高強度錨桿鋼質量缺陷分析及工藝優化

楊凱峰，賈培剛，張利武

（石橫特鋼集團有限公司 煉鋼廠，山東 肥城271612）

1 前言

錨桿鋼主要用于煤炭巷道支護使用，但隨著煤炭開采深度的不斷增加，巷道斷面尺寸也逐漸擴大，使得巷道支護承受的壓力增加，采煤安全生產問題越來越突出，加上國內錨桿市場的競爭越來越激烈，因此催生了更高強度級別的礦用支護錨桿的更新換代。石橫特鋼作為國內錨桿鋼的龍頭企業，為進一步占有錨桿鋼高端市場，開發了MG600系列高強度錨桿鋼。但其因該鋼種在高強度、低屈強比、高韌塑性的基礎上有較高的表面及內部質量要求，雖然開發成功，但產品質量穩定性較差，時常在錨桿鋼筋表面出現輕微的發紋、結疤、裂紋等表面質量缺陷，輕則經人工挑選后可以供用戶使用，重則產生廢品，導致成本居高不下，嚴重影響了市場占有率。為保證600級別錨桿鋼質量穩定，徹底消除質量問題，石橫特鋼煉鋼廠對MG600鋼進行生產過程分析，找到了制約質量穩定性的因素，保證了高強度MG600鋼筋用坯質量穩定控制，使得MG600鋼筋質量穩定性得到大幅提高。

2 質量缺陷原因分析

通過顯微鏡觀察，錨桿鋼筋表面裂紋在鋼筋基圓面上有1條或多條裂紋，沿軋制方向斷斷續續，呈線狀分布。經對存在質量問題的鋼材取樣，觀察鋼材縱截面，裂紋深度一般距離表面0.3 mm以內。有與表面貫通的，也有不貫通的，呈現不規則性。高倍鏡觀察試樣橫截面，發現裂紋內部有明顯的大型夾雜物，如圖1所示，高倍試驗報告如表1所示。

圖1 橫截面裂紋及夾雜物形態

由圖1以及表1可以判定，MG600鋼筋裂紋來源于鋼坯缺陷，查閱相關資料，初步判定造成鋼材質量缺陷的主要原因是外來夾雜物超標。外來夾雜物多為鋼包澆注料使用的耐火材料和輔料卷入鋼水造成，該類夾雜物一般情況下尺寸大、變形能力差，在軋制過程中容易誘發裂紋缺陷。

表1 高倍試驗報告

為準確查找外來夾雜物來源于哪一方面，對錨桿鋼筋表面裂紋的樣品進行能譜分析，通過分析可以發現，探針打出來的元素種類較多，能譜峰值以Ca、O、Si3個元素為主，見表2。

表2 夾雜物能譜分析%

3 高強度MG600生產工藝優化

3.1 優化轉爐操作制度

3.1.1 提高終點碳合格率

根據鋼水碳-氧反應的平衡常數與溫度之間的關系碳氧濃度積，它在一定溫度和壓力下是一個常數，對于一定的操作工藝，若已知鋼中的［C］，便可估算鋼中的［O］。提高轉爐終點碳，在溫度和壓力一定的情況下鋼水［O］含量就低［1］，因此提高轉爐終點碳對降低鋼水氧化性有積極作用，當碳含量在0.07%及以上時，鋼中自由氧含量在514×10-6以下。具體碳氧平衡關系和鋼中自由氧含量與終點碳含量關系，如圖2所示。

圖2 鋼中碳氧平衡圖［2］

1）采用高拉補吹新工藝。由于該鋼材性能以及成本影響設計成分時，鋼種碳含量較高，因此采用高拉補吹工藝。高拉補吹是指終點按鋼種所要求的碳含量稍高一些進行拉碳，待測溫取樣后按分析結果與鋼種要求的碳含量差值以及終點磷含量決定補吹時間。為保證生產的連續性、穩定性及最大限度保證鋼水質量，為此制定了工藝要求:嚴格執行700～800 mm的拉碳槍位，且拉碳時間不低于20 s；終點碳含量在0.13%～0.17%，提槍測溫取樣然后確定補吹時間，補吹槍位不得低于800 mm，補吹時間根據目標終點碳含量確定。在確保以上工藝要求的基礎上，補吹后直接出鋼，最終碳在0.08%以上（部分爐次達到0.13%），其終點氧化鐵在9%～11%。高拉補吹關鍵是提槍時機既要保證溫度、終點磷又要保證碳含量。高拉補吹可以將渣中氧化鐵中的鐵元素通過鋼水中較高的殘余碳還原到鋼水中，從而降低鋼水的氧化性。

