高強度鋼的質(zhì)量控制

高強度鋼的質(zhì)量控制

0塑性低區(qū)主要產(chǎn)生的問題2008年，世界鉻鐵產(chǎn)量超過1萬噸。世界上100多家造船廠正在生產(chǎn)含有鉻的板、帶板和棒板。其中一些車間受到嚴格控制，進行了彎曲和連壓操作，可以確保表面質(zhì)量的高質(zhì)量，沒有裂紋缺陷。在已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)傳統(tǒng)塑性低谷區(qū)的研究中,很多人認為塑性低谷區(qū)與高碳當量有關(guān),而與是否含有微合金化元素(Nb、V和/或Ti)無關(guān)。然而,對于普通碳錳鋼,如果某些煉鋼和連鑄參數(shù)不合理,塑性低谷區(qū)同樣可以引起表面和內(nèi)部質(zhì)量問題。比較了不同鋼廠的煉鋼和操作規(guī)程后發(fā)現(xiàn),有些鋼廠可以穩(wěn)定地生產(chǎn)無缺陷含鈮鋼坯,而有些鋼廠卻總是遇到一些困難。一般來說,能夠穩(wěn)定生產(chǎn)無缺陷坯的鋼廠在其整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中總體質(zhì)量評價也較好。對于那些遇到困難的鋼廠,他們通常將問題產(chǎn)生的原因歸結(jié)于高溫塑性低谷區(qū)。許多研究表明塑性低谷區(qū)是普通碳錳鋼和微合金化鋼等各種成分鋼的一種固有性質(zhì)。然而,相同成分的含鈮鋼可在其他鋼廠成功地生產(chǎn)。通常,在連鑄過程中產(chǎn)生的裂紋是煉鋼和連鑄生產(chǎn)過程中的一些不合理的操作引起的,比如殘余元素的含量、過熱度的波動、轉(zhuǎn)包溫度分層、結(jié)晶器保護渣不匹配、拉坯速度的波動、和/或過度二次冷卻。本文將探討其中的一些根源,改進措施,減少或消除鑄坯裂紋的產(chǎn)生辦法,從而提高鋼的表面和內(nèi)部質(zhì)量。對于那些將自己定位于生產(chǎn)高品質(zhì)含鈮鋼的鋼廠,有機會享有生產(chǎn)附加值產(chǎn)品帶來的更高的產(chǎn)品利潤空間。從熔煉到連鑄,嚴格的過程控制是影響熱軋產(chǎn)品最終性能的一個非常關(guān)鍵的因素,可使鋼材獲得:①更好的低溫韌性;②較高的屈服強度,以降低結(jié)構(gòu)的橫截面積;③改善擴孔成形性能;④更好的可焊性,以減少施工時間;⑤改善熱影響區(qū)(HAZ組織)韌性;⑥改善高溫性能;⑦改善抗疲勞性能。1殘余元素的處理在生產(chǎn)高品質(zhì)鋼時,由于去除有害殘留元素的動力學和熱力學條件在煉鋼和精煉過程不同,有時甚至是相互矛盾的,所以可以采取不同策略來控制殘留元素的含量。每個鋼廠都需要徹底了解自身的過程冶金變量,形成自己的操作實踐,才能生產(chǎn)所需成分的鋼種。鋼中殘余元素是一個非常重要的基礎(chǔ)條件。通常,鋼廠在生產(chǎn)復(fù)雜的微合金鋼初期,由于鋼中殘余元素高,可能導致產(chǎn)生裂紋、表面質(zhì)量差和偏析問題。造成熱塑性降低的根本原因是殘余元素含量高,但在某些情況下,缺陷或裂紋產(chǎn)生的根源被錯誤地歸因于Nb對塑性低谷區(qū)的影響。在生產(chǎn)高附加值的品質(zhì)鋼材時,殘余元素的質(zhì)量分數(shù)至少應(yīng)符合以下標準:·wP:≤0.015%;·wS:0.010%～0.015%,非關(guān)鍵鋼種;0.005%～0.010%,鈣處理鋼;0.002%～0.005%,鈣處理的重要鋼種;·wO:≤0.0015%;·wH:≤0.0002%,關(guān)鍵鋼種;·wN:盡可能低(轉(zhuǎn)爐煉鋼中wN通常低于0.0050%,而電爐煉鋼中wN要低于0.0065%)。