鞍鋼ER70S-G焊絲鋼技術(shù)質(zhì)量問題解決對策

安繪竹，車安，張歡，劉祥，尹一

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司線材廠，遼寧 鞍山 114042）

鞍鋼自2014年開始研發(fā)ER70S-G系列焊絲鋼產(chǎn)品，是繼普通氣保焊絲ER70S-6后開發(fā)的高級產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工程機械、石油化工及鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，該產(chǎn)品于2016年已批量生產(chǎn)，產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率達60%以上，綜合性能水平與浦項制鋼相當。但該產(chǎn)品在2016～2019年開發(fā)過程中相繼出現(xiàn)了成品絲鍍銅不均勻，成品絲焊接過程送絲穩(wěn)定性差及盤條表面存在嚴重的紅銹等問題，本文就這些問題進行分析探討，并制定改進措施。

1 主要問題及原因分析

隨著鞍鋼ER70S-G焊絲鋼批量生產(chǎn)，盤條問題也逐漸暴露出來，如成品絲鍍銅不均勻，表面產(chǎn)生桔皮缺陷、成品絲焊接過程送絲穩(wěn)定性差、盤條表面存在嚴重的紅銹等。

1.1 鍍銅不均勻、表面桔皮缺陷

ER70S-G化學成分見表1，成品絲外觀缺陷見圖1，通過金相觀察,發(fā)現(xiàn)盤條表面組織異常粗大，盤條表面粗大晶粒組織見圖2。

圖1 成品絲外觀缺陷圖Fig.1 Diagram for Appearance Defects of Finished Wires

圖2 表面粗大晶粒組織Fig.2 Coarse Grain Structure on Surface

表1 ER70S-G主要元素化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Key Chemical Compositions in ER70S-G（Mass Fraction）%

導致鍍銅不均勻的原因主要有兩方面，一方面是盤條表面存在異常粗大組織，盤條粗晶區(qū)域硬度較低，在后續(xù)拉拔時鋼絲表面變形不均，產(chǎn)生褶皺引發(fā)桔皮缺陷；另一方面是由于ER70S-G屬于高Si鋼，加熱時鋼坯表面更易生成粘性物質(zhì)FeSiO，在后續(xù)軋制及拉拔過程中不易去除，導致鍍銅不均勻。通過對盤條進行元素線掃描、能譜定量等分析，發(fā)現(xiàn)FeSiO位于氧化鐵皮與基體之間，緊靠盤條基體位置，檢驗結(jié)果見圖3。

圖3 FeSiO4掃描檢測結(jié)果Fig.3 Detection Results of FeSiO4by Scanning

1.2 盤條紅銹

焊絲鋼等低碳鋼鋼種由于采用緩冷控冷工藝，盤條表面易產(chǎn)生紅銹，下游用戶在機械剝殼或酸洗時表面氧化鐵皮去除不凈導致后續(xù)拉拔費模。同時，表面存在紅銹的盤條外表不美觀，影響產(chǎn)品品牌形象，盤條表面紅銹見圖4。

圖4 盤條表面紅銹Fig.4 Red Rust on Surface of Wire Rods

盤條紅銹為FeO，一般是由兩種形式產(chǎn)生：一是低溫氧化，在570℃以下，氧化速度較慢且主要發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，即FeO→FeO+Fe，發(fā)生先共析及共析反應(yīng)，產(chǎn)物以FeO、FeO為主；二是軋后冷卻階段盤條表面氧化鐵皮破裂，在富氧條件下，易形成FeO。ER70S-G屬于高Si產(chǎn)品，加熱時表面易形成FeSiO，位于基體與氧化鐵皮之間，阻礙Fe擴散，易形成高價氧化物FeO。此外，軋件在控軋水冷時對紅銹生成也有影響，由于軋件與其表面氧化鐵皮在水冷時收縮率不同，氧化鐵皮遇水變硬而脆，易開裂，易形成紅銹，同理在線軋制冷卻梯度過大也加劇了紅銹產(chǎn)生。

1.3 送絲穩(wěn)定性差

ER70S-G焊絲鋼采用大線能量焊接工藝，對送絲穩(wěn)定性要求嚴格，良好的送絲穩(wěn)定性可提高生產(chǎn)效率，改善焊縫質(zhì)量及焊接飛濺問題。影響焊絲鋼焊接送絲穩(wěn)定性因素有很多，如焊絲挺度不夠、焊絲銹蝕、焊絲規(guī)格不均、導電嘴送絲孔磨損嚴重以及焊接電流電壓不匹配等。對比分析大量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，原始盤條強度低會導致成品焊絲強度低且強度不均勻、挺度不足，進而引起焊接送絲穩(wěn)定性差，影響焊接質(zhì)量，同時降低了工作效率。常規(guī)工藝盤條強度為470～500 MPa，針對該問題，盤條強度最佳控制在520～550 MPa，強度過高會影響拉拔性能。

