述受力情況下，三種不同情況的坯料，以28的壓縮比經(jīng)過穿孔后，經(jīng)檢查沒發(fā)現(xiàn)因中心缺陷而引起的任何內(nèi)壁缺陷。在內(nèi)壁上只發(fā)現(xiàn)一圈一圈的橢圓形花紋，但看不出與基體的明顯界限。這說明在軋管過程中，中心疏松、縮孔殘余等都焊合成鋼管的整體金屬。因此，這對(duì)由鑄坯制成的無縫鋼管的質(zhì)量毫無影響。這里必須指出，上述情況并不說明任何大小的中心缺陷都能軋合。若是要找出能穿孔的缺陷嚴(yán)重程度的臨界值級(jí)別，今后還會(huì)有大量的研究工作。

3.2 鑄坯的枝晶間裂紋(中心裂紋)

鑄坯的急冷層厚度一般都超過10mm以上。急冷層里面是柱狀組織與輪廓清晰的樹枝晶組織，鑄坯中心是等軸晶體。中部裂紋存在于急冷層與柱狀晶層交界處，并向中心發(fā)展。柱狀晶發(fā)展到中心，中心部位的等軸晶幾乎消失時(shí)，對(duì)中心部位裂紋的敏感性為最大。這種枝晶間裂紋多半伴隨著硫化物為主的非金屬夾雜物。在凝固過程中鑄坯過冷引起應(yīng)力而產(chǎn)生枝晶間裂紋，而且含有夾雜物的薄弱面向前發(fā)展，枝晶間裂紋發(fā)展成貫穿整個(gè)橫斷面的裂紋。作者在跟蹤檢驗(yàn)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)中心裂紋。這樣的中心裂紋可以認(rèn)為是嚴(yán)重的中心缺陷之一。因此，可以和縮孔殘余一樣看待，對(duì)鋼管質(zhì)量不會(huì)帶來很大影響。

成品鋼管用超聲波探傷檢查抽查12支的結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)折以及其他內(nèi)壁缺陷。如果壓縮比再大，根本不用考慮產(chǎn)生內(nèi)折問題。但在鋼管的成品塔形試樣的第二階梯上幾乎都能發(fā)現(xiàn)發(fā)紋，只是嚴(yán)重程度不同而已。發(fā)紋正好集中在第二階梯上，這恰恰是鑄坯橫斷面低倍組織的枝晶間裂紋的位置。但在超聲波探傷抽查結(jié)果，并沒有發(fā)現(xiàn)很多缺陷，只在一支料上發(fā)現(xiàn)1處缺陷。因此，在塔形上發(fā)現(xiàn)的發(fā)紋對(duì)鋼管質(zhì)量的影響程度有待于進(jìn)一步研究。

要想克服或消除上述枝晶間裂紋，可采取如下措施:

(1)控制澆注溫度。

(2)采用電磁攪拌。電磁攪拌的作用使樹枝狀晶間的距離縮小，或破碎樹枝晶，因而產(chǎn)生冷縮裂紋的敏感性顯著降低，同時(shí)也降低了鋼坯產(chǎn)生中心裂紋的敏感性。而中心縮孔則分散成許多小孔，這就創(chuàng)造了穿管時(shí)軋合的有利條件。

3.3 冷隔裂紋

初步檢查成品鋼管時(shí)，在鋼管的外表面發(fā)現(xiàn)大量深度為不到1mm呈螺線分布的橫裂，這種橫裂與在鑄坯上發(fā)現(xiàn)的裂紋形狀幾乎相同。在鑄坯的表面檢查中，有一個(gè)爐批橫裂最為嚴(yán)重。從裂紋處的低倍組織看，脫碳較嚴(yán)重，說明這種裂紋是從鑄坯帶來的原有缺陷。而從鋼管上的有規(guī)律的螺線與分布情況來看，這可能是冷隔裂紋。

4 鋼管軋制

工藝流程:管坯檢查→下料→稱重→加熱→三輥穿孔→脫棒→取樣→再加熱→減徑→取樣→冷卻→矯直→切頭尾→檢查→包裝→稱重→入庫。

軋制工藝:作者跟蹤的連鑄坯φ95mm×16mm的實(shí)際生產(chǎn)工藝。

加熱溫度:Ⅰ段:1 100℃，Ⅱ段:1 290℃，均熱段:1 280℃。

穿孔機(jī)頂桿直徑:φ76mm，頂頭φ82mm。

穿后毛管:φ124mm，壁厚約20mm。

送進(jìn)角:8°，主機(jī)轉(zhuǎn)速:380rpm。

軋管機(jī)的芯棒直徑:φ76mm，回轉(zhuǎn)角:24°。

軋管后外徑:φ109mm，軋后壁厚15mm。

主電機(jī)轉(zhuǎn)速:450rpm。

減徑機(jī)機(jī)架數(shù):11架，主機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)1 426rpm，疊加電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù):1 035rpm，減徑量14mm。

成品直徑:φ95.3mm～φ95.6mm，壁厚:14.79～16.42mm。

5 成品檢查

5.1 表面質(zhì)量及尺寸精度

用肉眼檢查，有外折和橫裂兩種缺陷，橫裂缺陷占表面缺陷的70%。

尺寸精度:有一個(gè)爐批0.134t壁厚超差，當(dāng)然成品鋼管尺寸精度的誤差屬于軋制過程中誤差，但是應(yīng)該指出，連鑄坯殼厚度不均有無影響有待于進(jìn)一步研究。

5.2 管壁的機(jī)械性能

檢驗(yàn)結(jié)果證明:機(jī)械性能全部符合熱軋結(jié)構(gòu)鋼管GB8762－87標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 機(jī)械性能檢測結(jié)果

5.3 塔形檢查及超聲波探傷

塔形檢驗(yàn):每個(gè)爐批取4個(gè)鋼樣，檢查結(jié)果每個(gè)試樣均存在發(fā)紋缺陷，主要分布在第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)階梯上。

超聲波探傷每爐批抽查4支，共12支，探出1支有內(nèi)傷，其合格率為91.6%。

5.4 成品缺陷分類及重量

超差S:0.134t，外折0.160t，橫裂0.48t，實(shí)際投料量43.409t，合格成品管總量34.86.t，廢品總量0.774t。成材率:80.31%，合格率:97.83%。

6 結(jié)論

(1)鑄坯的中心缺陷對(duì)成品鋼管的內(nèi)在質(zhì)量沒有明顯的影響。

(2)管坯中的柱狀晶區(qū)域，特別是枝晶或柱狀晶晶間裂紋，是導(dǎo)致管坯內(nèi)部裂紋的主要原因，具體表現(xiàn)在塔形試樣的第Ⅰ、第Ⅱ階梯上。