在解決含鈮鋼表面質(zhì)量問題時,建議優(yōu)先采取的操作是:用鈣處理,將S質(zhì)量分數(shù)降至0.002%～0.010%水平。鈣處理并不能確保獲得無缺陷鑄坯,卻能極大地增加改善表面質(zhì)量和內(nèi)部純凈度的可能性。下一節(jié)將介紹殘余元素對熱塑性的影響,如N、H、S、P、Cu等。1.1文化元素及微量元素在含Al的微合金化鋼中,通常認為N不利于鋼的熱塑性。為了避免橫向裂縫,N含量應(yīng)保持盡可能低的水平。在某些情況下,Ti的加入對熱塑性也是有害的。然而,在低冷卻速度下,在低N(質(zhì)量分數(shù)0.005%)的C-Mn鋼中添加Ti,又有助于獲得更好的熱塑性。當Ti∶N為4.5∶1時,可以獲得最佳的熱塑性。對于高N鋼(電爐煉鋼典型的質(zhì)量分數(shù)0.010%),建議Ti的加入量不要太高(質(zhì)量分數(shù)0.010%),以減少含Ti粒子的數(shù)量。此外,鋼中溶解的Al含量要低,以防止與過量N元素結(jié)合形成AlN。對于C-Mn-Nb-Al鋼,Ti的影響與C-Mn鋼類似。這些鋼中存在的Nb和Al元素會粗化含Ti粒子,因而對熱塑性低谷區(qū)的影響一般不大。因為在較高的溫度下高N含量會促進析出行為,Ti與N結(jié)合后,剩余的N可能對熱塑性有利。鋼中的S含量應(yīng)保持在盡可能低的合理水平,以降低有害的細小硫化物在奧氏體晶界析出傾向。鈣夾雜物形貌控制處理將球化硫化錳夾雜并改善連鑄機矯直段鑄坯的塑性。鋼中殘留的Cu通常來自廢鋼料,其殘留的Cu質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于0.15%。殘留Cu對鑄坯的表面質(zhì)量有害,促使發(fā)生橫向開裂。Sn的影響與Cu類似。雖然Cu對熱塑性有害,但是加入少量的Ni可以抵消引起的熱塑性損失(wNi∶wCu通?？刂圃?.5～2.0范圍內(nèi))。P是大量研究工作關(guān)注的一種元素。過去的一些研究表明,在某些情況下,鋼中P的質(zhì)量分數(shù)低于0.25%可改善700～1200℃區(qū)間鑄坯的塑性。這種改善的結(jié)果是在偏析減少的前提下獲得的。如果有較多的P發(fā)生偏析,枝晶間液體將在低于固相線下的某一溫度出現(xiàn)。在奧氏體晶界上出現(xiàn)這種液膜將嚴重降低鑄坯的熱塑性。這種狀況將使鑄鋼容易在連鑄早期和結(jié)晶器后的鑄造階段產(chǎn)生開裂。雖然已經(jīng)證實少量P可改善C-Mn鋼和C-Mn-Al-Nb鋼的熱塑性,但不建議采用這種方法改善熱塑性。1.2減少轉(zhuǎn)爐鋼板n含量的措施圖1顯示了鋁鎮(zhèn)靜鋼中隨N含量的提高鑄坯裂紋敏感性增加,在連鑄汽車用鋼和結(jié)構(gòu)鋼中這種現(xiàn)象更為明顯。通過使用低氮的原料及結(jié)合實際操作,可以盡量減少在煉鋼過程中和隨后工序中N的吸入,從而達到降低鋼中N含量的目的。采用以下操作可使板坯連鑄機中間包的N質(zhì)量分數(shù)低于0.006%:(1)對于聯(lián)合煉鋼,保持鐵水中的Ti質(zhì)量分數(shù)高于0.10%。從高爐出來的鐵水中的Ti含量越高,鐵水中N含量就越低;(2)避免轉(zhuǎn)爐煉鋼后吹操作。在C含量低的情況下,后吹操作的增加會使N含量急劇上升。如果后吹時間超過60s,會吸入相當含量的N;(3)由于出鋼溫度的提高會引起N含量的增加,所以降低出鋼溫度有利于降低N含量。