2 改進措施及效果

2.1 鍍銅不均勻、表面桔皮缺陷改進

鋼絲表面鍍銅不均勻、表面桔皮缺陷問題主要是由盤條表面晶粒粗大造成的。

2.1.1 改進措施

（1）Si成分中下限范圍控制

ER70S-G中Si含量為0.70%～0.90%，屬于高Si焊絲鋼，Si能增加鋼中C的擴散系數(shù)，增加鋼的脫碳行為，促進ER70S-G焊絲鋼表面粗大晶粒傾向。 因此，在滿足焊接性能前提下，Si元素盡可能按中下限控制。

（2）合理制定加熱工藝

加熱溫度過高，保溫時間過長，會增加C在鋼中的活度，促進表面粗大組織傾向。因此要根據(jù)現(xiàn)場問題合理制定升降溫制度，避免由于加熱溫度高、保溫時間長加劇組織粗化。

（3）終軋高于動態(tài)再結(jié)晶溫度軋制

經(jīng)典的表面粗晶理論認為，在奧氏體單相區(qū)軋制時，隨著終軋溫度的降低，晶粒將細化。當終軋溫度低于動態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度時，晶界遷移驅(qū)動力迅速增加，會發(fā)生晶粒異常長大，且異常粗大晶粒伴隨細小晶粒同時產(chǎn)生。鞍鋼線材廠終軋機組為減定徑機組，入減定徑溫度是得到最終晶粒尺寸的一個重要控制因素。根據(jù)文獻，ER70S-G臨界點Ac=826℃，Ac=927℃。鞍鋼ER70S-G實際入減定徑溫度為820～830℃，低于動態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度，盤條表面易形成粗大晶粒加細小晶粒組織。這是由于在線急劇水冷，軋件表面溫度迅速降低，邊部形成細小晶粒，晶界遷移的驅(qū)動力增加，細小晶粒不斷長大，而后心部熱量會源源不斷傳至表面升溫，加劇了晶粒粗大。圖5為表面晶粒粗大組織，圖中顯示了三種不同組織，分別是粗大晶粒，細小晶粒和正常晶粒。這個結(jié)果與Kobayashi的研究吻合。

圖5 表面晶粒粗大組織Fig.5 Coarse Grain Structure on Surface

基于上述原理分析，為避免軋件入減定徑溫度過低，設(shè)定在入減定徑機組溫度820～900℃范圍區(qū)間進行試驗。試驗表明：當減定徑機組入口溫度高于860℃時，盤條表面沒有粗大晶粒。同時，考慮到盤條綜合性能，減定徑入口最佳溫度確定為860～880℃。表2為不同終軋溫度工藝檢測的粗晶帶寬結(jié)果。

表2 不同終軋溫度工藝檢測的粗晶帶寬結(jié)果Table 2 Test Results of Coarse Grain Bandwidth under Different Finishing Temperatures

2.1.2 實施效果

通過上述工藝實施，消除了盤條表面粗大組織，沒有再出現(xiàn)成品絲鍍銅不均勻、成品絲表面桔皮缺陷的問題。改進后盤條表面組織見圖6。

圖6 改進后盤條表面組織Fig.6 Microscopic Structure on Surface of Improved Wire Rods

2.2 盤條紅銹的改進

2.2.1 改進措施

線材盤條表面氧化鐵皮呈紅色，通常稱為表面紅銹。根據(jù)生產(chǎn)實踐及理論分析，紅銹問題的主要影響因素有加熱工藝、在線水冷梯度、吐絲溫度、軋后冷卻速度等。生產(chǎn)中可通過優(yōu)化加熱工藝、減小在線軋制的冷卻梯度、提高吐絲溫度等手段改善盤條表面紅銹。ER70S-G加熱工藝可控范圍區(qū)間較小，較低的加熱溫度會使軋件頭部溫降過大導致堆鋼；適當提高吐絲溫度，紅銹問題改善并不明顯，而大幅度提高吐絲溫度會影響盤條的力學性能。因此，解決紅銹問題的主要方法是在不影響盤條性能的前提下，通過提高輥道速度，進而提高冷卻速度，縮短低溫停留時間，降低FeO生成量。利用X`PERT PRO X光衍射儀分析氧化鐵皮物相定量，結(jié)果見表3。

