改善含銅、銻耐候鋼表面質(zhì)量的生產(chǎn)實(shí)踐①

高宇波，萬文華, 吳　煒，王日紅，滕力宏

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 常州　213011)

?

改善含銅、銻耐候鋼表面質(zhì)量的生產(chǎn)實(shí)踐①

高宇波，萬文華, 吳煒，王日紅，滕力宏

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 常州213011)

對(duì)含銅、銻低碳耐候鋼軋材表面裂紋的形成原因進(jìn)行了分析，并提出了鋼液成分優(yōu)化、連鑄工藝的調(diào)整措施，以及加熱爐內(nèi)的溫度及氣氛的優(yōu)化控制方法，從而實(shí)現(xiàn)了該耐候鋼軋材表面質(zhì)量的顯著改善。

耐候鋼； 表面質(zhì)量控制； 成分優(yōu)化; 連鑄工藝

引　言

含銅、銻耐候鋼廣泛用于制造在高含硫煙氣中服役的省煤器、空氣預(yù)熱器、熱交換器和蒸發(fā)器等裝置設(shè)備，用于抵御含硫煙氣結(jié)露腐蝕。經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐應(yīng)用，含銅、銻耐候鋼種被普遍認(rèn)為是國(guó)內(nèi)理想的“耐硫酸低溫腐蝕”用鋼材之一，且其對(duì)于鹽酸(HCl)、氫氟酸(HF)、苛性鈉(NaOH)、氯化鈉(NaCl)都有較強(qiáng)的耐腐蝕性能。此外，為了保持良好的焊接性能，碳含量不宜過高。目前該耐候鋼種市場(chǎng)需求好，然而，該鋼種的生產(chǎn)技術(shù)要求較高，特別是表面缺陷較為嚴(yán)重且分布普遍的問題已成為大家研究的一個(gè)重要課題。

Chen R Y[1]報(bào)道稱，通過加入與銅含量成1∶1或更高比例含量的鎳，可達(dá)到抑制銅脆的效果，然而，大量鎳元素的加入，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且也加大了該鋼種耐腐蝕性能劣化的傾向；梁文[2]等則嘗試在耐候鋼中加入一定量的稀土，通過稀土鑭、鈰、釔對(duì)低熔點(diǎn)元素的固定作用降低了鎳的加入量，但是稀土在鋼中的應(yīng)用尚不成熟，一方面稀土價(jià)格較貴，另一方面稀土處理不當(dāng)反而會(huì)增加鋼中的夾雜，惡化鋼的性能，該方法的適用性有限且存有增加鋼液夾雜物的風(fēng)險(xiǎn)；Chihiro Nagasaki等[3]則通過加入元素硼起到了抑制含銅鋼中的銅在晶界富集的效果，但該控制方法僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，適用性較為有限，難以向工業(yè)化生產(chǎn)廣泛推廣。

同樣值得注意的是，當(dāng)前的研究大都僅針對(duì)煉鋼或軋制過程中的單一生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，而未有從成分設(shè)計(jì)開始到煉鋼鑄坯、鑄坯轉(zhuǎn)運(yùn)、軋制成材的全流程過程控制，且鮮有涉及較高含量的銻對(duì)表面質(zhì)量的影響，而本文將從生產(chǎn)該耐候鋼時(shí)煉鋼及軋鋼過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，在增強(qiáng)各控制流程兼容性的同時(shí)，使得實(shí)際生產(chǎn)該鋼種的過程中對(duì)表面質(zhì)量的控制更具縝密性，且對(duì)于其它耐候鋼種同樣具有參考價(jià)值。

1　生產(chǎn)現(xiàn)狀

采用EAF-CONVERTER電轉(zhuǎn)爐冶煉+LF+VD+CCM+熱送+熱軋的工藝路線生產(chǎn)含銅、銻低碳耐候鋼。所生產(chǎn)耐候鋼的化學(xué)成分要求范圍如表1所示。

對(duì)該鋼種熱軋材進(jìn)行酸洗檢查，發(fā)現(xiàn)該鋼種軋材表面通常存在呈密集分布的樹皮狀裂紋，裂紋深度頗深，其典型形貌及深度如圖1所示。

該鋼種表面缺陷較為嚴(yán)重且分布普遍的問題不僅對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性存在較大程度的影響，而且增加了后續(xù)軋材的表面精整工作量，既降低了成材率又增加了生產(chǎn)成本。

表1　化學(xué)成分/%

圖1　軋材表面裂紋典型形貌及深度

2　裂紋形成原因分析

首先，從表1可以看出，該鋼種碳含量正好處于包晶反應(yīng)區(qū)，在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生δ-Fe 向γ-Fe的轉(zhuǎn)變，該相變體積收縮大，坯殼線收縮量大，這使得結(jié)晶器壁與坯殼間空隙增大，因而極易引起熱流不均現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)凹陷，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋等缺陷。

