C-Mn鋼晶粒長大趨勢的影響因素分析

曾勇剛

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司科技規劃部)

C-Mn鋼晶粒長大趨勢的影響因素分析

曾勇剛

(攀鋼集團成都鋼釩有限公司科技規劃部)

選取轉爐、電弧爐生產的C-Mn石油套管鋼軋成的管材試樣,進行了成分檢測、不同加熱溫度和不同保溫時間的熱處理及金相檢驗,分析了不同合金元素、加熱溫度及鋼中氣體含量對其本質晶粒度的影響。結果表明,控制C含量、降低鋼中P含量、實施微鈦處理、適當增加鋼中的N含量,可以起到細化C-Mn石油套管鋼奧氏體晶粒度的作用。

C-Mn鋼;晶粒長大;影響因素

1 引言

由于煉鋼所用原材料及煉鋼方式的不同,操作控制水平的差異,生產出鋼坯的化學成分、殘余元素及鋼中氣體含量也會不同,它將導致鋼坯軋制后力學性能上的差異。

我公司在生產C-Mn石油套管的過程中,在主要化學成分基本相當的情況下,出現了轉爐鋼軋成管材的性能一次合格率低于電弧爐鋼的現象。金相檢驗表明,晶粒度大小是影響管材性能差異的主要原因。

晶粒度大小及其長大趨勢主要表現為晶界的移動。它不僅受鋼本質晶粒度的影響,還受加熱溫度、加熱時間、化學成分、殘余元素含量、氣體含量及組織的影響。

根據從大生產中兩種冶煉方式生產的同一鋼種軋出的管材上取樣所作的試驗結果來討論合金元素、加熱溫度及鋼中氣體含量對C-Mn石油套管鋼本質晶粒度的影響,并提出細化晶粒的建議。

2 試驗程序

(1)采用電弧爐、轉爐方式冶煉的鋼坯軋制成鋼管后,各選取同規格同鋼種C-Mn石油套管管材鋼4個爐號,按要求加工成化學成分分析試樣、氣體分析試樣和金相分析試樣。

(2)為了便于比較,對所取試樣在不同加熱溫度和不同保溫時間下進行熱處理,然后對金相試樣作奧氏體晶粒度比例的測定及評級、本質晶粒度和實際晶粒度的判定并照相。

(3)試樣的熱處理制度見表1。

表1 試樣熱處理制度

3 檢驗結果

3.1 化學成分分析

3.1.1 化學成分

同鋼種C-Mn管鋼電弧爐與轉爐鋼生產的化學成分含量比較值見表2所示。

3.1.2 鋼中氣體含量分析

同鋼種C-Mn管鋼電弧爐與轉爐鋼生產的鋼材氣體含量比較值見表3所示。

3.2 金相檢驗結果

同鋼種C-Mn管鋼不同煉鋼方式按照表1所示的熱處理制度進行熱處理,金相檢驗結果見表4所示,其金相照片見相應照片編號。

表2 電弧爐鋼與轉爐鋼化學成分含量比較值

表3 電弧爐鋼與轉爐鋼鋼材氣體含量比較值

4 分析與討論

本質晶粒度是根據標準試驗方法,在930℃保溫3h～8h后測定的奧氏體晶粒度大小。它表示鋼在一定條件下奧氏體晶粒的長大傾向。不同鋼種和不同冶煉方法煉制的同一鋼種,在同一加熱條件下,可能表現出不同的晶粒長大傾向。一般定義1～4級為本質粗晶粒鋼,5級以上為本質細晶粒鋼。

實際晶粒度是指在某一具體加熱或熱加工條體下所得到的奧氏體晶粒度大小。實際晶粒度基本上決定了鋼在室溫時的晶粒大小,除與鋼的本質晶粒長大傾向有關外,還與實際加熱溫度和保溫時間有關。

