低溫條件下55Q輕軌斷裂原因分析及生產(chǎn)工藝改進(jìn)

供稿|張萬(wàn)慶，李秋京，張毅軍，李坤 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

唐鋼中型線在冬季0～20 ℃低溫條件下生產(chǎn)55Q材質(zhì)輕軌時(shí)矯直和加工斷裂率高達(dá)15%。本文從輕軌軋后冷卻速率、化學(xué)成分、金相組織、夾雜物等方面進(jìn)行了分析，確定了輕軌斷裂的主要原因?yàn)檐埡罄鋮s速率過(guò)快、化學(xué)成分C含量較高、受夾雜物的影響及磕碰損傷。通過(guò)在成品軋機(jī)與冷床之間的輸送窄輥道上安裝保溫罩、優(yōu)化55Q化學(xué)成分、嚴(yán)格控制夾雜物的數(shù)量和等級(jí)、對(duì)冷床收集槽進(jìn)行改造等生產(chǎn)工藝改進(jìn)，輕軌斷裂率由15%降低至0.02%以下。

唐鋼中型線生產(chǎn)的55Q材質(zhì)輕軌為中碳鋼，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%～0.60%。由于C含量較高，降低了輕軌的塑性和韌性，冬季低溫條件下生產(chǎn)時(shí)矯直和加工斷裂率高達(dá)15%以上，用戶提出的斷裂質(zhì)量異議較多，而且在產(chǎn)品使用過(guò)程中存在著嚴(yán)重的安全隱患。因此，在每年冬季取暖期唐鋼中型線無(wú)法進(jìn)行輕軌生產(chǎn)，嚴(yán)重影響了中型線輕軌產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率和產(chǎn)品創(chuàng)效能力。本文對(duì)輕軌斷裂原因進(jìn)行了全面分析，并有針對(duì)性地進(jìn)行了生產(chǎn)工藝優(yōu)化，成功地解決了中型線低溫條件下55Q材質(zhì)輕軌生產(chǎn)斷裂率偏高的問(wèn)題。

輕軌斷裂原因分析

軋后冷卻速率

中型線冬季生產(chǎn)55Q材質(zhì)輕軌時(shí)，終軋溫度約為800～900 ℃，上冷床溫度約為550～650 ℃。對(duì)終軋溫度和上冷床溫度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明輕軌在精軋機(jī)出口到上冷床前平均冷卻速度約為2.48 ℃/s，期間溫度范圍約為550～800 ℃，發(fā)生奧氏體向鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，由于沒(méi)有任何緩冷設(shè)施，冷速過(guò)快，熱應(yīng)力不均，珠光體片層間距較小，脆性增加。

化學(xué)成分

對(duì)55Q 30 kg/m輕軌斷裂部位進(jìn)行取樣，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。該試樣C含量偏高，達(dá)到國(guó)標(biāo)上限，而且與精煉站出站樣成分碳含量偏差較大，說(shuō)明在精煉站取完出站樣至澆注完成過(guò)程中存在鋼水增碳情況，其他元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

顯微組織

對(duì)55Q 30 kg/m 輕軌斷裂部位進(jìn)行金相組織檢測(cè)，其顯微組織形態(tài)主要為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體(圖1)。圖1(a)邊部存在輕微脫碳現(xiàn)象，為軋制過(guò)程中軋件表面脫碳所致，屬于正?，F(xiàn)象；圖1(b)中部存在屈氏體等過(guò)冷組織。

表1 斷裂輕軌化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 55Q 30 kg/m輕軌斷裂部位金相組織

夾雜物

對(duì)55Q 30kg/m輕軌斷裂部位取樣，進(jìn)行夾雜物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該斷裂部位存在C類夾雜物，級(jí)別達(dá)到2.5～3.0級(jí)，對(duì)輕軌的韌性影響較大，見(jiàn)圖2。

圖2 輕軌斷裂部位夾雜物

電鏡分析

對(duì)輕軌斷裂部位進(jìn)行SEM分析，結(jié)果顯示該輕軌斷裂部位存在著Si、Mg、O的夾雜物(圖3)，其中O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.81%，Mg為 13.92%，Si 為21.71%。通過(guò)夾雜物的形貌和成分判斷該夾雜物為外來(lái)夾雜物，推斷可能是耐材侵蝕所致。

斷裂部位宏觀形貌

對(duì)輕軌斷裂部位宏觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)個(gè)別斷裂部位軌底存在磕碰損傷(圖4)，使得在矯直或加工過(guò)程中容易引發(fā)斷裂。

生產(chǎn)工藝改進(jìn)

化學(xué)成分優(yōu)化及控制

鋼中含Mn可以幫助提高韌性，隨著Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度降低；Si、P、S等雜質(zhì)易偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶斷裂，同時(shí)降低脆斷應(yīng)力，從而降低Si及S、P等雜質(zhì)的含量以提高韌性[1]。

