高碳鋼內部偏析優化實踐

趙文濤 ，朱曉雷 ，寧生龍 ，李超 ，馬寧 ，田永久 ，李志剛

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；4.鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鋼鐵材料中的高碳鋼產品如碳素工具鋼、彈簧鋼、合金工具鋼等廣泛應用于機械制造、航空航天、汽車制造等產業，其質量對相關制造產業整體品質的提升有重要意義。高碳鋼由于碳含量高，合金成分復雜，凝固過程容易產生碳、硫、磷及部分合金元素的偏析，鑄坯內部質量難以控制，直接影響產品組織性能的穩定性。與傳統板坯連鑄相比，采用薄板坯連鑄生產高碳鋼具有的優勢為：冷卻強度大，凝固速率高，鑄態組織的二次、三次枝晶更短，晶粒更加細小、均勻，微觀偏析得到改善，同時采用液芯壓下技術可進一步減少鑄坯的中心偏析。國內鋼企采用薄板坯連鑄試制生產高碳鋼時出現過開裂問題，通過采取成分控制、工藝優化等一系列措施提高了鑄坯的質量。例如，山東日照鋼鐵公司采取提高成分控制精度、降低中間包過熱度、保持鑄機恒速率等措施有效改善了上述問題［1-2］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）1450連鑄機生產的高碳鋼在進行深加工時，部分產品表面出現了開裂，因此對缺陷樣品進行檢驗分析，確認產生原因，以便采取相應措施，有效改善上述問題，提高高碳鋼產品質量。

1 主要設備情況

鲅魚圈產線配備鐵水預處理、260 t轉爐、LF和RH爐外精煉及具有動態輕壓下和在線調寬功能的1450連鑄機，主要設備情況如表1所示。

表1 主要設備情況Table 1 Main Equipment State

2 存在的問題及原因分析

對出現開裂的高碳鋼產品取樣觀察，試樣宏觀缺陷形貌見圖1。由圖1可見，裂紋缺陷存在于鋼板厚度方向中心部位。在裂紋處取樣，經鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕后，在ZEISS Axiovert 200 MAT光學顯微鏡下觀察。圖2為裂紋處微觀形貌，由圖2（a）可見，拋光態結果顯示裂紋處未觀察到氧化和脫碳；由圖2（b）可見，腐蝕態結果可見中心偏析帶。進一步放大觀察腐蝕態試樣，圖3為試樣基體處和裂紋處組織形貌。由圖3（a）可見，基體處組織為珠光體+少量鐵素體；由圖3（b）可見，裂紋處組織為馬氏體+少量貝氏體。這說明成分的偏析導致了組織的不同形態。

圖1 試樣宏觀缺陷形貌Fig.1 Appearance for Macroscopic Defect of Samples

圖2 裂紋處微觀形貌Fig.2 Microstructures in Location of Cracks

圖3 試樣基體處和裂紋處組織形貌Fig.3 Microstructures in Matrix and Location of Cracks on Samples

為了確認各元素在鋼板中的偏析情況，使用電子探針對試樣進行微區成分分析，結果見圖4。由圖4可以看出，鋼板中C、Mn、P元素偏析非常嚴重，S元素存在局部偏聚，Si元素基本無偏析。

圖4 試樣成分電子探針分析結果Fig.4 Analysis Results of Compositions in Samples by Electron Probe

基于以上分析可以判斷，由于熱軋板試樣厚度方向的中心部位存在較嚴重的C、Mn、P元素偏析，造成局部成分變化，進一步導致組織變化使該處延伸率差，加工受力時造成鋼板開裂。

3 采取的措施

3.1 提高鑄機設備精度

由于鑄機投產時間長，受備品備件不足、維護欠缺等各種因素影響，鑄機輥縫合格率不斷下降，不僅增大鑄坯內部裂紋的風險，還會造成動態輕壓下的壓下量與目標值不符，對鑄坯偏析控制有較大影響。通過分析枝晶檢驗結果與輥縫合格率的關系可以發現，輥縫合格率的下降基本都伴隨著枝晶檢驗結果的惡化，這說明了輥縫控制精度對鑄坯內部質量影響較大。因此，經過多次跟蹤評價鑄機輥縫狀態，結合輥縫測量結果，對每個扇形段狀態進行評價并制定調整或更換計劃，將鑄機輥縫合格率由85.38%穩步提高到90.42%。

3.2 優化生產工藝

若鑄機澆鑄速度和中間包澆鑄溫度波動，連鑄坯凝固末端位置會隨之變化，動態輕壓下位置必然隨之調整，造成輕壓下位置不準且壓下量不足，嚴重影響輕壓下效果，加重鑄坯偏析。為了保證鑄機恒速、低溫、恒溫澆鑄，采取了以下優化工藝措施。

3.2.1 優化成分檢驗工藝

高碳鋼成分檢驗一直存在碳含量波動大問題，導致檢驗結果不穩定，嚴重影響精煉處理時間和成品成分控制精度。為了提高成品成分檢驗可靠性，組織評價了不同銑磨深度對碳含量檢驗精度的影響。選取同一批中間包樣品，每個樣品的銑磨深度均設置為A、B、C、D 4個組距，每個組距檢驗兩點，統計所有樣品同一銑磨深度下碳含量偏差的平均值，得到不同銑磨深度對碳含量偏差的影響如圖5所示。

圖5 不同銑磨深度對碳含量偏差的影響Fig.5 Effect of Various Grinding Depths on Deviation of Carbon Content