在較高溫度下出鋼,N含量的波動要明顯大一些;(4)在出鋼過程中,進行部分脫氧和使用石灰石屑可減少N質(zhì)量分數(shù)的增加(高達0.001%);(5)鋼水攪拌操作必須穩(wěn)定一致,一定要盡可能避免鋼包爐(LF爐)底部強攪拌。大部分N的吸入是由于吹開鋼液頂部的渣層,鋼液表面直接暴露到大氣中而產(chǎn)生的;(6)氬封長水口系統(tǒng)應(yīng)取代氮封。成本效益分析表明,改善表面質(zhì)量和減少缺陷帶來的好處超過使用氬氣帶來的較高成本。1.3h含量的影響氫主要是影響中、高碳鋼和含高Mn、Cr、Ni的鋼種,特別是大型型鋼。在Mn-Cr、Cr-B和Cr-Mo系鋼中,必須控制H含量。H含量的控制是至關(guān)重要的,對于這些裂紋敏感的鋼種,wH限于0.0002%。1.4與晶間斷裂相關(guān)高溫下硫不但會擴大鋼的表面裂紋傾向,它還會增加鋼中夾雜物的數(shù)量,危害鋼材的物理和力學性能,因此,鋼中的硫含量必須嚴格控制,盡可能低(除切削加工鋼外)。對于高等級鋼種,高爐鐵水中的S質(zhì)量分數(shù)不易高于0.015%。經(jīng)過鋼包SiCa脫硫后,S質(zhì)量分數(shù)通常要降至0.003%～0.009%。對于含鈮鋼的澆鑄,有些情況下,MnS夾雜是造成熱塑性降低的根本原因。一般來說,MnS與晶間斷裂有關(guān)。含鈮鋼的熱塑性對鋼中的固溶S含量非常敏感,固溶S易于晶界偏析。隨著S含量的提高,熱塑性下降(圖2)。正如圖2所示,在850℃下矯直低硫鋼的斷面收縮率接近50%,熱塑性明顯高于高S的含鈮鋼。如果S含量過高,S會使晶界上的Nb(CN)與奧氏體間的界面產(chǎn)生大量的空位。雖然降低S含量會改善韌性,但是也有證據(jù)表明,含鈮鋼的最低S質(zhì)量分數(shù)不應(yīng)小于0.001%。這是因為硫化物粒子可作為高溫下Nb(C,N)的形核位,過低的S含量將減少Nb析出。鈣處理操作過程中必須考慮到這一點,極低的S(質(zhì)量分數(shù)<0.001%)可能會阻止在矯直前的鈮析出。1.5增強鋼的熱穩(wěn)定性在顯微結(jié)構(gòu)層面上,有4個控制熱塑性的主要因素。它們也是最重要的4個因素:①應(yīng)變率;②晶粒尺寸;③析出;④夾雜物含量。提高矯直應(yīng)變速率和細化晶粒尺寸(一般小于200μm)都可以改善韌性。提高應(yīng)變速率將減少晶界滑移,細化的晶粒使得裂紋沿晶界擴展變得更加困難。其他兩個影響熱塑性的重要因素是沉淀物和夾雜物。晶界沉淀物和非常細小的沉淀物會降低熱塑性。例如,對于某一特定體積分數(shù)的沉淀物和/或夾雜物,晶界上的顆粒越細,它們之間的聯(lián)絡(luò)越近,裂紋也就更容易連結(jié)。因此,通過控制S和P含量來改善鋼的潔凈度,可以降低夾雜物整體的體積分數(shù)。其次,采用連鑄機二冷段的弱冷工藝將有助于優(yōu)化沉淀物的體積分數(shù)和尺寸,改善鑄坯的熱塑性。1.6連鑄機的操作分析和裂紋機理這項研究工作將進行大量的熱塑性試驗分析研究,試樣樣品來自世界各地的鋼廠,包括中國、巴西、北美洲和歐洲等地區(qū)的鋼廠。這些試樣組將包括不同S和P含量情況下的微合金化(Nb、V和/或Ti)低碳鋼、包晶鋼和中碳鋼,它們的成分范圍將涵蓋一些鋼廠經(jīng)歷裂紋產(chǎn)生的情況。世界各地的鋼鐵公司將提供鋼樣,以促進該熱塑性試驗方案的進行。各鋼廠還需要提供相應(yīng)試樣的連鑄機及軋制工藝參數(shù),從而使熱塑性測試可以模擬實際的操作特點和裂紋機理。對于含鈮鋼生產(chǎn)企業(yè),這一研究課題將達到三個目的:①加強對裂紋產(chǎn)生機制的認知;②確定相應(yīng)操作要點,以保證獲得無裂紋含鈮鋼連鑄坯;③提供操作指南,以盡量減少連鑄過程發(fā)生裂紋的概率。