14Mn5Nb無縫鋼管“魚鱗”形外折分析與控制

彭 楊,劉榮華,靳博穎,趙健明,牛 亮

(衡陽華菱鋼管有限公司,湖南 衡陽 421000)

鈮元素在鋼液中可以顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度,降低奧氏體晶粒粗化趨勢,同時能夠發(fā)揮細化鋼中晶體的作用,提高鋼的強韌性[1]。在低碳含錳鋼中加入Nb合金設計的14Mn5Nb類低合金鋼經(jīng)正火處理后具有高強度、高縱向塑性應變能力、耐腐蝕、抗低溫和良好焊接性等優(yōu)良特性,可生產(chǎn)X56、X60和X70等用于高壓輸送和嚴酷環(huán)境的管線管[2],這類管材是現(xiàn)今鋼管生產(chǎn)廠家的熱門生產(chǎn)鋼種[3-4]。

外折缺陷是影響無縫鋼管質(zhì)量的重要因素之一,有效避免外折缺陷產(chǎn)生是鋼管生產(chǎn)企業(yè)重點關注的難題[5]。本文中某鋼廠生產(chǎn)的14Mn5Nb管材制造工藝以鐵水與廢鋼為原料,經(jīng)過電弧爐冶煉、LF爐精煉以及VD爐脫氣等工序獲得鋼水。再通過弧形連鑄、緩冷、環(huán)形爐加熱[6]、錐形穿孔之后進行限動連軋。軋鋼生產(chǎn)的鋼坯還需要經(jīng)過步進爐再加熱從而消除張力,再進行定徑、熱處理、矯直與探傷檢驗,最終合格的產(chǎn)品進行包裝入庫。采用該工藝生產(chǎn)的某批次Φ323.8 mm×8.3 mm規(guī)格的14Mn5Nb無縫鋼管出現(xiàn)了批量“魚鱗”狀外折,較淺的外折缺陷通過修磨即可使用,但嚴重的外折則影響鋼材的正常使用,需要報廢處理。最終這批次鋼管廢品率超過30%,成材率大幅度降低,造成了巨大的經(jīng)濟損失。

已經(jīng)有學者進行了關于鋼鑄坯表面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象及其形成機理進行了相關研究,并取得了一定的進展。

鄭萬等[7]為降低含鈮低合金鋼鑄坯的裂紋敏感性,采用超高溫激光共聚焦顯微鏡、透射電鏡等手段研究了鈦元素對含鈮低合金鋼高溫鑄坯的晶粒度及析出物的影響。結(jié)果表明微鈦元素能夠有效調(diào)控鋼坯中氮化物的析出溫度、析出位置,有效降低含鈮鋼第三脆性溫度槽的寬度和深度。黎新春[8]針對出現(xiàn)的坯料表面“魚鱗”狀外折現(xiàn)象進行軋管實驗,發(fā)現(xiàn)鋼管“魚鱗”狀外折是水平連鑄坯冷隔裂紋所致。黃野等[9]針對某廠生產(chǎn)的20號鋼圓鋼經(jīng)穿管后出現(xiàn)折疊缺陷的問題,通過對連鑄坯、圓鋼、鋼管三個環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量進行調(diào)研和分析,找到折疊的原因是連鑄坯表面存在劃痕。提出了改進連鑄坯表面劃痕的措施并對改進后鋼材進行質(zhì)量跟蹤,使鋼管成品率提高為98%。田漢蒲等[10]針對27SiMn鋼管表面出現(xiàn)的嚴重外折現(xiàn)象進行研究,通過金相分析、鑄坯酸洗等方法發(fā)現(xiàn)鋼管外折原因來自鋁的氮化物沿奧氏體晶界析出時斷裂導致連鑄矯直點的溫度未超過第三脆性區(qū)溫度,使得鑄坯產(chǎn)生橫裂紋。劉超群等[11]針對36Mn2V管坯鋼出現(xiàn)表面裂紋現(xiàn)象,過裂紋部分進行了金相組織觀察、掃描電鏡分析,結(jié)果表明連鑄坯本身存在的質(zhì)量缺陷是36Mn2V圓鋼產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。

目前關于鋼鑄坯表面裂紋的研究主要集中于特定鋼種,而關于含鈮連鑄圓坯在連鑄高拉速下出現(xiàn)的表面橫裂紋在軋管過程中的變化和控制措施卻鮮少見到。因此,本文結(jié)合生產(chǎn)實際,就采用330 mm直徑鑄坯軋制Φ323.8 mm×8.3 mm規(guī)格的14Mn5Nb鋼管出現(xiàn)的批量“魚鱗”形外折及鑄坯表面橫裂紋進行研究,通過形貌觀察和分析,結(jié)合 “刻槽”試驗以及帶缺陷軋制試驗,確定含鈮鋼鑄坯表面裂紋的主要產(chǎn)生原因,并提出改善措施,為高拉速下控制含鈮包晶鋼鑄坯表面橫裂紋提供生產(chǎn)指導意見。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

