唐鋼新區中型產線熱軋角鋼生產工藝優化探析

張子超， 李 剛， 姜名貞

（河鋼集團唐鋼公司， 河北 唐山 063009）

河鋼集團唐鋼公司（以下簡稱唐鋼）新區中型車間于2021 年年初建成投產，投產以后，面臨著承接老線產品的重要任務，角鋼產品則是重中之重。由于中型產線投產時間早于為中型供坯的4 號連鑄機，在中型投產初期，只能使用其他連鑄機生產的165 mm×165 mm 方坯生產小規格角鋼，在此期間生產的角鋼，表面質量符合要求，未出現開裂、夾渣等表面缺陷。4 號連鑄機投產后，中型利用4 號連鑄機產出的165 mm×280 mm 矩形坯積極組織大規格角鋼開發，在生產過程中，角鋼出現大批量的開裂缺陷，且大部分角鋼均存在頂角開裂，由于這一缺陷無法進行修磨處理，因此不但增加了角鋼開發的成本投入，也打擊了角鋼產品研發人員和生產人員的積極性，嚴重阻礙了角鋼產品的開發進程。為此，對角鋼全流程生產工藝進行梳理、分析，查找開裂產生原因并進行優化勢在必行。

1 角鋼生產工藝

唐鋼新區長材事業部角鋼產品生產工藝為轉爐—精煉—連鑄—加熱爐加熱—軋制—精整—收集。Q355 鋼坯主要工藝參數如表1 所示。由表1 可知，唐鋼新區煉鋼連鑄工序，轉爐采用了擋渣錐定位擋渣，與傳統工藝使用的擋渣球擋渣相比擋渣率大幅提高，出鋼帶渣量明顯減少。連鑄機為六流連鑄機且結晶器具備液位自動控制的能力，與傳統的人工手動控制相比，結晶器液位波動較小，能夠控制在±3 mm 以內。連鑄機拉速按照老區經驗控制在1.6～2.0 m/min，各流二冷比水量控制在0.9 L/kg。

表1 Q355B 角鋼的主要生產工藝參數

中型軋鋼產線為先進的半連軋型鋼生產線，配備有蓄熱步進梁式加熱爐一座，BD 開坯軋機兩架，采用連續式布置7 架的二輥軋機，并配有多級除磷，用以保證型鋼表面質量。使用165 mm×165 mm 方坯及165 mm×280 mm 矩形坯軋制相應規格角鋼的壓縮比見表2。如表2 所示，鑄坯斷面由165 mm×165 mm更換為165 mm×280 mm 后，對軋制相應品種的壓縮比變化不大，因此鑄坯斷面的變化，不會對產品的表面質量及性能產生影響，也并非導致缺陷產生的原因。

表2 兩種鑄坯斷面軋制角鋼的壓縮比

2 角鋼開裂的原因分析

唐鋼新區角鋼的生產工藝較為先進，但角鋼產品質量卻未達到理想狀態。而軋制過程中的鑄坯斷面變化并非導致缺陷產生的原因，因此為找到缺陷產生的原因，首先對開裂缺陷的位置及形態進行了分析。

2.1 角鋼開裂的位置及形態

通過肉眼觀察，角鋼開裂在腿端及頂角處表現明顯。

如圖1-1，開裂缺陷在腿端表現為肉眼可見的發絲狀紋路，且通條鋼材密布；圖1-2 顯示，開裂缺陷在角鋼頂角處表現為明顯的裂口；角鋼表面其他位置無肉眼可見裂紋。由于不能確定角鋼內外側表面是否存在裂紋，同時為了更加直觀的開裂的形態，對存在開裂的角鋼取樣做酸洗低倍觀察。