圖3 輕軌斷裂部位電鏡分析

圖4 輕軌斷裂部位宏觀形貌

針對(duì)冬季氣溫較低的特殊情況，并綜合考慮各元素對(duì)輕軌產(chǎn)品性能的影響，設(shè)計(jì)了低溫條件下55Q材質(zhì)輕軌生產(chǎn)的化學(xué)成分。碳含量按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求中下限進(jìn)行窄范圍控制，同時(shí)適當(dāng)提高M(jìn)n含量降低Si含量，減少P、S的含量，在保證輕軌的化學(xué)成分和產(chǎn)品性能均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，提高輕軌的韌性，降低輕軌的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

在生產(chǎn)過(guò)程中跟蹤轉(zhuǎn)爐、精煉、鑄坯碳含量變化，確定增碳原因，重點(diǎn)防范控制，達(dá)到穩(wěn)定控制C含量的目標(biāo)。

夾雜物控制

提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C含量，降低氧位；精煉按照中上限控制還原渣堿度，提高脫氧深度；控制好吹氬強(qiáng)度，避免裸露鋼水，軟吹時(shí)間10～15 min；穩(wěn)定控制中包液位，減少結(jié)晶器卷渣；嚴(yán)格落實(shí)保護(hù)澆注措施，減少鋼水二次氧化。通過(guò)以上措施，減少外來(lái)夾雜物和內(nèi)生夾雜物的數(shù)量，提高鋼水潔凈度。

加裝保溫罩

在成品軋機(jī)出口與熱鋸入口之間的輸送窄輥道上，設(shè)計(jì)并安裝了保溫罩，用于冬季低溫條件下生產(chǎn)輕軌時(shí)進(jìn)行緩冷，有效地降低了輕軌在相變區(qū)間的冷卻速度，提高了輕軌的上冷床溫度。保溫罩投入使用后，輕軌上冷床溫度提高了約50 ℃，在從軋機(jī)到上冷床期間冷卻速度減緩了約0.8 ℃/s。

冷床收集槽改造

對(duì)冷床收集槽進(jìn)行了改造，冷床收集槽與鋼材接觸面更寬，下鋼斜面斜度趨緩，而且設(shè)置了帶有配重的緩降鏈，緩降鏈高度隨收集量逐步下降，有效地減少了輕軌下冷床過(guò)程中產(chǎn)生的磕碰損傷，降低了后續(xù)的矯直或加工斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)化冷床冷卻工藝

輕軌上冷床后進(jìn)行堆冷，達(dá)到下冷床數(shù)量后，集中下冷床，降低輕軌的冷卻速度，提高輕軌的下冷床溫度，避免輕軌在下冷床和吊運(yùn)時(shí)發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象。

實(shí)施效果

對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)后，采暖期期間先后組織中型線進(jìn)行了5次輕軌生產(chǎn)，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)6558 t，生產(chǎn)輕軌期間最低氣溫–16 ℃，輕軌矯直和加工斷裂率降低至0.02%以下，低于全年平均水平，產(chǎn)品尺寸和性能全部滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且根據(jù)用戶反饋信息，在此期間生產(chǎn)的輕軌使用全部正常。對(duì)改進(jìn)后生產(chǎn)的輕軌取樣進(jìn)行夾雜物檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)可評(píng)級(jí)夾雜物，夾雜物控制得到明顯改善。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)輕軌斷裂原因進(jìn)行了分析，采取一系列優(yōu)化措施改進(jìn)了低溫條件下55Q材質(zhì)輕軌生產(chǎn)工藝：(1)合理設(shè)計(jì)55Q材質(zhì)輕軌冬季生產(chǎn)的化學(xué)成分，提高了輕軌的韌性，降低了輕軌的脆性轉(zhuǎn)變溫度；(2)優(yōu)化冶煉、澆注工藝，有效地減少了夾雜物的數(shù)量，降低了夾雜物的級(jí)別；(3)在成品軋機(jī)出口與冷床之間的輸送窄輥道上設(shè)計(jì)并安裝了緩冷設(shè)施，同時(shí)在冷床上采取堆冷工藝，有效地降低了輕軌在相變區(qū)間的冷卻速率；(4)對(duì)冷床收集槽進(jìn)行改造，優(yōu)化了輕軌吊運(yùn)工具，有效地減少了輕軌的磕碰損傷，避免了矯直過(guò)程中的應(yīng)力集中。生產(chǎn)工藝改進(jìn)后有效地降低了輕軌斷裂率，解決了制約中型線低溫條件下輕軌生產(chǎn)的難題，提高了中型線的產(chǎn)品創(chuàng)效能力，為其他企業(yè)解決類似難題提供了很好的借鑒作用。