硬线钢盘条质量分析与工艺优化

梁 胜,周 江,蒋世川

(攀钢集团成都钢钒有限公司,成都610303)

硬线钢盘条质量分析与工艺优化

梁 胜,周 江,蒋世川

(攀钢集团成都钢钒有限公司,成都610303)

针对硬线钢盘条拉拔φ3mm以下规格细丝时常出现断丝的问题,对盘条进行分析,并与国内其他先进厂家盘条进行质量对比,造成盘条拉拔性能差的原因有钢质大型夹杂、铸坯残余缩孔、化学成分控制波动范围大、盘条S含量及[N]含量高等。对铁水预处理、脱氧、LF精炼及连铸工艺进行了优化研究,盘条质量得到提高,拉拔断丝率明显降低,使硬线钢的盘条品质达到了下游用户拉拔丝的要求。

硬线钢盘条;拉拔断丝;分析;工艺优化

1 引言

硬线也称硬线盘条,通常把优质碳素结构钢中含碳量不小于0.45%的中高碳钢轧制的线材称为硬线[1]。硬线钢是中高碳钢,是金属制品行业的主要原料;通过拉丝后广泛用于加工各种钢丝、各类钢绞线、钢丝绳、弹簧钢丝等,其拉拔性能好坏直接影响着制品厂的使用和产品的性能,多年来国内外线材厂在研制硬线产品时一直追求高的线材加工性能,并取得了不少效果,其线材的拉拔性能得到了很大提高[2—6],但目前优质硬线仍存在一些问题,造成了其拉拔脆断[7]。

攀钢集团成都钢钒有限公司(以下简称“攀成钢”)使用转炉生产的硬线钢,经高线轧制成盘条后,发至下游用户在拉拔到φ3mm以下规格时常出现断丝现象,用户提出了质量异议,给公司造成了损失。为此对生产的硬线钢盘条进行了分析,并与国内其他先进厂家盘条进行了质量对比,找出导致盘条拉拔性能差的原因,从而对冶炼工艺进行了优化,提出了具体解决措施,使硬线钢的盘条品质达到下游用户拉拔丝的要求。

2 硬线钢转炉生产工艺流程

高炉铁水→混铁炉→铁水组罐、预脱硫、扒渣→转炉冶炼→出钢调渣→钢包吹氩→LF炉精炼→五机五流150mm×150mm方坯连铸→步进冷床→高线轧制→时效处理→拉拔丝(φ1mm～5mm)。

3 盘条质量分析

3.1 化学成分分析

对攀成钢连续生产的78炉65钢盘条化学成分进行分析,与国内生产硬线钢盘条质量较好的A、B厂盘条进行对比,其对比情况见表1。

从化学成分对比情况看,65钢盘条的化学成分与A、B厂相比,主要差异元素为C、Mn、S;平均C含量相当但攀成钢盘条控制不稳定,波动范围大,不利于盘条性能的稳定;由于攀成钢与国内A、B厂高线机组装备不同,因此在成分设计上也不同,Mn含量相对偏高,平均达到0.67%;实际生产平均S含量为0.015%,与A、B厂S含量控制在0.005%～0.008%相比差距较大,当钢中S含量高时,形成的大型硫化物非金属夹杂物在拉拔过程中,位错大量在夹杂物相晶面处堆积,造成应力集中,从而引发微裂纹导致拉拔断裂。

3.2 [O]、[N]含量分析

为保证盘条的质量,在炼钢生产过程中必须降低钢中[O]、[N]含量。钢中[O]含量高,盘条塑性下降,对于直径为φ5mm以下的硬线钢,LF精炼采用较低的炉渣碱度,将钢液Al含量控制在(2～6)×10—6,炉渣A12O3的质量分数应控制在7%以下;钢液氧活度a[O]大约在25ppm～50ppm,可使钢中夹杂物成为塑性夹杂物[8]。钢中[N]含量过高,氮在铁素体中的溶解度随温度降低而急剧下降,快速冷却时,钢中氮过饱和,部分与其他元素结合成氮化物,部分游离氮以Fe4N形式析出并沿晶界分布,使钢变脆,产生“时效脆性”,实践表明必须控制钢中[N]≤60ppm。