圖1 角鋼成品的缺陷形態

如圖2 所示，經過酸洗除去表面的氧化皮之后，酸洗前表面存在開裂缺陷的位置，開裂更加明顯，角鋼整體均表現出凹坑、邊部裂紋，如圖2-1；頂角的裂口酸洗后更加明顯，如圖2-2；腿端的發絲狀裂紋，不再表現為閉合狀，而是呈現出向深處擴展的跡象，如圖2-3；酸洗之前未見明顯開裂的外表面，在酸洗之后，也出現了眾多的凹坑，如圖2-4。

圖2 角鋼酸洗后的缺陷形態

開裂缺陷在角鋼的整個外表面都有分布，尤其以頂角、端部最為嚴重，這個缺陷的存在，由于不能修磨處理，因此不但增加了角鋼開發的成本投入，也打擊了角鋼產品研發人員和生產人員的積極性，嚴重阻礙了角鋼產品的開發進程。

2.2 角鋼開裂的原因

為了確定角鋼開裂缺陷的形成原因，針對圖1 中的缺陷進行了金相分析和電鏡掃描，裂紋處脫碳不明顯，基體(鐵素體+珠光體)與裂紋附近的金相分析見圖3-1、圖3-2，試樣中夾雜物評級為A 類2.0 級，滿足使用要求。

圖3 角鋼裂紋處金相

同時，對缺陷處及附近位置進行了能譜掃描，如圖4 所示，未發現除O、Fe 以外的其他異常元素。

圖4 能譜掃描結果

通過以上分析，開裂位置未發現O、Fe 以外的其他異常元素，脫碳不明顯，初步判斷開裂原因為鑄坯存在較大中心縮孔和皮下氣泡、微裂紋等，遺傳至軋鋼工序造成。

為了進一步確認開裂原是否是因為鑄坯缺陷遺傳至軋鋼工序造成的，對本批次鑄坯取樣，進行鑄坯表面和內部低倍分析。

鑄坯低倍檢測結果顯示鑄坯有不同程度的內部裂紋和皮下氣泡缺陷，如圖5 所示，與165 mm 方坯低倍質量相差較大。

圖5 Q355B 鑄坯的低倍形貌

鑄坯低倍顯示，角部裂紋、邊部裂紋和中間裂紋嚴重，尤其邊部裂紋、角部裂紋距離鑄坯表面僅3～5 mm，皮下氣泡也較為發達。在軋機軋制過程中，邊部裂紋、角部裂紋由于距離表面較近，無法被軋合，而皮下氣泡由于軋機的反復碾壓、摩擦，逐漸破裂、延展隨著表面氧化鐵皮的脫落，完全暴露出來，形成圖2 中各種形態的裂紋。

目前鑄坯中存在的主要缺陷集中于內部裂紋與皮下氣泡兩類缺陷。由于低合金鑄坯表面延伸率允許范圍為1.5%～2.0%[1]，而連鑄機拉鋼速度較高時，鑄坯進入矯直區時，鑄坯內弧表面的拉伸矯直延伸率將達到上限，極易產生皮下裂紋，同時由于合金鋼對裂紋較敏感，二冷區比水量高也易使鑄坯產生裂紋；當選用保護渣黏度高，澆注用保護渣潮濕，澆注時保護渣在形成燒結層過程中水分蒸發，部分在高溫下裂解為氫氣和氧氣，靠近鋼水一側氣體析集于皮下造成皮下氣泡[2]。

3 角鋼生產工藝優化

3.1 連鑄工藝優化

為了提高鑄坯表面質量，降低甚至消除內部裂紋及皮下氣泡，對連鑄工藝進行了優化，如表3 所示。

表3 連鑄工藝參數優化前后對比

在表3 中，連鑄坯的拉速由1.6～2.0 m/min，降低至1.2～1.4 m/min，穩定生產節奏，增加鑄坯結晶時間，使鋼水內氣體有充足時間上浮，析出鋼水內部，同時拉速的降低使得鑄坯進矯直區時的表面延伸率達到了安全范圍，降低了裂紋產生的可能性；二冷區的冷卻比水量由0.9 L/kg 降至0.6 L/kg，降低了鑄坯表面冷卻強度；通過使用低黏度保護渣替代高粘度保護渣，同時增加保護渣烘烤，消除了之前鑄坯存在的表層夾渣現象，解決了鑄坯表層氣泡問題。通過以上優化，鑄坯質量得到了顯著提高，鑄坯中間裂紋基本消除，與165 mm 方鑄坯質量基本一致，滿足了鑄坯質量要求；改進后的鑄坯低倍結果，如圖6 所示。

