鞍鋼Ф150 mm圓坯20#鋼生產(chǎn)實(shí)踐

王成青，蔣光南，王華東，譚振軍，金龍，于東寅

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠 （以下簡稱 “二分廠”）1#方圓坯鑄機(jī)于2014年9月改造升級為6機(jī)6流連鑄機(jī)，設(shè)計產(chǎn)品規(guī)格有180 mm×180 mm、160 mm×160 mm、Ф170 mm 和 Ф185 mm。實(shí)際生產(chǎn)過程中，以方坯生產(chǎn)為主，試驗(yàn)生產(chǎn)過少量Ф185 mm圓坯，但沒有進(jìn)行量產(chǎn)。2020年下半年，二分廠為了滿足用戶需求生產(chǎn)Ф150 mm圓坯20#鋼。眾所周知，圓坯生產(chǎn)難度較方坯大，且對質(zhì)量要求更高，為保證成品管的質(zhì)量，要求圓坯坯料表面和內(nèi)部無裂紋，并且要防止大顆粒夾雜造成的鋼管內(nèi)表面缺陷。二分廠首次生產(chǎn)的圓坯出現(xiàn)了中間裂紋缺陷，因此對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，以采取相應(yīng)措施消除鑄坯中間裂紋缺陷，提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，滿足用戶需求。

1 工藝概況

圓坯20#鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分見表1，生產(chǎn)工藝流程為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→鑄機(jī)連鑄（Φ150 mm圓坯）。

表1 圓坯20#鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Standard Compositions in No.20 Steel Round Billet（Mass Fraction） %

2 圓坯軋制存在的問題及原因分析

首次生產(chǎn)主要采用圓坯專用結(jié)晶器和引錠頭，參照方坯設(shè)計對工藝參數(shù)進(jìn)行一定的優(yōu)化。實(shí)際生產(chǎn)的圓坯表面沒有發(fā)現(xiàn)縱裂等缺陷，橢圓度基本滿足要求，如圖1所示。

圖1 首次生產(chǎn)圓坯實(shí)貌Fig.1 Appearance of Round Billets Produced for the First Time

圓坯生產(chǎn)完成后，發(fā)往用戶進(jìn)行軋制試驗(yàn)。用戶根據(jù)實(shí)際需求，對鑄坯進(jìn)行了分切、裝爐、加熱，然后進(jìn)行穿孔軋制。在穿孔軋制過程中發(fā)現(xiàn)，部分圓坯未能通過穿孔機(jī)，端部出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致坯料無法順利通過穿孔機(jī)造成卡鋼事故。圓坯穿孔開裂形貌如圖2所示。

圖2 圓坯穿孔開裂形貌Fig.2 Appearance of Cracks at Pierced Round Billets

在缺陷位置截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光和4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察分析，開裂位置可見大量氧化圓點(diǎn)及脫碳現(xiàn)象，裂紋尾段分叉，圖3為圓坯開裂位置顯微組織。

圖3 圓坯開裂位置顯微組織Fig.3 Microscopic Structures in Cracking Locations of Round Billets

分析認(rèn)為，氧化圓點(diǎn)和脫碳現(xiàn)象并不是在加熱爐內(nèi)短時間產(chǎn)生的，而是由圓坯坯料帶來。為了進(jìn)一步驗(yàn)證圓坯的內(nèi)部質(zhì)量，利用電鋸對鑄坯進(jìn)行了切割，觀察其端面情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有部分圓坯的端面存在嚴(yán)重的中間裂紋缺陷，中間裂紋形貌如圖4所示。

圖4 中間裂紋形貌Fig.4 Appearance of Intermediate Cracks

取圓坯枝晶樣進(jìn)行枝晶檢測，發(fā)現(xiàn)部分圓坯的中間裂紋缺陷較嚴(yán)重，達(dá)到了2.5級，枝晶檢查結(jié)果如圖5所示。由此可以判斷，鑄坯內(nèi)部中間裂紋導(dǎo)致穿孔時出現(xiàn)端部裂紋缺陷。