表1 65钢盘条化学成分对比情况

铸坯及盘条[O]、[N]含量对比情况见表2。由表2可见,攀成钢铸坯与盘条[O]、[N]含量相差不大,盘条[O]含量平均为23ppm,范围在17ppm～34ppm,[N]含量平均为50ppm,范围为37ppm～66ppm;与国内A、B厂的盘条[O]、[N]含量对比,其[O]含量控制较低、[N]含量相当。虽然采用含铝脱氧工艺将[O]含量控制较低,但其脱氧生成的簇群状或块状Al2O3类夹杂物,在轧制过程中不易变形,对硬线盘条的拉拔性能非常有害,因此必须优化脱氧工艺,控制钢中Al2O3类夹杂物;为实现盘条中氮含量不大于60ppm,应加强冶炼过程及中间包增氮的控制。

表2 铸坯及盘条[O]、[N]含量对比情况

3.3 非金属夹杂物分析

非金属夹杂物的类型、级别、数量、形态和分布对盘条的各项综合性能有重要影响。夹杂物降低盘条的延展性、韧性和疲劳强度,破坏金属的连续性成为盘条破断的裂纹源;夹杂物附近还容易形成应力集中,受力时加速盘条的断裂过程[9],对于硬线钢显微夹杂中危害最大的主要是B类夹杂物;非金属夹杂物对比评级情况见表3。

图1 缺陷形貌

在X100的显微镜视场情况下观察非金属夹杂物形态,发现攀成钢硬线钢主要是A类硫化物和B类A12O3夹杂物评级偏高,盘条整个检验面内非金属夹杂物总数少,但单个夹杂物尺寸较大、评级较高;A、B等厂其非金属夹杂物评级A、B、C、D、DS类夹杂物评级较低,且夹杂物总量较少。

表3 非金属夹杂物对比情况

用户在拉丝过程中出现断裂,将缺陷盘条清洗后置于扫描电镜下观察,SEM-SEI模式观察发现断口呈塑性撕裂状特征,有明显的变形韧窝,见图1、2所示。SEM-BEI模式观察发现断口表面有异物(图3黑色物质),见图3所示,用能谱仪确认异物的主要成分为Na、Al、Si、P、S、Ca、O,具体成分见图4。

图2 断口表面形貌

图3 断口表面异物

图4 异物能谱分析成分

从断口扫描电镜和能谱分析看,断裂起始源处均有大型夹杂物(内生夹杂和外生夹杂),存在CaS和铝酸钙系夹杂物的富集并伴有连铸保护渣的卷入;另外,断口处还发现了P、Zn元素,主要是拉拔过程中磷化处理时发生断裂附着在断口表面所致,为外来污染物。

通过分析认为,要解决硫化物夹杂必须加强铁水预处理脱硫,降低入炉铁水硫含量;要解决铝酸钙系夹杂物的存在必须进行精炼渣系调整,在精炼时采用低碱度、低A12O3含量渣系;要防止卷渣得研究保护渣性能及控制结晶器液面稳定。

3.4 铸坯质量分析

跟踪生产情况发现连铸坯低倍存在残余缩孔比较严重,最终将影响到盘条内部质量,造成拉拔过程中出现断丝,特别是在拉拔φ3mm以下规格细丝时表现特别突出。铸坯生产过程中拉速过快、钢水过热度较高、冷却强度过强极易造成铸坯内裂,液相穴明显变长,推迟了等轴晶形核和长大,扩大柱状晶区,铸坯浇注时中心产生“搭桥”现象,当残余钢液凝固收缩时,得不到其他钢液的补充,会在心部形成封闭的缩孔,并伴随着中心偏析和夹杂物的富集,特别是在无电磁搅拌情况下表现更突出。这种缺陷严重时,轧制过程不能焊合,拉拔受力时心部产生应力集中从而首先断裂,最终形成“笔尖”状断裂。在显微镜下观察发现其典型特征是:断裂部位旁侧无高温氧化现象,亦无大型非金属夹杂物,在断裂部位的纵向延伸方向发现一定数量的孔洞,孔洞内存在颗粒状非金属夹杂物,孔洞内部有不同程度的氧化。由铸坯残余缩孔造成的典型“笔尖”状断裂缺陷宏观形貌和微观特点见图5、6所示。