表3 不同控冷工藝盤條氧化鐵皮占比檢驗結(jié)果Table 3 Test Results of Iron Oxide Scales from Wire Rods Produced by Different Controlled Cooling Processes

2.2.2 改進效果

輥道速度由0.12 m/s提高至0.40 m/s，冷卻速度由0.5℃/s提高至2℃/s以內(nèi)，增加了吐絲后盤條控冷冷卻速度，縮短了盤條低溫停留時間，降低了FeO生成量，盤條表面紅銹消除，改進后盤條外觀見圖7。

圖7 改進后盤條外觀Fig.7 Appearance of Improved Wire Rods

2.3 成品絲焊接過程送絲穩(wěn)定性差的改進

2.3.1 改進措施

成品絲焊接過程送絲穩(wěn)定性差主要是盤條的強度低造成的，影響盤條強度因素有化學成分、加熱溫度、控冷工藝等。由于ER70S-G鋼種各元素成分波動幅度不大，因此通過改變化學成分來提高盤條強度效果并不明顯；ER70S-G屬Si-Mn系產(chǎn)品，加熱溫度的提高可促進Mn的固溶效果，某種程度上會提高盤條強度，但適當提高加熱溫度，效果并不明顯，除非加熱溫度大幅度提高（至少30～50℃），但與此同時會伴隨著粗大組織，影響盤條的綜合性能，因此提高加熱溫度方法不可??；大量試驗研究表明，可通過改變控冷工藝來提高盤條強度。

常規(guī)ER70S-G控冷工藝是采用傳統(tǒng)緩冷工藝（慢輥速、關(guān)風機、關(guān)罩子），該工藝下生產(chǎn)的盤條平均抗拉強度在470～500 MPa，同圈強度差40 MPa以內(nèi)。提高盤條強度可采用三種控冷工藝方法：一種是采用快輥道速度以拉大線環(huán)間距，使之冷卻均勻，進而增加冷速，改善同圈性能差問題。但輥道速度并不是越快越好，過大會導致集卷亂線，因此要根據(jù)生產(chǎn)實際需要來確定；第二種是在線打開部分保溫罩以適當加快冷卻速度來控制盤條強度；還有一種是開風機提高盤條冷卻速度，但會加大搭接點與非搭接點溫差，使冷卻不均，導致同圈性能差大。通過試驗對比，最終采用加快輥道、開保溫罩方式來提高盤條強度。表4為改進前后工藝對應(yīng)的性能檢驗結(jié)果，由表4可看出：改進后盤條強度明顯提高，平均強度由490 MPa提至530 MPa，同圈性能也由40 MPa以內(nèi)改善至30 MPa以內(nèi)。

表4 改進前后盤條的性能Table 4 Properties of Wire Rods before and after Improvement

2.3.2 改進效果

送絲穩(wěn)定性能評價指標一般按松弛直徑和翹距兩個指標來評價，檢驗匯總結(jié)果見表5。

表5 送絲穩(wěn)定性能檢驗結(jié)果Table 5 Test Results of Wire-feeding Stability

由表5可看出，改進后，兩個指標大幅度改善，松弛直徑由90～110 mm提至200～230 mm，翹距由＜15 mm減小到＜10 mm，送絲穩(wěn)定性能顯著提高。

3 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化控軋控冷工藝，解決了ER70S-G焊絲鋼成品絲鍍銅不均勻、盤條表面紅銹、成品絲焊接過程送絲穩(wěn)定性差等生產(chǎn)技術(shù)質(zhì)量問題。

（2）影響成品焊絲鍍銅不均勻的主要因素是盤條表面粗大晶粒組織。通過提高入減定徑溫度，可有效消除ER70S-G焊絲鋼盤條表面粗大晶粒組織。入減定徑溫度由820～830℃提至860～880℃，有效解決了盤條表面粗大晶粒問題。

（3）在不影響盤條性能的基礎(chǔ)上，提高輥道速度，由0.12 m/s提至0.4 m/s，加大環(huán)間距，提高冷卻速度，縮短低溫停留時間。降低FeO生成量，盤條表面紅銹消失，有效解決了盤條表面紅銹問題。

（4）采用提高輥道速度、開部分保溫罩的改進工藝，可有效提高盤條強度及改善同圈性能，盤條強度由470～500 MPa提高至520～550 MPa，有效解決了成品絲焊接送絲穩(wěn)定性差問題。