在14Mn5Nb缺陷鋼管上取樣,采用直讀光譜進行成分分析,結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明試樣的化學成分符合技術要求。

表1 14Mn5Nb化學成分表 %

1.2 缺陷觀察與分析

1)鋼管缺陷

Φ323.8 mm×8.3 mm鋼管“魚鱗”外折缺陷宏觀形貌如圖1所示,呈半圓形或S形“魚鱗”狀外折疊(外折)形貌,缺陷沿管體軸向小角度擴展延伸。

圖1 缺陷宏觀形貌

在缺陷位置橫向取金相試樣進行分析,結(jié)果如圖2所示。裂紋沿管壁大斜向擴展,附近存在較多的高溫氧化圓點,兩側(cè)有明顯脫碳層。裂紋附近的脫碳需要在800 ℃以上的高溫并停留一定的時間,碳原子向外擴散與空氣中的氧反應生成CO或CO2氣體,而氧化圓點的形成則需要950 ℃以上,保溫半小時以上,或者1 000 ℃以上保溫20 min以上,由此可推測該裂紋在環(huán)形爐加熱前就已經(jīng)存在,因此可判斷“魚鱗”形外折是由鑄坯表面缺陷經(jīng)軋管過程擴展變形引起的。

圖2 缺陷微觀形貌

2)鑄坯缺陷

取5支Φ330 mm規(guī)格的14Mn5Nb鑄坯中浸入熱鹽酸池中,酸洗10 h后檢驗圓坯表面情況,發(fā)現(xiàn)2支連鑄圓坯內(nèi)弧表面壓痕的兩側(cè)有較多的彎曲、不規(guī)則的細小橫裂紋,如圖3所示。沿缺陷位置取金相試樣進行分析,結(jié)果見圖4。裂紋呈裂縫或空腔狀,有單條的,也有分叉型的,有與表面貫通的和不貫通的,有呈沿晶、穿晶、長條形以及斷斷續(xù)續(xù)形狀。經(jīng)掃描電鏡觀察和能譜分析,結(jié)果表明裂紋處存在較高的Nb(C、N),如圖5所示。

圖3 鑄坯表面橫裂紋宏觀形貌

圖4 橫裂紋金相觀察

圖5 裂紋處析出物微觀圖

2 軋制試驗

2.1 刻槽軋制和帶缺陷軋制

在一支酸洗后無缺陷的鑄坯上刻一條人工橫向槽,經(jīng)340軋管機組采取原來的工藝軋制,缺陷變化情況見圖6,缺陷由橫向直線型(圖6(a))變成半圓形外折(圖6(b)),兩者位置存在明確的對應關系。將1支帶橫裂紋的鑄坯切成兩支短坯,測量橫裂紋位置后,同樣經(jīng)340軋管機組采取原來的工藝分別軋成毛管和成品管。毛管和成品管上的外表缺陷位置與圓管坯橫裂紋位置同樣存在明確對應關系,缺陷形貌見圖7,毛管缺陷(見圖7(a))呈碎片狀分布,成品管缺陷(見圖7(b))呈S形折線狀和半圓形鱗片狀,其形貌與圖1中缺陷形貌高度相似,為“魚鱗”形外折缺陷。

圖6 刻槽缺陷變化

圖7 缺陷宏觀形貌

圖9 高溫塑性曲線圖

2.2 橫裂紋變形分析

坯料上的橫裂紋在軋制過程中,一進入變形區(qū)便以沿晶、穿晶或晶內(nèi)等不同形式沿兩端軸向擴展延伸,形成毛管上的表面呈碎裂狀、橫截面呈坑狀(裂口)或裂縫(空腔)狀,然后經(jīng)燒損和氧化,缺陷表面碎裂層減薄,甚至消失,隨著軋制時的進一步變形,裂縫(空腔)以這兩種方式進一步擴展:一是自身擴大,一端擴展到外表面,二是裂縫的串聯(lián)或搭接,另外不排除一些缺陷由于未與空氣接觸而沒有氧化,在高溫高壓條件下被壓焊而消失,最終在成品管體的表面形成上述所見缺陷形貌——點狀、折線狀和鱗片狀。

