鞍鋼ER70S-G焊絲鋼技術質量問題解決對策

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ER70S-G系列焊絲鋼產品，是繼普通氣保焊絲ER70S-6后開發的高級產品，廣泛應用于工程機械、石油化工及鋼結構等領域，該產品于2016年已批量生產，產品國內市場占有率達60%以上，綜合性能水平與浦項制鋼相當。但該產品在2016～2019年開發過程中相繼出現了成品絲鍍銅不均勻，成品絲焊接過程送絲穩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，盤條問題也逐漸暴露出來，如成品絲鍍銅不均勻，表面產生桔皮缺陷、成品絲焊接過程送絲穩定性差、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,發現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（質量分數）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，盤條粗晶區域硬度較低，在后續拉拔時鋼絲表面變形不均，產生褶皺引發桔皮缺陷；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FeSiO，在后續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，發現FeSiO位于氧化鐵皮與基體之間，緊靠盤條基體位置，檢驗結果見圖3。

圖3 FeSiO4掃描檢測結果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拉拔費模。同時，表面存在紅銹的盤條外表不美觀，影響產品品牌形象，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生：一是低溫氧化，在570℃以下，氧化速度較慢且主要發生結構的轉變，即FeO→FeO+Fe，發生先共析及共析反應，產物以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生。

1.3 送絲穩定性差

ER70S-G焊絲鋼采用大線能量焊接工藝，對送絲穩定性要求嚴格，良好的送絲穩定性可提高生產效率，改善焊縫質量及焊接飛濺問題。影響焊絲鋼焊接送絲穩定性因素有很多，如焊絲挺度不夠、焊絲銹蝕、焊絲規格不均、導電嘴送絲孔磨損嚴重以及焊接電流電壓不匹配等。對比分析大量數據發現，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定性差，影響焊接質量，同時降低了工作效率。常規工藝盤條強度為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，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。因此要根據現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）終軋高于動態再結晶溫度軋制

經典的表面粗晶理論認為，在奧氏體單相區軋制時，隨著終軋溫度的降低，晶粒將細化。當終軋溫度低于動態再結晶轉變溫度時，晶界遷移驅動力迅速增加，會發生晶粒異常長大，且異常粗大晶粒伴隨細小晶粒同時產生。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℃，低于動態再結晶轉變溫度，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，設定在入減定徑機組溫度820～900℃范圍區間進行試驗。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果。

表2 不同終軋溫度工藝檢測的粗晶帶寬結果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。根據生產實踐及理論分析，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。生產中可通過優化加熱工藝、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，結果見表3。

表3 不同控冷工藝盤條氧化鐵皮占比檢驗結果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，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定性差的改進

2.3.1 改進措施

成品絲焊接過程送絲穩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ER70S-G控冷工藝是采用傳統緩冷工藝（慢輥速、關風機、關罩子），該工藝下生產的盤條平均抗拉強度在470～500 MPa，同圈強度差40 MPa以內。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，因此要根據生產實際需要來確定；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的性能檢驗結果，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以內改善至30 MPa以內。

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，檢驗匯總結果見表5。

表5 送絲穩定性能檢驗結果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，送絲穩定性能顯著提高。

3 結論

（1）通過優化控軋控冷工藝，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定性差等生產技術質量問題。

（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上，提高輥道速度，由0.12 m/s提至0.4 m/s，加大環間距，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定性差問題。