實驗結果表明，當銑磨深度達到B時，可以在基本不影響檢驗時間的前提下提高檢驗精度，使碳含量檢驗穩定性更好，更有利于控制精煉處理時間。

3.2.2 優化轉爐配碳工藝

轉爐碳成分一直按照成品上限的90%進行控制，造成精煉工序補碳量大。因為增碳劑密度小，精煉可處理時間短，所以精煉過程的碳收得率不高而且波動很大，補碳量越大，這種現象越明顯，造成精煉處理時間不受控，嚴重影響鑄機拉速的穩定。經過大量實踐及理論分析發現，將轉爐碳成分控制目標由內控上限的90%提高到100%，可以顯著減少精煉補碳量，有效縮短并穩定精煉處理時間，進而穩定控制鋼水成分。優化前后精煉補碳量及處理時間的對比見圖6所示。

圖6 優化前后精煉補碳量及處理時間的對比Fig.6 Comparison of Supplementary Carbon Quantity for Refining and Treatment Time before and after Optimization

3.2.3 優化鑄機目標拉速和中間包過熱度控制

（1）理論計算和現場模擬實驗發現，鑄機拉速每提高0.1 m/min，鑄坯凝固末端會后延0.5～1.5 m。如果生產過程中鑄機拉速波動范圍較大，那么凝固末端位置波動范圍也會較大，則動態輕壓下位置調整時間隨之延長，這期間生產的鑄坯內部質量無法得到保證。為了保證動態輕壓下效果，在保證拉速最高限定值不變的前提下，將拉速的允許波動范圍差由0.55 m/min縮減為0.20 m/min。

（2）中間包過熱度也會對凝固末端位置造成一定影響。中間包過熱度控制過高或過低，不僅會造成鑄機降速或升速，影響動態輕壓下效果，嚴重的還會導致生產事故。對3年內高碳鋼的中間包過熱度實際控制情況進行分析發現，中間包過熱度普遍控制在目標上限，還存在較多中間包溫度高導致鑄機降速的情況。據此將高碳鋼中間包目標過熱度在原來的基礎上降低了5℃，不僅保證了鑄機拉速的穩定，而且實現了低過熱度澆鑄，可有效改善鑄坯偏析。

3.2.4 優化鑄機輕壓下工藝

對鑄機動態輕壓下工藝參數進行優化，將輕壓下區間由40%～95%調整至50%～120%，平均壓下量增加35%。

3.2.5 優化鑄坯凝固模型

原鑄坯凝固模型中，碳含量范圍為0.2%～1.2%的鋼種只劃分了4組，且物性參數相同，同一鋼種組涵蓋的鋼種范圍大，導致模型與鋼種匹配不佳，凝固末端位置計算偏差大，嚴重影響鑄機輕壓下效果。針對這一問題，結合現場實際品種情況，將4組鋼種細分為20組，并對凝固模型內的物性參數進行修正完善，使模型的凝固末端位置與實際凝固位置更好符合。優化前后鑄坯凝固模型的對比如表2。

表2 優化前后鑄坯凝固模型的對比Table 2 Comparison of Casting Blank Solidification Models before and after Optimization

3.3 建立“關鍵點”控制體系

結合生產情況和現場實驗數據，分析提煉出設備精度要求、成分和溫度控制等17個質量控制關鍵節點，并建立“關鍵點”控制體系，以此為基礎開展高碳鋼關鍵點的日常監控并糾正執行過程中出現的偏差，為改善鑄坯偏析提供重要的管理手段。

4 取得的效果

通過采取以上措施，有效地改善了高碳鋼鑄坯中心偏析缺陷，B0.5級以內的比例由72%提高到92%，高碳高錳鋼碳偏析度由1.34降至1.10以下，錳偏析度由1.27降至1.08以下。優化前后鑄坯形貌對比見圖7。

圖7 優化前后鑄坯形貌對比Fig.7 Comparison of Casting Blank Appearances before and after Optimization

5 結論

（1）分析鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司生產的高碳鋼產品表面開裂原因是熱軋板厚度方向中心部位存在較嚴重的C、Mn、P元素偏析引起局部成分變化，進一步導致組織變化使該處延伸率變差，加工受力時造成。

（2）根據分析結果，采取了如下措施：加強鑄機輥縫狀態跟蹤評價，鑄機輥縫合格率由85.38%穩步提高到90.42%；優化鋼水成分檢驗工藝，避免工序過程碳含量波動大；將轉爐碳含量控制由內控上限的90%提高到100%，減少了精煉工序補碳量；優化鑄機目標拉速和中間包過熱度控制，將拉速的允許波動范圍差值由0.55 m/min縮減為0.20 m/min，中間包目標過熱度在原來的基礎上降低了5℃，穩定了鑄坯凝固末端的位置；優化鑄機輕壓下工藝，平均壓下量增加35%；細化高碳鋼鋼種凝固模型，并對凝固模型內的物性參數進行修正完善；提出17個質量控制關鍵節點，并建立“關鍵點”控制體系，為改善鑄坯偏析提供重要的管理手段。

（3）通過采取上述措施，有效地改善了高碳鋼鑄坯中心偏析缺陷，B0.5級比例由72%提高到92%，高碳高錳鋼碳偏析度由1.34降至1.10以下，錳偏析度由1.27降至1.08以下，提高了高碳鋼鑄坯質量。