图5 缺陷形貌及附近的孔洞12.5×

图6 缺陷孔洞内的夹杂物500×

4 工艺过程控制优化

4.1 铁水预处理优化

为防止出现盘条硫的富集和偏析,必须降低源头铁水的硫含量,保证铁水脱硫前S≤0.080%、温度T≥1 250℃。强化铁水预处理脱硫,尽可能降低铁水硫含量;采用单翻铁水喷粉脱硫,铁水初渣厚50mm以上,捞初渣;保证脱硫后捞渣干净,捞渣率≥95%;脱硫后禁止勾兑未脱硫铁水;保证入转炉铁水硫含量≤0.030%。

4.2 转炉冶炼优化

为降低转炉终点氧化性,控制转炉终点[C]≥0.10%,转炉终点[P]≤0.010%,出钢温度根据生产节奏控制在1 600℃—1 660℃。为降低硬线钢中A12O3等脆性夹杂物的数量,并保证钢中夹杂物为塑性夹杂物,转炉终点采用无铝脱氧工艺;转炉出钢过程采用钙系脱氧剂进行无铝脱氧,加入量2.0kg/t～3.0kg/t,采用碳锰球增碳,提高钢液纯净度,并在出钢过程随钢流加入复合脱硫剂300kg/炉进行出钢过程渣洗。

4.3 LF精炼优化

针对原工艺精炼过程精炼渣系碱度平均控制在2.69(范围2.30～2.96),相对偏高且终渣Al2O3含量偏高平均15.48%(范围14.47%～16.48%),产物为富钙夹杂物,其变形能力低,并且当炉渣Al2O3含量高时,易产生高熔点Al2O3夹杂的情况。对LF精炼渣系进行优化,通过LF精炼过程禁止喂Al线脱氧;采用新型低碱度合成渣造渣,取消含铝造渣材料加入(如合成渣、铝矾土、铝粉等),加入SiC、FeSi粉或少量精炼剂强化脱氧脱硫效果;保证埋弧操作,控制精炼过程增氮,形成更容易吸附钢中夹杂物且使钢中夹杂物塑性化的低碱度渣系,其碱度小于2.0,炉渣A12O3的质量分数在7%以下。整个精炼过程根据需要调减Ar气流量,随时观察Ar气搅拌情况,保证钢液S≤0.010%。强化LF化学成分控制,微调钢中碳、硅、锰等成分到内控要求范围内,保证炉与炉之间C元素控制在±0.01%以内且化学成分均匀。强化白渣及静吹效果,保证LF白渣时间15min和静吹时间10min以上,促进夹杂物的充分上浮吸附。

4.4 连铸优化

为改善铸坯残余缩孔缺陷,提出稳定连铸工艺制度,增加结晶器电磁搅拌确定合理的搅拌参数,对连铸中间包过热度、拉速及二冷制度进行调整。

为改善铸坯质量,增加了结晶器电磁搅拌,通过不同结晶器电磁搅拌参数试验,采用电搅的铸坯低倍质量明显优于未采用电搅的铸坯低倍质量,铸坯中心缩孔、中间裂纹、近表面裂纹得到明显改善且铸坯等轴晶明显,确定了3.5HZ、380A的合理搅拌参数。高碳钢铸坯等轴晶率最低,且等轴晶率受钢水过热度影响最敏感,ΔT＞25℃就会发生穿晶现象,铸坯容易产生缩孔,控制钢水过热度是获得良好的内部质量的关键因素;因此降低钢水过热度,保证过热度按15℃～25℃控制。为保证铸坯质量根据钢水过热度与拉速合理进行匹配,降低浇铸拉速且使拉速波动在(1.85±0.05)m/min以内,实行恒拉速浇铸。适当调整二冷制度采用弱冷制度,二冷比水量控制根据钢种和季节不同按0.65L/ kg～0.70L/kg控制且保证二冷的均匀。全程采用保护工艺,避免钢水出现二次氧化、过程增氮。为防止卷渣,连铸结晶器使用低黏度保温性好的速熔高碳钢专用保护渣,稳定结晶器液面波动。