2）加強技術交流以及培訓。一方面通過技術比武和先進企業技術交流，另一方面通過煉鋼廠內部技術培訓，提高爐長和搖爐在不同時期的判碳能力。終點控制水平得到有效提高，不僅使終點碳≥0.08%爐次合格率達到90%及以上，而且拉后吹的比例由原先的20%降低到現在的10%以內，從而降低了鋼水的氧化性，提高了增碳材料和合金的回收率。

3.1.2 出鋼口的及時維護

轉爐出鋼口在使用過程中除了受高溫鋼水和高氧化性爐渣的直接沖刷和侵蝕外，還受溫度急冷急熱的影響，隨著使用時間的延長，鎂碳磚出鋼口由于氣相氧化-組織結構惡化-磨損侵蝕被蝕損［2］，導致出鋼口使用后期的擋渣效率降低，因此需要不斷地進行修補或更換，保證盡可能減少因出鋼口內徑增大引起的下渣。出鋼口在使用過程中出現的堵不嚴、散流、下渣、堵不住、控鋼時間長、出鋼卷渣等情況，表明出鋼口出現問題，此時要及時進行修補，改變以往單純依靠連鑄更換中間包間停時間修補的模式，做到適時修補、及時修補，修補料能夠與殘余的耐火材料連接在一起，形成一個新的出鋼口。出鋼口的及時維護，既提高了出鋼口壽命，又有效減少了下渣爐次及下渣量，降低了鋼水的二次污染。

3.1.3 采用滑板擋渣技術

滑板擋渣技術，能很好地控制下渣量，為此生產MG600系列鋼種時，采用滑板擋渣技術，并要求出鋼操作人員要嚴格執行工藝要求，控制好轉爐傾動速度及角度。出鋼過程中，快速通過前、后下渣區，消除帶渣出鋼。在出鋼過程中爐口不下渣的前提下，盡量使轉爐向下傾動，保持爐內出鋼口處鋼液面最深，防止出鋼卷渣。

3.1.4 降低出鋼溫度

鋼水溫度和鋼中自由氧含量關系見圖3［3］，可以看出，隨著溫度的升高，鋼中自由氧含量也隨之升高。降低出鋼溫度有利于降低鋼中氧含量，隨著溫度的降低，鋼中自由氧含量也隨之降低。鋼中自由氧含量降低也就代表鋼水氧化性降低，既有利于提高鋼水質量又有利于提高合金回收率。

圖3 溫度和鋼中自由氧含量關系

通過理論計算得出MG600系列鋼種的液相線溫度在1 508℃左右，按照過熱度15℃、鋼包至中間包溫降25～30℃控制，考慮鋼包包況的影響，精煉爐吊包上連鑄溫度控制在1 550～1 560℃。

為盡量減少轉爐出鋼溫度，充分考慮轉爐、精煉爐、連鑄生產節奏之間的匹配關系，精煉爐冶煉周期30 min，而轉爐冶煉周期24 min左右。為降低鋼水溫降，降低轉爐出鋼溫度，以精煉爐到站溫度1 540℃為基準，控制轉爐出鋼溫度在1 620～1 630℃即可。控制好節奏，轉爐出鋼即可直接吊包至精煉爐送電，節奏銜接無間隙。

3.2 采用硅鈣鋇及鋁進行強脫氧

硅鈣鋇合金有較好的脫氧和凈化鋼質作用。關于鋇系復合脫氧劑的研究，認為鋇系合金脫氧能力強，能夠形成低熔點化合物，減少非金屬夾雜物含量，改變夾雜物形態。增加硅鈣鋇脫氧同時，出鋼后期適當采用硅鋁鐵進行強脫氧，進一步降低鋼水自由氧含量。