3 分析與討論

14Mn5Nb鋼管上的缺陷宏觀上呈半圓形或S形“魚鱗”狀外折形貌,沿管體軸向小角度擴展延伸;微觀上,裂紋沿管壁大斜向擴展,存在明顯脫碳層和高溫氧化圓點,可判斷“魚鱗”形外折是由鑄坯表面缺陷經(jīng)軋管過程擴展變形引起的。

鑄坯經(jīng)酸洗后,裂紋位于鑄坯內(nèi)弧表面壓痕的兩側(cè)處,呈彎曲、不規(guī)則的細小橫裂紋;經(jīng)金相觀察,裂紋形貌復雜,呈裂縫或空腔狀,有單條的,也有分叉型的,有與表面貫通的和不貫通的,有呈沿晶的,也有呈穿晶,有長條形的,也有斷斷續(xù)續(xù)的;經(jīng)能譜分析,裂紋處存在Nb(C、N)。

刻槽軋制和帶缺陷軋制結(jié)果表明:毛管和成品管上的外表缺陷位置與圓管坯橫裂紋位置同樣存在明確對應關系,毛管上的缺陷呈碎裂狀,成品管上面的缺陷呈S形折線狀和半圓形鱗片狀,這是軋制過程中,原始裂紋隨著擴展延伸加上燒損和氧化引起的。

通過外折缺陷觀察分析、鑄坯酸洗、刻痕實驗以及軋制試驗及變形過程分析,確定該缺陷形成原因為鑄坯表面橫裂紋造成的。

鑄坯表面裂紋成因分析:

(1)化學成分影響。14Mn5Nb鋼的含C量為0.12%～0.16%,屬于典型的包晶鋼,其鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生δ→γ相變,奧氏體晶粒粗大、延性小,組織敏感性高,同時體積收縮大,坯殼凝固厚度易不均勻,進而導致裂紋的產(chǎn)生。同時鋼中含有 Nb 等微合金元素,Nb(C、N)在凝固過程中易偏聚于奧氏體晶界處,會惡化鋼坯的高溫塑性。

(2)連鑄工藝參數(shù)影響。連鑄工藝參數(shù)見表2,該批次14Mn5Nb鑄坯的330 mm規(guī)格拉速遠高其他鋼廠(同行該規(guī)格拉速約為0.7 m/min)。

表2 連鑄工藝關鍵參數(shù)

(3)保護渣。該批次14Mn5Nb鑄坯使用的保護渣成分和性能見表3,屬于黏度低和堿度低而潤滑性高類保護渣。對于14Mn5Nb這類裂紋敏感性鋼種,保護渣應具備較強的結(jié)晶能力以有效控制傳熱,減緩包晶反應對連鑄拉速帶來的影響,可對于高拉速工藝來說則需要良好的潤滑性,兩者的矛盾難以協(xié)調(diào)。

表3 保護渣參數(shù)

(4)冷卻制度。結(jié)晶器水量過大會導致初生坯殼受到摩擦力、相變力、熱應力、鋼水靜壓力等超過坯殼的臨界強度時,在坯殼較薄處易產(chǎn)生表面裂紋,因此弱冷有利于改善包晶鋼表面質(zhì)量。二冷制度采用弱冷有利于提高鑄坯初生坯殼均勻性,降低鑄坯表面開裂風險。優(yōu)化連鑄二次冷卻、鑄坯矯直溫度,避免第Ⅲ脆性區(qū)間的矯直裂紋是降低含鈮低合金鋼連鑄坯裂紋的有效手段。然而該廠拉速較快,需采用強冷制度避免鑄坯回溫漏鋼及火焰切割時產(chǎn)生“液芯”。

(5)高溫熱塑性影響。當斷面收縮率值低于40%時,連鑄坯容易發(fā)生橫裂紋,以此作為評判連鑄過程中控制連鑄坯拉伸溫度避開脆性溫度區(qū)間的依據(jù)。有文獻指出,含Nb鋼的第III脆性區(qū)為700～900 ℃,而在現(xiàn)場測得進拉矯溫度均大于900 ℃。于是對14Mn5Nb鋼進行高溫拉伸實驗,對不同溫度下的高溫拉伸斷口進行測量和計算后,得到高溫塑性曲線見圖8,其斷面收縮率隨溫度變化的情況為:在 960～1 100 ℃的斷面收縮率均在69%以上,處于較高平臺上,此時的高溫熱塑性比較好;隨著溫度的提高,斷面收縮率緩慢提升,到1 100 ℃時的斷面收縮率最大,為82%;而在 900～940 ℃時,斷面收縮率均在40%以下,說明14Mn5Nb連鑄圓坯高溫熱塑性指標迅速變差,處于高溫拉伸的塑性低谷區(qū);隨著溫度的降低,斷面收縮率大幅度下降,到900 ℃時斷面收縮率僅為26%,說明該溫度范圍正好處于14Mn5Nb鋼的第三脆性區(qū)間內(nèi)。