由此產(chǎn)生的學位論文和相應(yīng)的文章,將成為客戶發(fā)表技術(shù)報告的國際平臺和基礎(chǔ)。熱塑性試驗結(jié)果分析將與連鑄機操作的幾個關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)起來,這些參數(shù)可影響連鑄過程中的應(yīng)力及裂紋的萌生和擴展行為。操作數(shù)據(jù)由提供樣品的鋼廠給出。根據(jù)理論和經(jīng)驗,需要考量下面的連鑄機參數(shù):①結(jié)晶器傳熱特性;②結(jié)晶器振動頻率和振幅;③二次冷卻水的流量和分布;④連鑄速度,由碳當量決定;⑤輕壓下;⑥扇形段對中;⑦連鑄機的設(shè)計參數(shù)(即冶金長度和彎曲半徑)。有些客戶聲稱含鈮鋼在連鑄過程(即方坯、板坯或近終形結(jié)構(gòu)型鋼鑄坯等)遇到裂紋問題,通過與他們的技術(shù)訪問發(fā)現(xiàn),他們將塑性低谷區(qū)視為引起鑄坯裂紋的根源。然而,還有許多其他生產(chǎn)操作因素會導致鑄坯表面和/或內(nèi)部質(zhì)量問題。例如,圖3是根據(jù)作者的經(jīng)驗做出輕型和中型S355異形坯熱塑性參考曲線,該鋼的化學成分質(zhì)量分數(shù)為wC0.10%,wMn1.00%,wNb0.02%～0.04%、wS0.010%和wP0.015%的。矯直溫度在850～900℃范圍內(nèi),并沒有產(chǎn)生裂紋。從圖中還可以看出,這個溫度范圍內(nèi)的最小面縮率約30%,如此的熱塑性卻能令人滿意地生產(chǎn)出無裂紋的輕型和中型型鋼。2鑄機的鋼水溫度消除裂紋的兩個最有效措施是控制鋼水澆鑄溫度和降低二冷的冷卻速率。對于優(yōu)質(zhì)鋼種,要嚴格控制進入連鑄機的鋼水溫度。如果鋼過熱度太高,會造成嚴重的中心偏析,甚者還會增加發(fā)生漏鋼的概率。如果過熱度太低,又可能引起水口堵塞,甚至鋼水在中間包內(nèi)凝結(jié),造成鋼水回爐等問題。因此,必須在獲得良好鑄造性能、產(chǎn)量和鑄坯內(nèi)部和表面質(zhì)量之間取得平衡。連續(xù)澆鑄要求供給的鋼水溫度保證在澆鑄周期內(nèi)順行。2.1鑄機維護的改進某鋼廠生產(chǎn)含鈮型鋼時翼緣處出現(xiàn)裂紋問題,將其歸因于含鈮鋼在750～900℃溫度范圍熱塑性的降低。但是,另外有一家鋼廠生產(chǎn)相同的含鈮結(jié)構(gòu)鋼種和異型坯尺寸卻沒有發(fā)生裂紋。鋼廠A的試驗鋼異型坯的化學成分質(zhì)量分數(shù)列于表1。從下面的煉鋼、連鑄參數(shù)、對含鈮鋼冶煉/澆鑄之間的認識等方面,展開了冶煉和工藝操作的分析。(1)過熱度的波動;(2)鋼包溫度不均(透氣磚的位置和數(shù)量);(3)異形坯裂紋和二冷冷卻條件之間的關(guān)系(象限圖);(4)為避免裂紋,連鑄機維護的重要性。各部分的對準波動范圍為±0.2mm。通過措施調(diào)整控制偏差;(5)根據(jù)圖表顯示的熱塑性低谷區(qū)探求在理想的900℃以上進行矯直的可行性(在850℃以上,也取得了一些成功操作);(6)在實驗室用金相分析異形坯的橫向截面。測量異形坯四個圓腳處的奧氏體晶粒尺寸(混晶會對熱塑性產(chǎn)生不利影響);(7)在滿足力學性能要求的前提下,降低Mn含量以減少偏析;(8)調(diào)整鋼中S質(zhì)量分數(shù)的上限(不超過0.015%,最好能控制在0.010%的水平);(9)如果碳質(zhì)量分數(shù)大于0.10%,可適當調(diào)整Mn含量降低鋼中的C含量。