Cr-V-Al微合金化SWRH82B鋼生產(chǎn)工藝研究

白澈力格爾，王忠偉，牟貝成，博 宇

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300352）

0 引言

SWRH82B 是日系標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線盤條用鋼，所生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線主要用于高層建筑和大型橋梁等的結(jié)構(gòu)，要求抗拉強(qiáng)度≥1100MPa，斷面收縮率≥25%，因此對(duì)鋼質(zhì)的化學(xué)成分、純凈度以及組織結(jié)構(gòu)要求非常高。由于市場(chǎng)對(duì)SWRH82B預(yù)應(yīng)力鋼絞線使用性能的要求不斷提高，對(duì)SWRH82BΦ13mm 盤條抗拉強(qiáng)度的要求已超過了1180MPa，目前天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司（后稱榮程鋼鐵）采用JIS G3506 日系標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的SWRH82BΦ13mm 盤條已無法滿足市場(chǎng)需求。因此，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上開展微合金強(qiáng)化工藝研究是有必要的，這是進(jìn)一步提高SWRH82BΦ13mm 盤條抗拉強(qiáng)度的有效途徑。

為了應(yīng)對(duì)SWRH82B 硬線鋼盤條日益苛刻的市場(chǎng)要求，榮程鋼鐵開展了硬鋼線材微合金強(qiáng)化工藝的研究。本文對(duì)SWRH82B鋼成分微合金強(qiáng)化工藝進(jìn)行了分析，介紹了SWRH82B 鋼的生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)，并對(duì)Cr-V-Al 微合強(qiáng)化后生產(chǎn)的SWRH82B鋼的質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)分析。

1 SWRH82B生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

榮程鋼鐵煉鋼系統(tǒng)配備有3 座120 噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、4 座LF 爐、1 座VD 爐、1 臺(tái)六機(jī)六流Φ250mm圓坯連鑄機(jī)，于2015 年引進(jìn)了新日鐵中包等離子加熱設(shè)施，該設(shè)施可實(shí)現(xiàn)連鑄低過熱度恒溫澆注；高速線材軋鋼系統(tǒng)配備的是美國摩根六代軋機(jī)，處于世界領(lǐng)先水平。榮程鋼鐵在預(yù)應(yīng)力鋼絞線盤條生產(chǎn)領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，在當(dāng)前天津鋼絞線市場(chǎng)中，產(chǎn)品處于領(lǐng)軍地位。榮程鋼鐵在預(yù)應(yīng)力鋼絞線用盤條生產(chǎn)技術(shù)方面有著獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)，其中轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)、精煉渣系調(diào)整及夾雜物脫除技術(shù)、鑄坯偏析控制技術(shù)等均處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

目前榮程鋼鐵SWRH82B預(yù)應(yīng)力鋼絞線用盤條的生產(chǎn)工藝為：120 噸轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→VD 真空精煉→Φ250mm 連鑄圓坯（結(jié)晶器電攪和末端電攪）→鑄坯緩冷→高速線材軋制→斯太爾摩空冷。

2 SWRH82B微合金化生產(chǎn)工藝控制

2.1 化學(xué)成分微合金化控制

目前的JIS G3506 日系標(biāo)準(zhǔn)無法滿足市場(chǎng)需求，因此需要在此標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上研發(fā)硬線鋼微合金強(qiáng)化工藝，如：Cr-V-Al 微合金強(qiáng)化等。SWRH82B鋼Cr-V-Al 成分微合金化成分控制要求如表1 所示，力學(xué)性能控制要求如表2所示。

表1 SWRH82B鋼的化學(xué)成分控制

表2 SWRH82B鋼的力學(xué)性能控制

V 微合金化強(qiáng)化可有效阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒的同時(shí)可以降低貝氏體、馬氏體出現(xiàn)的幾率。

Cr 微合金強(qiáng)化可使SWRH82B 鋼CCT 曲線向右上移動(dòng)，從而細(xì)化珠光體片層間距，易形成索氏體組織，從而提高鋼材強(qiáng)度[1]。

Al 微合金強(qiáng)化與鋼水中所形成的AlN 有關(guān)，AlN在鋼水中飽和時(shí)鋼中Al含量為0.020%，具有顯著的細(xì)化晶粒作用，從而提高鋼材的強(qiáng)度和塑性。但Al脫氧能力較強(qiáng)，易形成Al2O3夾雜，影響鋼材的性能，因此對(duì)鋼水冶煉、精煉、鈣處理、連鑄保護(hù)澆注等工藝操作要進(jìn)行嚴(yán)格把控，避免鋼水中的Al二次氧化。

2.2 煉鋼生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)

2.2.1 轉(zhuǎn)爐工序

轉(zhuǎn)爐采取高拉碳出鋼：要求出鋼時(shí)C＞0.15%，P≤0.012%，溫度≥1580℃，減少補(bǔ)吹現(xiàn)象，爐渣堿度要求3.0～3.8。