影響進拉矯機溫度主要工藝參數(shù)為拉速,不同拉速與外折對應情況見表4。從表4中的數(shù)據(jù)可知,不同進拉矯溫度與外折比例并無明顯區(qū)別,也就是說雖然第III脆性區(qū)≤940 ℃,但由于Nb化物的析出,947 ℃已無法保證鑄坯不出現(xiàn)橫裂紋。

表4 拉速與外折關系

表5 優(yōu)化后保護渣關鍵參數(shù)

4 改進措施及實施效果

4.1 改進措施

結(jié)合以上分析,確定以下3項措施以改善鑄坯表面橫裂紋:①調(diào)整鑄坯成分,降低鋼種裂紋敏感性;②優(yōu)化結(jié)晶器傳熱,保證鑄坯初生坯殼均勻;③優(yōu)化二冷制度,提高鑄進入進拉矯溫度[12]。

1)成分調(diào)整

采用鈦合金化工藝,發(fā)揮氮化鈦高溫優(yōu)先析出的固氮作用,降低Nb(C、N)等的析出從而減少裂紋的產(chǎn)生,以及細化晶粒,已成為控制含鈮鋼鑄坯裂紋的有效手段。由于該廠采用電爐冶煉,通常廢鋼中含有一定殘余Ti,實際檢測時發(fā)現(xiàn)w([Ti])≤0.015%,從生產(chǎn)實踐來看,Ti含量偏少,增加Ti含量至0.02%～0.03%。

2)優(yōu)化結(jié)晶器傳熱

(1)保護渣性能優(yōu)化。提高保護渣堿度有利于提高保護渣傳熱均勻性,但會惡化保護渣潤滑性能,為尋求平衡點,進行多次保護渣性能試驗,最終確定如下保護渣指標可滿足需求。其中堿度提高至1.14,黏度提高至0.9 Pa·s。

(2)降低結(jié)晶器水流量。降低結(jié)晶器水量有利于提高初生坯殼均勻性,但易造成漏鋼事故,通過逐步摸索,將結(jié)晶器水量由2 500 L/min降低至2 300 L/min,結(jié)晶器進出水溫差由5.5 ℃提高至6.5 ℃。

(3)優(yōu)化二冷制度。在拉速不變的情況下,降低比水量可提高鑄坯進拉矯溫度,但在生產(chǎn)實踐中降低比水量卻極易出現(xiàn)切割液芯,造成火焰切割槍結(jié)鋼致使斷澆。再通過調(diào)整增加二冷段1、2區(qū)水量配比,降低3、4區(qū)水量配比,具體執(zhí)行情況見表6,利用回溫保證進拉矯溫度≥970 ℃。

表6 二冷段水量配比

4.2 實施效果

通過實施以上措施,14Mn5Nb連鑄圓坯橫裂紋得到了有效控制,質(zhì)量比較穩(wěn)定,連鑄圓坯在340軋管機組軋制鋼級管線管再未出現(xiàn)批量性“魚鱗”形外折質(zhì)量事故。

5 結(jié) 論

(1)14Mn5Nb鋼管產(chǎn)生的批量性“魚鱗”形外折缺陷來源于鑄坯表面存在橫裂紋,毛管和成品管上的外表缺陷位置與鑄坯橫裂紋位置存在對應關系,在環(huán)形爐加熱的過程中裂紋產(chǎn)生脫碳和高溫氧化圓點,在軋制過程中形成魚鱗狀外形,裂紋處存在較高的Nb(C、N)。

(2)14Mn5Nb鋼屬于含鈮包晶鋼,該鋼的第III脆性區(qū)溫度為940 ℃,高于一般含Nb鋼第III脆性區(qū)溫度700～900 ℃,且在生產(chǎn)實踐過程中947 ℃仍會產(chǎn)生矯直橫裂紋。

(3)在保持高拉速條件下,通過降低結(jié)晶器水量200 L/min,提高結(jié)晶器進出水溫差,提高保護渣堿度和黏度,優(yōu)化二冷水配比保證進拉矯溫度≥970 ℃,并增加[Ti]至0.02%～0.03%等系列措施,有效控制了14Mn5Nb連鑄圓坯橫裂紋的產(chǎn)生。