圖5 枝晶檢查結(jié)果Fig.5 Inspection Results of Dendrite

3 中間裂紋產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

鑄坯通過二次冷卻區(qū)時冷卻不均勻、溫度回升產(chǎn)生熱應(yīng)力或者坯殼鼓肚、對弧不正造成的外力作用于正在凝固的固液界面均可以產(chǎn)生中間裂紋[1]。中間裂紋的產(chǎn)生是鋼種高溫力學(xué)強(qiáng)度不能抵抗綜合應(yīng)力和應(yīng)變的結(jié)果。由于鑄坯凝固過程中各種外部應(yīng)力和鋼水凝固過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力作用在液相穴前沿的固液交界面及附近區(qū)域上，當(dāng)綜合應(yīng)力和應(yīng)變超過該鋼種的固相線溫度附近的臨界強(qiáng)度和極限應(yīng)變量時，固液界面處的坯殼已不能抵抗應(yīng)力和應(yīng)變的作用而產(chǎn)生開裂并向固相擴(kuò)展，由于鋼液已成半凝固態(tài)或固態(tài)使鋼水無法補(bǔ)充，裂紋便得以在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生[2]。

影響中間裂紋的因素主要包括鋼水化學(xué)成分、澆鑄溫度、二次冷卻效果和拉矯機(jī)壓力等。鋼水中的磷、硫?yàn)橛泻υ兀自诮Y(jié)晶過程中偏析傾向較大，容易使晶界脆化；硫的偏析受到錳的抑制而隨碳含量變化不大，但當(dāng)硫含量＞0.020%時，鋼中兩相區(qū)凝固界面的延伸率大大降低，硫形成的Ⅱ類硫化物引起晶間脆性成為裂紋優(yōu)先擴(kuò)展的地方[3]。鋼水的澆鑄溫度高會引起鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，鑄坯收縮量較大，相同冷卻強(qiáng)度時坯殼更薄，鑄坯高溫力學(xué)強(qiáng)度相對較低，特別是溫度過高而拉速較低時，鑄坯更容易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。二次冷卻的目的是在鑄坯離開結(jié)晶器后，繼續(xù)對鑄坯進(jìn)行冷卻直到鑄坯彎曲凝固，20#鋼的高溫脆性曲線見圖6。

圖6 20#鋼的高溫脆性曲線Fig.6 High Temperature Brittle Curves for No.20 Steel

鑄坯在矯直前的表面溫度應(yīng)該避開700～900℃的鋼延性最低的“口袋區(qū)”。鑄坯進(jìn)入拉矯機(jī)后，受到的拉矯壓力越大，鑄坯的變形越大，橢圓度不良，也容易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋缺陷。

4 采取的措施

4.1 鋼水成分的控制

4.1.1 轉(zhuǎn)爐磷、硫含量的控制

（1）轉(zhuǎn)爐冶煉20#鋼種的鐵水條件見表2。

表2 鐵水條件Table 2 Conditions for Hot Metal

轉(zhuǎn)爐工序增加了鐵水預(yù)處理工藝控制硫含量。對鐵水硫含量超過0.030%的罐次進(jìn)行脫硫扒渣處理，控制轉(zhuǎn)爐入爐硫含量在0.030%以下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)硫含量穩(wěn)定控制在0.025%以下，為精煉LF爐脫硫創(chuàng)造穩(wěn)定的條件。優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)鋼水硫含量對比見圖7。

圖7 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)鋼水硫含量對比Fig.7 Comparison of Content of Sulfur in Molten Steel in Converter before and after Optimization

從圖7可以看出，采用鐵水預(yù)處理工藝后，轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)硫含量有了較大幅度降低，能夠?yàn)榫珶捗摿騽?chuàng)造有力條件，可以有效控制精煉處理周期，穩(wěn)定精煉鋼水搬出硫含量。