更重要的是，將連鑄坯表面扒皮后進(jìn)行觀察檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在晶界裂紋，其宏觀形貌如圖2所示。在掃描電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)晶界裂紋處存在黑色物質(zhì)和亮色的物質(zhì)，如表2所示，進(jìn)一步通過能譜分析發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)主要為鐵的氧化物，而亮色物質(zhì)處的銅、銻含量明顯要高，且遠(yuǎn)高于表1中所示的該鋼種基體的銅、銻濃度，這表明鑄坯晶界位置存在嚴(yán)重的銅、銻富集現(xiàn)象，Cu(熔點(diǎn)為1083 ℃)、Sb(熔點(diǎn)為630 ℃)均為低熔點(diǎn)元素，這些元素的富集將導(dǎo)致熱脆性[4-5]。銅、銻等低熔點(diǎn)合金元素不僅使得鑄坯在澆注過程中晶界易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致后續(xù)所得軋材表面質(zhì)量惡化，而且鑄坯在加熱爐內(nèi)加熱時(shí)也存在銅、銻等低熔點(diǎn)元素的二次富集問題，從而進(jìn)一步增加后續(xù)軋制過程出現(xiàn)裂紋的幾率。

圖3　鑄坯晶界裂紋的掃描電鏡能譜分析圖

表2　各譜圖化學(xué)成分/%

3　改進(jìn)措施及控制效果

3.1冶煉成分優(yōu)化及控制

綜合考慮與耐候鋼使用性能相關(guān)的耐大氣腐蝕性、強(qiáng)度和韌性、焊接性能，對(duì)具體冶煉成分進(jìn)行如下控制：

1) 廢鋼及鐵水要求Sn,As等低熔點(diǎn)元素含量<0.010%，降低其對(duì)熱脆性能的影響；

2)成品C含量按成分要求中下限控制，保證良好焊接性能的同時(shí)降低熱變形抗力，減少軋制過程中裂紋的形成；

3)Cu是提高鋼的耐腐蝕性能最主要、最普遍使用的合金元素，Cu一般控制在0.35%以上，但是Cu元素容易在晶界產(chǎn)生富集，因此其含量不宜超過0.45%，進(jìn)一步提高Cu的含量不僅對(duì)耐候性貢獻(xiàn)不大，反而極易引起銅脆；

4)Sb元素的加入在提高鋼的硬度和耐蝕性的同時(shí)也增加了鋼的脆性，Sb含量按成分要求的中下限進(jìn)行控制；

5)Ni能與鋼液中的Cu、Sb等低熔點(diǎn)元素形成合金而有效抑制其在晶界的富集析出，通常Ni含量在0.10%以上才能起到緩解銅脆的作用，不過Ni元素是貴重金屬，因此加入適量Ni以抑制鋼的熱脆性并兼顧冶煉成本的經(jīng)濟(jì)性；

6)Si，Mn，Cr分別按成分要求的中限控制，以實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)韌性能及對(duì)耐蝕性的增補(bǔ)作用；

7)此外還加入適量Ti，進(jìn)一步彌補(bǔ)碳含量低導(dǎo)致的強(qiáng)度不足；

8)P, S則分別控制在≤0.025%和≤0.015%范圍內(nèi)。

3.2連鑄工藝優(yōu)化及控制

1)連鑄坯斷面尺寸為220 mm×260 mm，連鑄過熱度穩(wěn)定在15～25 ℃之間，這為后續(xù)采用較高拉速奠定工藝基礎(chǔ)的同時(shí)，也有利于降低Cu, Sb等低熔點(diǎn)元素在澆鑄過程中的偏析富集；

2)嚴(yán)格控制一冷水流量、進(jìn)水溫度，一冷水進(jìn)出口溫差范圍7～9 ℃，以保證鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的弱冷及傳熱均勻性，同時(shí)使用包晶鋼專用保護(hù)渣，加強(qiáng)鑄坯與結(jié)晶壁間的潤(rùn)滑，防止鑄坯表面出現(xiàn)凹陷及裂紋；

3)連鑄采用高拉速弱冷，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)鋼液溫度及生產(chǎn)節(jié)奏進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，確保在進(jìn)拉矯機(jī)前鑄坯表面及角部溫度不低于950 ℃，從而降低矯直裂紋的出現(xiàn)幾率；

