SPA-H 鋼分層缺陷問題分析及改進措施

李超，尚德義，徐英士，趙文濤，劉博，田永久，張宏亮

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.鞍鋼股份有限公司制造管理部，遼寧 鞍山 114021）

SPA-H 集裝箱用鋼是典型的耐候鋼產品之一，由于用途特殊及使用環境復雜，對其性能要求較高［1］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡稱“鲅魚圈煉鋼部”）2008 年建廠開工，年產能650 萬t，開發的產品種類包括核電、橋梁、管線、耐候鋼等千余種，SPA-H 鋼是鲅魚圈煉鋼部開發最早的品種之一，年產量達70～80 萬t，該鋼種在熔劑替代、渣洗工藝等技術研究方面取得了一系列進展［2-3］。近期，用戶在使用SPA-H 鋼熱軋板加工過程中出現分層缺陷，對此，分析了缺陷產生原因，采取針對性的措施后，解決了SPA-H 鋼的質量缺陷問題。

1 工藝概況

鲅魚圈煉鋼部有3 套噴吹型鐵水預處理設備，3 座260 t 轉爐，5 套LF、ANS-OB 等精煉設備，3 臺連鑄機（2 臺1450 mm 薄板鑄機、1 臺2300 mm 厚板鑄機）。SPA-H 鋼成分標準如表1 所示。

表1 SPA-H 鋼成分標準（質量分數）Table 1 Composition Standard for SPA-H Steel （Mass Fraction）%

SPA-H 鋼冶煉工藝路線為： 鐵水預處理脫硫→轉爐脫碳升溫→ANS-OB 調整成分與鋼水凈化→1450 mm 鑄機澆注、切割出坯。

2 檢驗分析

取2 塊出現分層缺陷的熱軋板試樣，通過材料信息查詢得知，試樣的實際成分符合該鋼種標準要求。在此基礎上，對試樣進行了宏觀形貌觀察，利用蔡司金相顯微鏡進行金相分析和顯微組織分析。

2.1 宏觀形貌

圖1 為試樣宏觀缺陷照片。由圖1 看出，分層缺陷位于零件中間位置，開裂處未見明顯夾雜物或異物。

圖1 試樣宏觀缺陷照片Fig.1 Macroscopic Defect Photos of Samples

2.2 金相分析

在缺陷處分別截取橫向金相試樣，對其粗磨、細磨以及拋光處理，圖2 為試樣裂紋處拋光后形貌。由圖2 可以看出，兩塊試樣在分層處均觀察到裂紋缺陷，總體呈鋸齒狀，裂紋邊緣呈現不規則形狀。

圖2 試樣裂紋處拋光后形貌Fig.2 Appearances of Polished Positions of Cracks at Samples

對試樣進行縱向加工處理后觀察縱截面，圖3 為試樣夾雜物形貌照片。由圖3 看出，可見一定數量球狀夾雜物，夾雜物未產生延展變形，顏色為黑色或灰色。根據夾雜物國家標準［4］判斷認為，試樣中夾雜物為Al2O3，級別為D1.0 級。

圖3 試樣夾雜物形貌照片Fig.3 Appearance Photos of Inclusions in Samples

2.3 顯微組織分析

對缺陷試樣進行鑲嵌、磨制、拋光處理后，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，試樣及缺陷位置組織形貌見圖4。由圖4 看出，兩試樣的組織與缺陷處均出現較重的中心偏析，還可觀察到裂紋沿偏析帶向內擴展。

圖4 試樣及缺陷位置組織形貌Fig.4 Microstructure Appearances of Defect Locations and Samples

進一步放大觀察試樣缺陷及基體位置組織形貌，結果見圖5。由圖5 看出，兩試樣偏析處金相組織為鐵素體與貝氏體，基體組織為鐵素體、貝氏體及少量珠光體。

圖5 試樣缺陷及基體位置組織形貌Fig.5 Microstructure Appearances of Sample Defects and Matrix Locations in Samples