3.3 精煉脫氧制度進一步優化

為保證精煉爐快速造渣，轉爐爐后出鋼過程中伴隨合金加入部分石灰、螢石及高效精煉渣提前造渣，便于精煉爐快速調渣。鋼水進入精煉爐，控制初期爐渣堿度≥2.5，渣中（FeO+MnO）≤0.5%，提高爐渣吸附夾雜物的能力。白渣形成后保持時間適當延長，由5 min延長到10 min以上，提高鋼水脫氧效果，滿足產品低硫含量的要求。氧含量要求低于20×10-6，并用定氧儀定氧，自由氧低于8×10-6可以出鋼澆注，并依據定氧結果進行補充脫氧；精煉爐出鋼前，采取鈣線處理措施，不僅進行深度脫氧，同時對夾雜物進行變性處理，防止在澆注時發生水口堵塞現象。

3.4 連鑄全程保護澆注

鋼包和中間包內鋼水的氧化受許多因素的影響，如鋼包渣的卷入、鋼水和中間包覆蓋劑的反應、耐火材料的熔損、鋼水和鋼包堵塞物的反應、鋼水因空氣而產生的氧化等，其影響程度因澆鑄鋼種的不同而不同；因此，必須定量掌握各澆鑄鋼種因各種不同因素而產生鋼水二次氧化的行為，研究相應的預防措施。

1）大包采用長水口保護澆注，避免鋼水流入中間包時造成鋼水二次氧化。

2）用蓋子將中間包鋼包上部覆蓋，形成密閉，同時采用高堿度鋼包覆蓋劑和中間包覆蓋劑。覆蓋劑既能起到保溫、保護耐火材料作用，還有吸收夾雜物的作用。覆蓋劑的堿度越高，越能提高鋼水的潔凈度。當堿度升高時，SiO2的活度下降，可以防止鋼水因中間包覆蓋劑而產生氧化。

3.5 采用全鎂碳磚鋼包

磚料混砌鋼包相對于鎂碳磚包有成本優勢，但澆注料鋼包中的澆注料主要成分是鎂鋁尖晶石，在鋼水精煉過程中鋼包渣線部位的澆注料侵蝕相當嚴重。耐材侵蝕后很容易造成鋼水再次污染，因此采用鎂碳磚包生產MG600，既保證鋼水質量又能保證安全生產，并且在生產MG600之前將鎂碳磚包在其他鋼種生產中提前使用，既能提高鎂碳磚包投入時的鋼包溫度，避免溫降不規律，又可以降低鋼包帶來的夾渣物，提高鋼水純凈度。

3.6 優化結晶器保護渣的使用工藝

改變保護渣儲存方式，使用前對保護渣進行烘烤去除水分。保護渣攜帶水分很容易增加鋼水H含量影響鋼坯質量，進而會導致鋼坯出現質量波動以及缺陷。

4 工藝改進效果

經過工藝改進，鋼坯的低倍組織明顯改善，消除了角部和皮下裂紋，基本消除了中心裂紋（見表3、圖4），徹底消除了表面結疤、裂紋、發紋缺陷。鋼材性能達到了預定目標要求，屈服強達到630 MPa，抗拉強度≮800 MPa，伸長率25.5%，沖擊功80 J。

表3 MG600鑄坯低倍組織缺陷評級

5 結語

圖4 鋼坯低倍照片

通過對質量缺陷的深度分析，找到了改善質量的工藝方法，并通過對轉爐操作制度、精煉脫氧制度、連鑄全程保護澆注、鋼包耐材材質、結晶器保護渣的使用工藝進行全面優化，實現了鋼坯質量穩定，提高了鑄坯內在質量，避免了鋼坯在軋制時鋼材表面裂紋、鋼材劈裂、結疤、發紋等問題。鋼坯經軋制后，各項性能指標均達到了預期要求，實現了高強度、低屈強比、高韌塑性以及高尺寸精度錨桿鋼的穩定生產。