型鋼廠在生產(chǎn)C質(zhì)量分數(shù)為0.1%的品種時一般不會遇到裂紋問題;(10)生產(chǎn)統(tǒng)計分析越好,越能夠降低工藝波動;(11)有時,鋼廠在由V改用Nb時需要降低拉坯速度約5%,但改進實際工藝操作后,完全可以用同一拉速;(12)不同的鋼廠可以采用不盡相同的操作規(guī)范生產(chǎn)成分相同的品種。適合自身工藝的軋制參數(shù)(水和溫度)意味著降低成本;(13)連鑄和軋制參數(shù)關(guān)聯(lián)到冶金質(zhì)量(異形坯裂紋、化學成分偏析和力學性能的不穩(wěn)定)。經(jīng)上述各方面的研究分析,形成了如下改進建議,而且通過采取這些改進措施后,生產(chǎn)出了無缺陷的含鈮S355型鋼,連續(xù)澆注50爐含鈮S355型鋼沒有出現(xiàn)裂紋缺陷。改進的工藝措施如下:(1)降低過熱度波動范圍,最高不超過20℃;(2)鋼包內(nèi)鋼水溫度分層是造成過熱度波動的根本原因。同時,完善了鋼包攪拌操作,使得澆鑄過程中的溫度均勻穩(wěn)定;(3)二次冷卻水流量減少了10%～15%,以實現(xiàn)軟冷操作。2.2c含量對astm的影響結(jié)合低碳鋼低合金冶金思路,采用新的冶金工藝技術(shù)和操作可帶來可觀的成本效益。高附加值含鈮微合金鋼的應(yīng)用和未來發(fā)展將在改善產(chǎn)品質(zhì)量、性能和工藝操作中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如,表1中C含量較低(B廠),成功地生產(chǎn)出了S355鋼,力學性能和化學成分滿足ASTM的要求。同時,B廠生產(chǎn)的低碳鋼具有優(yōu)良的熱塑性,而且沒有出現(xiàn)連鑄缺陷或裂紋問題。如有可能,強烈建議C質(zhì)量分數(shù)低于0.10%。有報道指出,降低C含量可使奧氏體更易于向鐵素體轉(zhuǎn)變。形變誘導鐵素體的大量形成使得熱塑性低谷區(qū)變窄。碳質(zhì)量分數(shù)必須低于0.10%是誘發(fā)這一機制發(fā)生的條件。因此,在低于包晶區(qū)的低碳水平(質(zhì)量分數(shù)<0.1%)下,不太可能形成柱狀晶和細化鑄態(tài)晶粒尺寸。對于微觀組織,這些條件將有利于縮小塑性低谷區(qū)。2.3含鈮鋼坯的質(zhì)量控制通過采用適當?shù)倪B鑄操作和化學成分,完全可以生產(chǎn)出無裂紋缺陷的低碳和高碳當量含鈮鋼坯。如果在含鈮鋼坯上(或任何其他鋼種)出現(xiàn)表面或內(nèi)部質(zhì)量問題,建議參考下面相關(guān)工藝操作和設(shè)備維護項目進行檢查分析。如果已經(jīng)采用了本報告前面討論的成分建議和冶煉操作,但仍有鑄坯質(zhì)量問題,那么,其根本原因可能會與下面的一個或多個因素有關(guān):(1)面控制性能·結(jié)晶器保護渣的熱傳輸;·結(jié)晶器液面控制性能;·保護渣加入的連續(xù)性;·減少二次冷卻水,確保板坯/方坯/異型坯的角部溫度在900℃以上。(2)連鑄機和晶體裝置的設(shè)計·結(jié)晶器表面錐度;·振痕深度和降低裂紋深度的關(guān)系。(3)預(yù)防維修問題·冷卻頭和噴嘴(即壓力和體積的變化);·水的質(zhì)量和溫度;·各段對準度;·輥縫和磨損情況;·輕壓下效果。(4)對精煉和鋼包溫度的控制·與含硫量高有關(guān)的熱塑性低谷區(qū)問題;·澆鑄中鋼包溫度分層;·過熱度過高(>20℃)。(5)清潔并觸發(fā)裂縫·非標準操作;·在高碳當量鋼種中缺乏經(jīng)驗的