（2）鋼水中的磷主要在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中去除。優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉過程的爐料結(jié)構(gòu)，配加白灰調(diào)整爐渣堿度達(dá)到2.5～3.0；優(yōu)化槍位操作，采取高-低-高的模式；適當(dāng)提高廢鋼比，實(shí)現(xiàn)冶煉前期爐內(nèi)溫度的平緩上升，提高冶煉前期的去磷效果；出鋼時采取雙擋渣工藝控制轉(zhuǎn)爐下渣量，即出鋼前用軟質(zhì)擋渣塞堵出鋼口，減少“第一口”渣進(jìn)入罐內(nèi)，出鋼末期利用擋渣標(biāo)進(jìn)行擋渣控制，使罐內(nèi)渣厚穩(wěn)定控制在80 mm以下，防止精煉處理過程中鋼水回磷量過多，造成成品磷含量高，影響鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)溫度得到穩(wěn)定控制，在滿足精煉工序進(jìn)站溫度需求的同時，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量達(dá)到0.020%以下的工藝設(shè)計要求。優(yōu)化后轉(zhuǎn)爐各工藝參數(shù)見表3。優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)鋼水磷含量對比見圖8。

表3 轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)Table 3 Technical Parameters for Converter

圖8 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)鋼水磷含量對比Fig.8 Comparison of Content of Phosphorus in Molten Steel in Converter before and after Optimization

從圖8可以看出，優(yōu)化后轉(zhuǎn)爐罐內(nèi)鋼水磷含量有一定幅度的降低，且分布較為集中，可進(jìn)一步降低磷元素對鑄坯裂紋的影響。

4.1.2 精煉過程硫含量的控制

鋼中的硫含量是影響鑄坯質(zhì)量的最主要因素之一，精煉處理過程中，應(yīng)盡可能的降低鋼中硫含量。考慮到鑄機(jī)澆鑄過程中的絮流問題，在20#鋼種成分設(shè)計上，沒有鋁含量的控制要求，主要依靠硅元素進(jìn)行脫硫處理，但是脫硫效果一般。為進(jìn)一步降低鋼水中的硫含量，精煉處理過程中，除了細(xì)化造渣料的加入時機(jī)及加入量外，還增加了化渣劑的使用，提高了化渣效果，脫硫效果有了進(jìn)一步的改善。優(yōu)化前后精煉搬出鋼水硫含量對比見圖9。從圖9可以看出，優(yōu)化后精煉搬出鋼水硫含量有了明顯降低。

圖9 優(yōu)化前后精煉搬出鋼水硫含量對比Fig.9 Comparison of Content of Sulfur in Molten Steel Discharging from LF before and after Optimization

4.2 中間包溫度的控制

首次生產(chǎn)圓坯過程中，考慮到圓坯的規(guī)格小，澆鋼周期相對較長，為保證順利澆鑄，鋼水的過熱度設(shè)計相對偏高，結(jié)果鑄坯柱狀晶發(fā)達(dá)，鑄坯收縮量較大，相同的冷卻強(qiáng)度下坯殼更薄，鑄坯高溫力學(xué)強(qiáng)度相對較低，特別是溫度過高而拉速較低時，更容易產(chǎn)生鑄坯內(nèi)部裂紋。因此將鋼水過熱度降低5℃。為保證澆鋼周期穩(wěn)定，拉速要求穩(wěn)定在（2.1±0.1）m/min。機(jī)前澆鑄過程中，保證實(shí)際過熱度不高于設(shè)計過熱度目標(biāo)值±5℃，同時，罐與罐之間的過熱度控制要穩(wěn)定，波動要小，以實(shí)現(xiàn)鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定控制。為保證精煉搬出鋼水溫度的穩(wěn)定控制，采取了以下措施：鋼水罐選擇紅罐出鋼，透氣磚選擇前5回的罐次，保證鋼水的起翻效果；不同罐次間，根據(jù)前罐中間包實(shí)際溫度情況及鋼水的靜置時間等，微調(diào)整LF搬出溫度；中間包烘烤時間為2.5～3.0 h，保證中間包烘烤效果；加強(qiáng)上下工序間的溝通與協(xié)調(diào)，保證供鋼節(jié)奏，確保澆鑄周期穩(wěn)定，拉速恒定。圖10為優(yōu)化前后中間包過熱度的對比。

圖10 優(yōu)化前后中間包過熱度的對比Fig.10 Comparison of Degrees of Overheat in Tundish before and after Optimization