5 盘条质量控制效果

以65钢盘条为例,通过对工艺优化前后盘条质量控制效果进行对比分析,取得了良好的效果,硬线钢的盘条品质达到了下游用户拉拔丝的要求。

5.1 化学成分及[O]、[N]含量

盘条工艺优化前后化学成分及气体含量见表4。盘条化学成分控制波动范围更窄,特别是C、Mn元素控制更稳定、均匀,有利于盘条性能稳定,另外盘条S含量全部控制在≤0.010%;通过控制钢中铝含量和渣中A12O3的质量分数,得到在钙斜长石与磷石英和假硅灰石相邻的周边区域的低熔点夹杂物,虽然盘条平均[O]含量30ppm稍微高于优化前,但此类夹杂物具有良好的变形能力;盘条平均[N]含量46ppm比优化前降低4ppm,控制过程增氮措施取得的效果明显,有利于降低钢的“失效脆性”。

表4 盘条工艺优化前后化学成分及气体含量

5.2 非金属夹杂物

盘条非金属夹杂物评级见表5。工艺优化后盘条A、B、C、D、DS类非金属夹杂物得到改善,特别是A类、B类夹杂物评级较低且夹杂物总量较少,效果明显。

表5 工艺优化前后盘条非金属夹杂物评级

5.3 铸坯质量

铸坯低倍形貌见图7、8。从图7、8可见,从铸坯优化前后中心疏松、残余缩孔、中心裂纹、中间裂纹及近表面裂纹等的评级情况看,全部为1类坯,但优化后铸坯残余缩孔得到有效解决。

图7 优化前低倍形貌

图8 优化后低倍形貌

5.4 盘条用户使用情况

通过与用户交流攀成钢工艺优化后生产的硬线钢盘条拉拔φ3mm以下规格细丝的使用情况,从反馈的信息看,拉拔断丝率明显降低,其生产过程稳定;盘条质量与国内其他先进厂家盘条质量相当。

6 结论

通过与用户交流和对国内其他先进厂家生产的硬线钢盘条进行对比分析,找到导致盘条拉拔性能差的原因;通过对冶炼工艺进行了优化,盘条质量得到提高,拉拔断丝率明显降低,使硬线钢的盘条品质达到了下游用户拉拔丝的要求。

(1)造成盘条拉拔性能差的原因主要是由钢质大型夹杂(硫化物系、铝酸钙系内生夹杂和卷渣带来的外生夹杂)和铸坯残余缩孔造成,其次化学成分控制波动范围大、钢中S含量及[N]含量高对盘条拉拔性能也有一定影响。

(2)从源头降低铁水S含量,优化铁水预处理工艺控制入转炉含S总量,盘条S含量有效控制在0.010%以内。

(3)通过采用无铝脱氧,精炼时采用低碱度和低A12O3含量渣系并强化LF化学成分控制、过程Ar气控制、白渣及静吹时间控制和连铸采用全程保护浇铸等工艺优化措施;使钢中夹杂物级别低数量少且具有良好的变形能力、化学成分控制稳定均匀、过程增氮控制效果明显。

(4)通过连铸采用合理的结晶器电磁搅拌参数、低过热度、低拉速及低比水量控制可改善铸坯残余缩孔缺陷;采用低黏度保温性好的速熔高碳钢专用保护渣和实行恒拉速浇铸,可防止结晶器卷渣。

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Quality Analysis and Process Optimization on Hard Wire Rod

LIANG Sheng,ZHOU Jiang,JIANG Shi-chuan

(Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.Chengdu 610303,Sichuan,China)

Addressing the problem concerning frequent wire fracture during the drawing process of thin steel wire belowφ3mm,this article analyses the wire rods and compared their quality with the wire rods made by other advanced domestic manufacturers.It is found that the poor drawing property of wire rod is caused by large steel inclusion,cast billet shrinkage,large deviation of chemical composition control and large content of S and N.Processes of hot metal pretreatment, deoxidation,LF refining and continuous casting are optimized,as a result,the wire rod quality is improved,the drawing fracture rate is significantly reduced,which enable the hard wire rods to meet the drawing requirements of downstream users.

hard wire rod;drawing fracture;analysis;process optimization

1001—5108(2016)03—0045—07

TG115

A

梁胜,炼钢工程师,主要从事工艺技术管理工作。