4)相對(duì)提高出坯過程中鑄坯的冷卻速率，降低這個(gè)過程中低熔點(diǎn)元素，特別是Sb的析出速率，從而減輕其在鑄坯表層的富集，同時(shí)通過調(diào)節(jié)出坯輥道轉(zhuǎn)速，避免鑄坯在出坯過程中過度冷卻，確保鑄坯裝車溫度控制在600 ℃以上；

5)改善熱送車保溫罩的密封性及保溫性，減少熱送過程中鑄坯的溫降，提高鑄坯進(jìn)入加熱爐的溫度，縮短鑄坯在加熱爐內(nèi)所需的加熱時(shí)間。

3.3加熱制度及軋制工藝優(yōu)化

將加熱爐內(nèi)最高加熱溫度提高至1250 ℃，避免鑄坯在液態(tài)Cu相最強(qiáng)浸潤(rùn)性及滲透性的溫度范圍內(nèi)(1100～1200 ℃)長(zhǎng)時(shí)間停留；同時(shí)生產(chǎn)該鋼種前后盡量安排熱送鋼種，提高出鋼節(jié)奏，將鑄坯在加熱爐內(nèi)的加熱時(shí)間壓縮至125 min以內(nèi)，加熱爐內(nèi)控制弱還原性或中性氣氛，進(jìn)一步緩解加熱過程中Cu, Sb等低熔點(diǎn)元素沿奧氏體晶界的二次富集。

3.4實(shí)施效果

采取上述控制措施后對(duì)鑄坯晶界成分進(jìn)行分析，鑄坯晶界處出現(xiàn)亮色物質(zhì)的頻率得到有效控制(如圖4所示)，Cu,Sb的富集濃度也較之前有了明顯降低(如表3所示)。

圖4　控制條件下鑄坯晶界處的掃描電鏡能譜分析圖

表3　控制條件下各譜圖化學(xué)成分

編號(hào)在狀態(tài)w(Cu)/%w(Sb)/%譜圖1是1.960.65譜圖2是2.310.72譜圖3是2.050.61

圖5　控制條件下軋材表面典型裂紋形貌及深度

控制條件下生產(chǎn)所得軋材表面典型形貌由樹皮狀裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)樯倭繑嗬m(xù)分布的三角淺裂紋，裂紋分布密集程度顯著改善，且裂紋深度也明顯降低，這在提高表面質(zhì)量的同時(shí)也大大降低了后續(xù)軋材精整工序的工作量，縮短了生產(chǎn)周期，并提高了鋼材的成材率。

4　結(jié)　論

(1)本生產(chǎn)實(shí)踐方法發(fā)揮Ni對(duì)銅脆抑制作用的同時(shí)，大大降低了Ni的加入量，從而實(shí)現(xiàn)了該耐候鋼種表面質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)化有效控制；

(2)通過鋼液成分設(shè)計(jì)、連鑄工藝優(yōu)化及鑄坯出拉矯機(jī)后的冷卻控制，提高了鑄坯表面質(zhì)量，并有效抑制了鑄坯冷卻過程中低熔點(diǎn)元素Cu，Sb在晶界的富集析出；

(3)采用鑄坯熱送和高溫快燒工藝，降低加熱成本的同時(shí)，減少爐內(nèi)加熱時(shí)間，控制加熱溫度，盡量避開Cu，Sb滲透力最強(qiáng)的溫度區(qū)域，從而緩解了加熱過程中Cu，Sb等低熔點(diǎn)元素沿奧氏體晶界的二次富集；

(4)通過上述措施大大改善了由于鑄坯表面裂紋及晶界裂紋導(dǎo)致的軋材表面質(zhì)量問題，有效提高了該含銅、銻低碳耐候鋼軋材的表面質(zhì)量。

[1]CHEN R Y, YUEN W Y D..Copper enrichment behaviors of copper containing steel in simulated thin slab casting processes[J]. ISIJ International, 2005, 45(6):807—816.

[2]Chihiro Nagasaki, Masashi Kaga, Koji Shibata, et al. Effect of boron on copper induced surface hot shortness of 0.1% carbon steel[J]. ISIJ International, 2002, 42(S):57—61.

[3]梁文, 陳吉清, 許竹桃，等.耐酸鋼邊部缺陷分析及改進(jìn)措施[J]. 物理測(cè)試, 2011,(S1): 17—20.

[4]劉友榮, 穆海玲, 萬蘭鳳，等. 耐腐蝕鋼“銅脆”成因及防止措施[J]. 梅山科技, 2010,(1):27—30.

[5]耿明山, 王新華, 張炯明. 鋼中殘余元素在連鑄坯和熱軋板中的富集行為[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009，31(3):300—305.

2016-02-26

高宇波(1984—)，男，工程師。E-mail:gybcsu@163.com

TG142.7