轉(zhuǎn)爐出鋼過程合金加入順序：人造石墨→硅錳合金、硅鐵、高碳鉻鐵、鋁條→白灰。鋁條加入量為0.8～1.0kg/t，視轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C含量情況適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2.2.2 LF爐工序

LF 爐采取微正壓操作，嚴(yán)格控制鋼包底吹A(chǔ)r量，避免鋼水裸露導(dǎo)致Al 二次氧化。渣料加入量≥800kg，堿度要求3.0～4.5，渣中FeO+MnO＜1.0%。調(diào)成分采取窄成分控制模式，使用碳線進(jìn)行微調(diào)鋼水C 含量，并均勻鋼水中C 含量。形成白渣后少量勤弱脫氧，全程白渣精煉。處理結(jié)束后進(jìn)行鈣處理，Ca/Al=0.09～0.13，軟吹時(shí)間保持15min以上。

2.2.3 VD爐工序

VD 爐真空度達(dá)到0.5 托以下，然后高真空度保持時(shí)間≥15min，總真空時(shí)間≥20min，真空處理前期氬氣壓力0.2～0.4MPa，真空處理后期氬氣壓力0.4～0.6MPa。

2.2.4 連鑄工序

連鑄采取中間包等離子加熱工藝，實(shí)現(xiàn)恒溫、恒拉速和低過熱度穩(wěn)定澆注。連鑄澆注斷面為Φ 250mm 的圓坯，恒拉速1.1m/min，穩(wěn)定過熱度在15±3℃。采用首末端電磁攪拌工藝，結(jié)晶器電磁攪拌（單項(xiàng)）參數(shù)3Hz、450A，末端電磁攪拌（單項(xiàng)）參數(shù)10Hz、500A。

2.3 軋制生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)

為滿足所需要的組織和性能，對(duì)SWRH82BΦ 13mm 盤條軋制溫度控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。SWRH82BΦ13mm 盤條鋼的軋制溫度參數(shù)如3 所示。SWRH82BΦ13mm 盤條實(shí)際軋制過程中，相變區(qū)溫度參數(shù)控制情況如圖1所示。

由圖1 可以看出，從吐絲機(jī)至6#風(fēng)機(jī)尾部，盤條溫度從870℃降至610℃，由于高溫?zé)彷椛浼帮L(fēng)機(jī)強(qiáng)冷的對(duì)流傳熱，盤條溫度下降較快，冷卻速率達(dá)到11.0℃/s。在7～9#風(fēng)機(jī)處，盤條發(fā)生劇烈相變，由于相變潛熱的釋放，盤條回溫至最高642℃，此區(qū)間的相變放熱與風(fēng)機(jī)強(qiáng)冷的散熱達(dá)到熱平衡，隨后相變逐漸減弱，在風(fēng)機(jī)冷卻的作用下，溫度逐步降低，在14#風(fēng)機(jī)后，盤條溫度降至596℃。

圖1 相變區(qū)溫度控制情況

表3 SWRH82BΦ13mm盤條軋制溫度控制參數(shù)

3 質(zhì)量檢驗(yàn)與分析

3.1 化學(xué)成分控制情況

通過對(duì)200爐SWRH82B熱軋盤條進(jìn)行取樣分析，化學(xué)成分情況如表4 所示。由表4 可以看出，SWRH82B 化學(xué)成分控制采取窄成分控制，盤條C含量波動(dòng)±0.015%、Si含量波動(dòng)±0.015%、Mn含量波動(dòng)±0.015%、Cr 含量波動(dòng)±0.01%、V 含量波動(dòng)±0.001%、Al含量波動(dòng)±0.0045%。

表4 SWRH82B鋼的盤條化學(xué)成分

3.2 力學(xué)性能控制情況

對(duì)SWRH82B 鋼200 爐鑄坯軋制后的Φ13mm盤條力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)情況如表5所示。由表5可以看出，SWRH82B 鋼經(jīng)過Cr-V-Al微合金強(qiáng)化后，其Φ13mm 熱軋盤條在線檢測(cè)平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到1194MPa，平均斷面收縮率達(dá)到30%。 經(jīng)人工時(shí)效后，其平均抗拉強(qiáng)度為1200MPa，平均斷面收縮率為42%。

表5 SWRH82B盤條力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

為準(zhǔn)確了解每卷熱軋盤條的力學(xué)性能的均勻性，對(duì)每卷盤條的前、中、后取樣分析力學(xué)性能，共計(jì)抽查15卷。利用Minitab 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制Xbar-R 控制圖（子組平均值—子組極差值），體現(xiàn)同卷盤條力學(xué)性能的均勻性，具體情況如圖2所示。