表4 金相檢驗結果

圖1 21—1樣奧氏體晶粒度評級圖

圖2 38—1樣奧氏體晶粒度評級圖

圖3 38—2樣奧氏體晶粒度評級圖

圖4 38—3樣奧氏體晶粒度評級圖

圖5 38—4樣奧氏體晶粒度評級圖

圖6 38—5樣奧氏體晶粒度評級圖

圖7 38—6樣奧氏體晶粒度評級圖

圖8 493—1樣奧氏體晶粒度評級圖

圖9 496—1樣奧氏體晶粒度評級圖

圖10 496—2樣奧氏體晶粒度評級圖

圖11 496—3樣奧氏體晶粒度評級圖

圖12 496—4樣奧氏體晶粒度評級圖

圖13 496—5樣奧氏體晶粒度評級圖

圖14 496—6樣奧氏體晶粒度評級圖

4.1 合金元素影響

合金元素易與C、O、N形成高熔點的碳化物、氧化物、氮化物,有較強的穩定性且不易聚集長大,鋼水凝固時起著結晶核的作用,使鋼的晶粒細化。然而,由于合金元素與C、O、N生成化合物的熱力學條件不一樣,化合物的穩定性不同,使得合金元素對奧氏體晶粒度的影響不同,甚至有些合金元素還有增大晶粒長大的趨勢。因此,鋼中合金元素對奧氏體晶粒度的影響是不同的。

4.1.1 C、Si、Mn、P元素含量的影響

C、Si、Mn、P元素是鋼中主要化學成分控制元素,均要求控制在標準規范內,以保證產品組織和性能。從對晶粒長大的趨勢影響來看,C、Mn、P元素為增大晶粒長大趨勢的元素,Si為微弱抑制晶粒長大的元素[1]。從表2可知,轉爐鋼的C、P含量均比電弧爐鋼高0.02%、0.003%,Si、Mn含量低0.01%、0.04%,而Si僅為微弱抑制晶粒長大的元素。因此,本試驗的轉爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長大。

4.1.2 AlS的影響

從對晶粒長大的趨勢影響來看,Al是強烈抑制晶粒長大的元素[1]。采用Al進行鋼液沉淀脫氧,Al在鋼中有三種不同的結合狀態,即Al2O3、Al N和固溶Al,其中對細化晶粒起主要作用的是難熔的六方點陣結構的Al N,由于在晶界上彌散析出而阻礙了晶界移動,防止了晶粒的長大,當殘余Al含量在0.009%～0.06%范圍內時,容易得到本質細晶粒鋼,但當超過一定數量時,奧氏體晶粒容易粗化[2]。因此,采用Al脫氧具有阻止晶粒長大的作用,奧氏體晶粒長大的傾向較小,屬于本質細晶粒鋼。

本次試驗的電弧爐鋼及轉爐鋼均采用鋁脫氧方式,AlS分析結果表明在上述殘Al范圍內,從表2可知兩種冶煉方式的酸溶鋁含量差別不大,因此,Al元素含量在本次試驗中對晶粒度影響不大。

4.1.3 Ti、V、Nb、Mo、W、Cr、Ni含量的影響

從對晶粒長大的趨勢影響來看,Ti、V、Nb是強烈抑制晶粒長大的元素,Mo、W、Cr是中等抑制晶粒長大的元素,Ni是微弱抑制晶粒長大元素[1],這些元素是殘余元素含量,與煉鋼使用的原材料條件有關。

從表2中可知,電弧爐鋼及轉爐鋼的殘余元素V、Nb、Mo、W含量微量,對晶粒度影響不大。轉爐鋼的殘余Ti、Ni含量較電弧爐鋼低0.01%、0.02%,而轉爐鋼的殘余Cr含量較電弧爐鋼高0.02%,由于在本試驗中轉爐鋼抑制晶粒長大的殘余元素含量少于電弧爐鋼,因此,轉爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長大。

4.2 鋼中N、O氣體含量的影響

鋼中氣體含量對晶粒長大有直接影響,這是因為合金元素易與N、O形成高熔點的穩定的氧化物、氮化物,降低了鋼的晶粒長大傾向,起著細化晶粒的作用,是抑制晶粒長大的元素[1]。從表2中可知,轉爐鋼的N含量低于電弧爐鋼21.1ppm,O含量高于5 ppm,因此轉爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長大。

綜上分析,在本次C-Mn管鋼對比試驗中,轉爐鋼的增大晶粒長大趨勢元素C、P含量高,強烈抑制晶粒長大元素Ti、Ni含量及鋼中N含量低,是轉爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長大的主要原因。需說明的是合金元素對鋼在加熱時晶粒度的影響是各個合金元素影響的綜合疊加結果。