圖6 優化后的Q355B 鑄坯的低倍形貌

3.2 角鋼軋制工藝優化

為了解決角鋼頂角開裂缺陷，降低連鑄工藝優化難度，減輕連鑄工藝人員壓力，軋鋼工序同時開展了孔型優化攻關，由于觀察到角鋼軋制過程中，粗軋多道次軋槽[3]頂角未充滿，因此主要優化方向為在不影響成品頂角尺寸的前提下增加粗軋孔型的頂角壓下量，增加頂角充滿度[4]，盡量消除因鑄坯表面微小缺陷造成的角鋼頂角缺陷，160 mm 角鋼粗軋道次壓下率優化如表4 所示。

表4 160 mm 角鋼粗軋道次壓下率優化前后對比 %

以K8 孔為例，軋制工藝優化前后的軋槽槽底形貌對比如圖7 所示。在軋制過程中，軋槽在高溫及冷卻水的作用下，會產生一層薄薄的氧化皮，在軋件通過后，氧化皮會因軋件與軋槽表面的摩擦而去除，因此與軋件接觸軋槽表面會呈現為光亮狀，而未能與軋件接觸（鋼料未填充至頂角位置，即鋼料未充滿）的軋槽表面會呈現為帶銹狀。如圖7-1 所示，優化前，軋槽兩側呈現為光亮狀，中間位置（中間位置為軋槽頂角位置）呈現為帶銹狀；而優化后，整個軋槽均呈現為光亮狀，如圖7-2 所示，證明軋槽已完全充滿。通過優化前后軋槽槽底形貌對比圖可以看出160 mm 角鋼粗軋道次壓下率優化效果十分顯著，鋼料充滿了整個軋槽，成功提高了軋制過程對坯料表面的加工能力，進而提高了消除坯料表面細微缺陷的能力。

圖7 160 mm 角軋制工藝優化前后的K8 軋槽槽底形貌對比

通過對連鑄工藝優化，鑄坯質量得以大幅提升，配合軋鋼工藝中粗軋道次頂角壓下量的增加，角鋼的頂角缺陷、腿端的發紋缺陷均得到了解決，表面質量已完全符合國家標準要求，角鋼開發進程上的一大難題得以解決，工藝優化完成后的角鋼形貌如圖8 所示。下一步將聚焦角鋼腿長尺寸，進行角鋼偏角（一側超長一側偏短）問題攻關，爭取早日完成角鋼產品開發。

圖8 工藝優化完成后的角鋼形貌

4 結論

Q355 角鋼成品產生頂角開裂及腿端發紋缺陷，與坯型斷面無關，與鑄坯質量有關，根源是矩形鑄坯存在內部裂紋及皮下氣泡缺陷。通過降低連鑄拉速，穩定生產節奏，增加鑄坯結晶時間，降低鋼水內氣體含量，控制鑄坯的拉矯延伸率，避免鑄坯產生內部裂紋；同時通過降低連鑄機二冷配水的比水量、優水嘴型號降低鑄坯窄面冷卻強度，鑄坯內部裂紋基本消除；通過改進保護渣類型，使用低黏度保護渣替代高黏度保護渣，同時增加了保護渣烘烤，解決了鑄坯表層氣泡問題，鑄坯質量較之前顯著提升；同時，優化角鋼孔型設計，增加粗軋孔型的頂角軋槽充滿度，提高了軋制過程消除坯料表面細微缺陷的能力。通過采取以上措施，角鋼開裂問題得以解決，成功推進了角鋼產品的開發進程。