綜合以上檢驗分析結果可知，試樣缺陷處存在Al2O3球狀夾雜物及偏析是造成分層缺陷的主要原因。

3 采取的措施

根據夾雜物控制及鑄坯偏析相關理論［5-7］，制定措施如下。

3.1 減少Al2O3 球狀夾雜物

（1） 減少夾雜物產生的源頭。在保證轉爐終點滿足溫度及碳含量成分標準的前提下，采用高拉碳的終點控制制度，降低終點拉碳槍位為190 cm，提高終點拉碳時間為1.5 min 以上，盡可能地降低轉爐終點鋼水氧含量，降低脫氧過程氧化物夾雜的產生機率。另外，為解決轉爐出鋼下渣帶來的潔凈度惡化問題，采用滑板擋渣和擋渣錐擋渣結合的方式，提高轉爐擋渣成功率，降低鋼包內帶入的轉爐熔渣，優化后鋼包內渣厚降低了19 mm。

（2） 控制夾雜物的產生。對轉爐出鋼過程脫氧合金化方式進行優化，最先投入硅類合金，最后投入鋁鐵合金，提高硅脫氧的同時盡量避免產生Al2O3，優化后脫氧鋁加入量平均減少22 kg。同時，控制鋁含量在成分標準下限，鋁含量低的爐次在精煉補加調整。另外，全程保護澆鑄，中間包添加覆蓋劑防止二次氧化產生夾雜物。

（3） 提高夾雜物去除能力。轉爐盡量為潔凈化冶煉創造更好的動力學條件，通過動態濺渣工藝維護爐底，采用底槍元件熱換工藝［8］等措施，保證轉爐生產集裝箱類品種時的底吹可視性，改善轉爐冶煉過程鋼水攪拌效果，提高夾雜物去除能力。轉爐出鋼后投入800 kg 活性白灰進行頂渣改質，保證足夠的頂渣重量以吸收夾雜物。轉爐出鋼過程保證吹氬時間3 min 以上，出鋼結束加入活性白灰后保證吹氬時間3 min 以上。精煉工序處理結束后的鎮靜時間＞10 min（精煉處理結束后吊離精煉位至鑄機進行澆鑄的時間），增加了夾雜物上浮時間，提高了頂渣吸收夾雜物的機率。

3.2 改善成分偏析

（1） 確保成分控制合格的前提下，盡量控制磷、硫等易產生成分偏析的元素在中下限范圍。提高精煉操作時的窄成分控制能力，保證氬站取樣鋼水的磷含量合格。針對出現下渣等影響磷含量的爐次，根據氬站的磷含量情況，在精煉進站后一次補加磷合金，保證磷的成分盡早符合標準要求。

（2） 拉速由（1.55±0.10） m/min 調整為（1.55±0.05） m/min，保證拉速在合理區間，避免拉速波動造成的冷卻問題，也避免拉速頻繁變化引起凝固末端位置變化而影響輕壓下的工藝效果。

（3） 分析認為［7］，過熱度較高容易促進柱狀晶的產生，但低過熱度時鋼水流動性差，不利于鋼液補充鑄坯凝固時的體積收縮，最終確定過熱度25 ℃目標不變，但將控制范圍調整為（25±5） ℃，保證過熱度盡量在更合理的范圍內。

（4） 對該鋼種輕壓下模型進行了部分修正，確保該模型對減少偏析起到最好的作用。

優化前后工藝參數對比見表2。

表2 優化前后工藝參數對比Table 2 Comparison of Process Parameters before and after Optimization

優化后，對鑄坯不同位置取樣進行組織分析，典型的金相組織見圖6，偏析及夾雜物控制水平得到提高。實際生產中，板材的夾雜缺陷返修率為零，未發現明顯偏析問題。

圖6 優化后試樣金相組織Fig.6 Metallographic Structures in Optimized Samples

4 結論

本文對SPA-H 熱軋板加工零件時出現的分層缺陷問題進行了分析，對相關工藝進行了優化，取得較好效果，得出結論如下。

（1） Al2O3球狀夾雜物和偏析是導致SPA-H熱軋板加工零件時出現分層缺陷的主要原因。

（2） 采取了降低轉爐終點氧含量、優化鋼包頂渣改質工藝、連鑄全程保護澆鑄、確定拉坯速度為（1.55±0.05） m/min、確定過熱度為（25±5） ℃、采用動態輕壓下等措施后，夾雜缺陷返修率為零，板材未發現明顯偏析問題。