4.3 加熱溫度影響

加熱溫度對C-Mn管鋼實際奧氏體晶粒度的影響見圖1所示。

由圖1可知,無論是電弧爐鋼還是轉爐鋼,隨著加熱溫度的升高,實際奧氏體晶粒度呈長大趨勢,轉爐鋼奧氏體晶粒度長大趨勢明顯大于電弧爐鋼。另一方面,當加熱溫度在950℃～1 000℃時晶粒長大趨勢加快,之后趨于平緩。

圖1 加熱溫度對晶粒度的影響

4.4 同一冶煉方式的比較

同一電弧爐生產C-Mn鋼的合金元素及氣體含量比較值見表5。

表5 同一冶煉方式的合金元素及氣體含量比較值

由表5分析可知,電弧爐鋼38號試樣與21號試樣相比,P、AlS、N、Si元素含量高, Ni、O元素含量低,抑制晶粒長大元素多,因此,38號試樣的晶粒度要細些。由表4可知,在同等熱處理條件下均存在混晶組織,但38號試樣本質晶粒度的評級級別為6.5級,高于21號試樣的5.5級的本質晶粒度。由此可見,不同的合金元素及氣體含量對C-Mn鋼本質晶粒度有不同的影響。

5 建議及實施效果

由于合金元素對鋼在加熱時晶粒度的影響是一個綜合疊加的結果,因此建議:

(1)C-Mn石油套管鋼的C含量應控制在規范的下限,降低鋼中P含量。

(2)適量加入強烈抑制晶粒長大的V、Nb、Ti微合金元素。鈦鐵合金價格相對便宜,因此可對C-Mn石油套管鋼進行微鈦處理,以細化晶粒。

(3)由于電弧爐煉鋼高溫電弧離解空氣使得鋼中N含量明顯高于轉爐鋼,因此對轉爐鋼可采取如底吹N2進行鋼液攪拌的措施,以適當增加C-Mn石油套管鋼中的N含量。

通過采取上述措施,C-Mn石油套管轉爐鋼軋制后的管材檢測結果表明,奧氏體晶粒度平均達到6.0級,性能檢測一次合格率提高到100%。

6 結論

(1)合金元素對鋼在加熱時晶粒度的影響是一個綜合疊加的結果。本次C-Mn石油套管鋼對比試驗中,轉爐鋼的增大晶粒長大趨勢元素C、P含量高、強烈抑制晶粒長大元素Ti含量及鋼中N含量低,是轉爐鋼較電弧爐鋼的晶粒易于長大的主要原因。

(2)實際奧氏體晶粒度隨加熱溫度的升高呈長大趨勢,轉爐鋼奧氏體晶粒度長大趨勢明顯大于電弧爐鋼。在950℃～1 000℃溫度區間晶粒長大趨勢加快,之后趨于平緩。

(3)采取控制C含量,降低鋼中P含量,實施微鈦處理,適當增加鋼中的N含量,可以起到細化C-Mn石油套管鋼的奧氏體晶粒度的作用,從而提高管材軋制性能檢測的一次合格率。

[1] 陳德和.鋼的缺陷[M].北京:機械工業出版社,1977:80.

[2] 趙堅.優質鋼缺陷[M].北京:冶金工業出版社,1991:293—295.

Analysis of Influence Factors for Grain Growth of C-Mn Steel

ZENG Yong-gang

(Technology Planning Dept.,Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.)

Analyzed here are pipe samples rolled from C-Mn oil casing steel produced by converter and EAF.Composition analysis,heat treatment and metallographic examination at different heating temperatures and holding time are conduced on the samples.And influence of alloy elements, heating temperature and gas content on grain size is analyzed.The test results show that austenitic grain size can be refined through controlling of carbon content,reduction of P content,micro-ti treatment and adding N appropriately in steel.

C-Mn steel;grain growth;influence factor

1001—5108(2016)03—0052—07

TG113.1

A

曾勇剛,工程師,金屬材料及熱處理專業,現任攀鋼集團成都鋼釩有限公司科技規劃部部長。