20Cr1Mo1VTiB鋼發(fā)紋缺陷分析與改善

安 杰,巴帥智,柳 軍,劉桂江,李潤霞

(1.撫順特殊鋼股份有限公司 總工辦,遼寧 撫順 113001;2.撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠,遼寧 撫順 113001)

20Cr1Mo1VTiB耐熱鋼具有良好的綜合性能,是制造火力發(fā)電廠高溫螺栓和工作在570 ℃以下的超高壓機制螺栓或閥桿的材料,屬于我國自行研發(fā)的低合金高強度鋼。20Cr1Mo1VTiB除了含有Cr、Mo、V 等用來彌散強化和固溶強化的合金元素外,還添加了具有細晶強化作用的Nb、Ti、B 等元素[1-6],具體化學(xué)成分見表1。

表1 20Cr1Mo1VTiB鋼的化學(xué)成分 %

某鋼廠冶煉20Cr1Mo1VTiB鋼的工藝路線:60 t電爐→LF精煉→VD脫氣→模鑄→加熱→軋制→緩冷→矯直→探傷→成材。鋼材在車光后,在表面發(fā)現(xiàn)發(fā)紋缺陷。本文對鋼材內(nèi)部發(fā)紋缺陷的產(chǎn)生原因進行分析,之后采取針對性措施予以改善。

1 發(fā)紋缺陷定性及產(chǎn)生原因分析

20Cr1Mo1VTiB鋼經(jīng)車光后,表面檢查時肉眼發(fā)現(xiàn)類似于表面裂紋的外觀缺陷,典型宏觀形貌如圖1所示。

圖1 發(fā)紋缺陷宏觀形貌

另有一些較輕微的缺陷肉眼難以辨別,需要通過熒光磁粉探傷的方式加以確認,如圖2所示。

圖2 發(fā)紋缺陷熒光磁粉探傷形貌

在圖1所示缺陷位置將鋼棒橫向切開磨制金相試樣,經(jīng)高倍顯微鏡確定裂紋處及附近存在非金屬夾雜物,然后使用掃描電鏡進一步分析夾雜物的橫向形貌,如圖3所示。圖3中夾雜物主體位置的掃描電鏡分析結(jié)果,如圖4和表2所示。

圖3 夾雜橫向形貌

圖4 圖3夾雜物掃描電鏡分析

表2 圖4夾雜物成分 %

由表2可知,夾雜物化學(xué)成分中含有K、Na、F等保護渣特征元素,即夾雜物由保護渣和塊狀氧化鈦組成,因20Cr1Mo1VTiB為鈦含量較高的品種,所以夾雜物產(chǎn)生原因為模鑄保護渣卷入后與鋼液中的Ti發(fā)生反應(yīng),未及時上浮去除而殘留在鋼中。

在圖2所示缺陷位置將鋼棒橫向切開磨制金相試樣,經(jīng)高倍顯微鏡確定缺陷附近存在非金屬夾雜物,然后使用掃描電鏡進一步分析夾雜物的橫向形貌,如圖5所示。圖5中隨機選取位置進行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖6和表3所示。

圖5 夾雜橫向形貌

圖6 圖5夾雜物掃描電鏡分析

表3 圖6夾雜物成分 %

由表3可知,夾雜物化學(xué)成分以Al-Mg-Ca-O為主,同時含有少量TiO2和TiN,是電爐爐后預(yù)脫氧和LF爐初期沉淀脫氧產(chǎn)生的大量氧化鋁夾雜物,在整個冶煉過程中逐漸進行渣鋼反應(yīng)的產(chǎn)物,直至澆鑄鋼液凝固未上浮去除,屬于典型的鋼液潔凈度不良所致[7]。冶煉過程鈦合金化是在VD真空處理之后通過喂入鈦鐵線來完成的,因Ti和Al的氧化性相近,所以夾雜物的化學(xué)成分中出現(xiàn)了氧化鈦,同時伴隨TiN析出。

經(jīng)過上述分析發(fā)現(xiàn),20Cr1Mo1VTiB鋼車光后在表面發(fā)現(xiàn)的裂紋為發(fā)紋缺陷,是由模鑄卷渣和氧化物夾雜兩種非金屬夾雜物引起的。