從圖10可以看出，優(yōu)化后的中間包過熱度有了明顯的降低，有利于鑄坯內(nèi)部裂紋的控制。

4.3 二冷工藝的控制

二次冷卻的目的是在鑄坯離開結(jié)晶器后，繼續(xù)對鑄坯進(jìn)行氣霧冷卻，直到完全凝固。參考20#鋼的高溫脆性曲線，在矯直前鑄坯溫度應(yīng)該避開鋼延性最低的“口袋區(qū)”，所以，二冷區(qū)鑄坯表面溫度應(yīng)控制在鋼延性最高的溫度區(qū)，即900℃以上。二分廠是在方坯鑄機(jī)的基礎(chǔ)上采用圓坯結(jié)晶器，通過更換圓坯專用的二冷區(qū)一段段位進(jìn)行生產(chǎn)的，所以，在二冷噴淋上，主要通過調(diào)整二冷水的分配系數(shù)控制各段位的比水量，總的比水量為0.5 L/kg，實(shí)現(xiàn)所需要的霧化效果。在生產(chǎn)圓坯前，對二冷噴嘴、噴淋架等進(jìn)行檢查確認(rèn)，保證噴淋條無歪斜或開焊，噴嘴無分叉或堵塞。實(shí)際生產(chǎn)過程中，拉速恒定為2.0 m/min時，對入拉矯機(jī)前的鑄坯進(jìn)行測溫，矯直前的鑄坯溫度見表4。

表4 矯直前的鑄坯溫度Table 4 Round Billet Temperature before Straightening℃

從表4實(shí)際測得的鑄坯溫度推斷，設(shè)計的工藝參數(shù)基本滿足鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量要求。鑄機(jī)兩側(cè)的邊流與中間的各流之間相比，鑄坯溫度要略低一些，這是因?yàn)檫吜麒T坯出拉矯后，熱量向外輻射散去造成。

4.4 鑄機(jī)拉矯工藝的控制

生產(chǎn)圓坯時，采用的是方坯拉矯機(jī)連續(xù)矯直。由于圓坯表面與拉矯輥的接觸面積發(fā)生變化，如果采用方坯的拉矯力，勢必造成圓坯的橢圓度不良，因此，對拉矯機(jī)的拉矯壓力進(jìn)行了優(yōu)化，通過不斷摸索試驗(yàn)，根據(jù)測得的鑄坯橢圓度情況，逐漸降低拉矯的壓力，最終確定了實(shí)際拉矯壓力為方坯的70%，滿足了拉坯需求的同時，鑄坯的橢圓度也滿足質(zhì)量要求。

5 取得的效果

采取上述措施后，用電鋸切割所生產(chǎn)的圓坯，觀察其端面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，各流鑄坯切割后實(shí)貌見圖11。將后續(xù)生產(chǎn)的圓坯發(fā)往用戶進(jìn)行軋制生產(chǎn)，圓坯能夠順利通過穿孔機(jī)，未再發(fā)生卡鋼事故。圓坯實(shí)物質(zhì)量滿足了用戶要求。

圖11 各流鑄坯切割后實(shí)貌Fig.11 Appearance of Billets after Cutting Various Casting Blanks

6 結(jié)語

分析了鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產(chǎn)的Ф150 mm圓坯20#鋼鑄坯中間裂紋產(chǎn)生原因后，采取鐵水預(yù)處理工藝、轉(zhuǎn)爐低溫冶煉操作、精煉化渣控制硫含量；過熱度降低5℃，機(jī)前澆鑄過程中保證實(shí)際過熱度不高于設(shè)計過熱度目標(biāo)值±5℃，確保鑄機(jī)恒速操作；更換圓坯專用段位，提高鑄坯出結(jié)晶器后的二冷效果，生產(chǎn)前對二冷水嘴檢查維護(hù)，實(shí)現(xiàn)鑄坯均勻冷卻，控制回溫幅度。解決了Ф150 mm圓坯20#鋼鑄坯中間裂紋缺陷問題，用戶在軋制過程中未再發(fā)生卡鋼事故，實(shí)物質(zhì)量滿足了要求。