由圖2 可以看出，同卷盤條平均抗拉強(qiáng)度為1196.98MPa，子組間平均極差值為14.93MPa；同卷盤條平均斷面收縮率為31.022%，子組間平均極差值為3.4%。子組間的平均值和極差值的分布都在上控制限UCL 和下控制限LCL 范圍內(nèi)，表明同卷力學(xué)性能較穩(wěn)定且均勻，符合該鋼種力學(xué)性能控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率Xbar-R控制圖

3.3 非金屬夾雜物檢測(cè)

表6 為SWRH82B 鋼非金屬夾雜物統(tǒng)計(jì)情況。由表6 可以看出，通過對(duì)SWRH82B 鋼冶煉、精煉、鈣處理、連鑄保護(hù)澆注等操作工藝的優(yōu)化調(diào)整和嚴(yán)格把控，其熱軋盤條非金屬夾雜物類型和等級(jí)符合該鋼種的控制標(biāo)準(zhǔn)。但由于Al是強(qiáng)脫氧劑，冶煉過程中易產(chǎn)生點(diǎn)狀的Al2O3夾雜物，雖然在冶煉過程中做好相關(guān)防護(hù)措施，但鋼水中仍存在B 類（氧化鋁類）細(xì)系夾雜物，B類細(xì)系夾雜形貌如圖3所示。

圖3 B類細(xì)系夾雜

表6 SWRH82B鋼的盤條非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果

因此，SWRH82B 鋼在爐外精煉過程中應(yīng)盡可能避免鋼水裸露，并延長(zhǎng)軟吹時(shí)間，提高Al2O3夾雜物的上浮；在開澆時(shí)對(duì)中間包進(jìn)行氬氣吹掃，澆注過程做好大包套管的氬氣保護(hù)和中間包的密封套圈的維護(hù)工作，避免澆注過程中鋼水與空氣接觸發(fā)生Al燒損，產(chǎn)生Al2O3夾雜物，影響鋼水純凈度。

3.4 高倍組織

對(duì)SWRH82B 鋼進(jìn)行高倍組織檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表7、圖4、圖5所示。

表7 SWRH82B盤條高倍組織檢測(cè)結(jié)果

圖4 晶粒度

圖5 珠光體片層間距

由上述檢測(cè)結(jié)果可以看出，Cr-V-Al 微合金化強(qiáng)化后的SWRH82B鋼熱軋盤條的金相組織符合該鋼種的控制標(biāo)準(zhǔn)，晶粒度在7.5～8.0 級(jí)，珠光體片層 間 距 在0.18～0.20μm。 研 究 表 明，影 響SWRH82B 鋼種拉拔性能的主要因素為珠光體片層間距，極限拉拔值最高時(shí)的珠光體片層間距在0.15～0.20μm[2]，因此該鋼種盤條適合拉拔。

3.5 氣體含量分析

對(duì)SWRH82B 鋼進(jìn)行氣體含量分析。分析結(jié)果：氧含量9～26ppm，平均值為12.3ppm；氮含量25～40ppm，平均值為31.6ppm。

4 結(jié)語

實(shí)踐表明，通過對(duì)SWRH82B 鋼成分Cr-V-Al微合金化成分控制，以及對(duì)該鋼種冶煉、精煉、鈣處理、連鑄保護(hù)澆注等操作工藝的優(yōu)化調(diào)整和嚴(yán)格把控，所生產(chǎn)的Φ13mm 熱軋盤條力學(xué)性能完全能夠滿足預(yù)應(yīng)力鋼絞線的市場(chǎng)要求。

（1）轉(zhuǎn)爐采用高碳出鋼，LF爐嚴(yán)格執(zhí)行窄成分控制，碳線微調(diào)鋼水碳含量，保障了鋼水成分均勻，從而穩(wěn)定了盤條力學(xué)性能。盤條同卷平均抗拉強(qiáng)度為1196.98MPa，子組間平均極差值為14.93MPa；同卷平均斷面收縮率為31.022%，子組間平均極差值為3.4%。

（2）SWRH82B 鋼的Cr-V-Al 微合金化，有效細(xì)化晶粒的同時(shí)，減小了珠光體片層間距，提高了SWRH82B 鋼Φ13mm 盤條的強(qiáng)度和塑性。盤條平均索氏體化率為88.4%、平均索氏體片層間距為0.20μm、平均抗拉強(qiáng)度為1200MPa、平均延伸率為11%、平均斷面收縮率42%，盤條力學(xué)性能達(dá)到工藝質(zhì)量需求。

（3）Al在鋼水中脫氧能力較強(qiáng)，并且有細(xì)化晶粒作用。 通過將SWRH82B 鋼Al 含量提高至0.010%～0.040%后，盤條平均O含量達(dá)到12.3ppm，非金屬夾雜物中B 類細(xì)系夾雜≤0.5 級(jí)，晶粒度達(dá)到7.5～8.0級(jí)，珠光體片層間距在0.18～0.20μm。