2 發(fā)紋缺陷的改善措施

2.1 保護渣成分發(fā)紋缺陷的改進

經(jīng)掃描電鏡分析為保護渣成分非金屬夾雜引發(fā)的發(fā)紋缺陷,其產(chǎn)生原因在實際冶煉生產(chǎn)中被稱為模鑄卷渣,屬于開澆操作不當導(dǎo)致的偶發(fā)問題,一般發(fā)生在鋼錠尾部。一方面開發(fā)適合20Cr1Mo1VTiB鋼使用的模鑄保護渣,改進模鑄鋼錠的內(nèi)外部質(zhì)量,另一方面通過推行模鑄開澆標準化操作來提高穩(wěn)定性。

2.2 脫氧產(chǎn)物成分發(fā)紋缺陷的改進

鋼液潔凈度問題是貫穿整體冶煉過程的系統(tǒng)問題,從電爐配料到澆鑄的每一個工藝操作環(huán)節(jié)均與夾雜物控制有關(guān),以下展示了部分重點工藝改進環(huán)節(jié)。

1)降低電爐鋼水過氧化程度

某鋼廠電弧爐采用全廢鋼頂裝料的熔煉工藝,電弧爐負責(zé)熔化鋼鐵料、鋼液脫磷和脫碳。熔煉末期使用爐門氧槍和爐壁氧槍強供氧方式會導(dǎo)致鋼水嚴重過氧化,后續(xù)采用鋁錠和鋁線沉淀脫氧會產(chǎn)生大量脫氧產(chǎn)物Al2O3(非金屬夾雜物)污染鋼液[8-10]。所以降低電爐鋼水過氧化是提高精煉鋼液潔凈度的首要任務(wù)。

該鋼廠鋼通過優(yōu)化配料結(jié)構(gòu)、優(yōu)化供氧方式、強化噴粉造泡沫渣等電弧爐常規(guī)改進措施,將電爐出鋼鋼液氧含量由700×10-6降至500×10-6以下,大幅改善了鋼水的過氧化程度。

2)優(yōu)化脫氧劑使用

電爐爐后預(yù)脫氧采用單一的鋁錠沉淀脫氧,是集中生成氧化鋁夾雜物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。除降低電爐鋼水過氧化,減少整體鋁脫氧產(chǎn)物生成量外,還引入電石、硅鈣合金等非鋁質(zhì)脫氧劑輔助預(yù)脫氧,進一步減少氧化鋁夾雜物產(chǎn)生量,亦可達到理想的脫氧效果。另外,LF爐取消了鋁粒擴散脫氧劑,全部使用碳化硅擴散脫氧,保證LF爐白渣精煉。

3)VD真空處理后的夾雜物去除

采用VD真空處理工藝,在鋼包底吹氬氣狀態(tài)下,鋼液面劇烈翻滾,將鋼包頂渣卷入鋼水中,渣鋼充分混沖,使鋼液受到嚴重污染。VD脫氣后必須經(jīng)過足夠時間的軟吹處理(喂入鈦鐵線后軟吹≥20 min),使夾雜集中上浮,方能保證鋼包頂渣和鋼水中夾雜物充分上浮去除。

經(jīng)過上述措施,精煉鋼液脫氧良好,潔凈度控制滿足20Cr1Mo1VTiB的質(zhì)量要求。同時VD后喂鈦鐵線合金化的鈦收得率由80%提升至95%以上,側(cè)面證明鋼液潔凈度質(zhì)量得到大幅提升。

3 結(jié) 論

(1)通過掃描電鏡分析,確定20Cr1Mo1VTiB鋼發(fā)紋缺陷產(chǎn)生原因可分為兩類,即模鑄卷渣和精煉鋁脫氧產(chǎn)物;

(2)模鑄卷渣引起的發(fā)紋缺陷,可通過開發(fā)20Cr1Mo1VTiB專用模鑄保護渣,執(zhí)行模鑄開澆標準化操作等方式予以解決;

(3)脫氧產(chǎn)物引起的發(fā)紋缺陷,通過降低電爐鋼水過氧化程度、優(yōu)化脫氧劑使用等工藝改進措施,大幅提高鋼液潔凈度,進而改善發(fā)紋缺陷。