唐钢新区中型产线热轧角钢生产工艺优化探析

张子超， 李 刚， 姜名贞

（河钢集团唐钢公司， 河北 唐山 063009）

河钢集团唐钢公司（以下简称唐钢）新区中型车间于2021 年年初建成投产，投产以后，面临着承接老线产品的重要任务，角钢产品则是重中之重。由于中型产线投产时间早于为中型供坯的4 号连铸机，在中型投产初期，只能使用其他连铸机生产的165 mm×165 mm 方坯生产小规格角钢，在此期间生产的角钢，表面质量符合要求，未出现开裂、夹渣等表面缺陷。4 号连铸机投产后，中型利用4 号连铸机产出的165 mm×280 mm 矩形坯积极组织大规格角钢开发，在生产过程中，角钢出现大批量的开裂缺陷，且大部分角钢均存在顶角开裂，由于这一缺陷无法进行修磨处理，因此不但增加了角钢开发的成本投入，也打击了角钢产品研发人员和生产人员的积极性，严重阻碍了角钢产品的开发进程。为此，对角钢全流程生产工艺进行梳理、分析，查找开裂产生原因并进行优化势在必行。

1 角钢生产工艺

唐钢新区长材事业部角钢产品生产工艺为转炉—精炼—连铸—加热炉加热—轧制—精整—收集。Q355 钢坯主要工艺参数如表1 所示。由表1 可知，唐钢新区炼钢连铸工序，转炉采用了挡渣锥定位挡渣，与传统工艺使用的挡渣球挡渣相比挡渣率大幅提高，出钢带渣量明显减少。连铸机为六流连铸机且结晶器具备液位自动控制的能力，与传统的人工手动控制相比，结晶器液位波动较小，能够控制在±3 mm 以内。连铸机拉速按照老区经验控制在1.6～2.0 m/min，各流二冷比水量控制在0.9 L/kg。

表1 Q355B 角钢的主要生产工艺参数

中型轧钢产线为先进的半连轧型钢生产线，配备有蓄热步进梁式加热炉一座，BD 开坯轧机两架，采用连续式布置7 架的二辊轧机，并配有多级除磷，用以保证型钢表面质量。使用165 mm×165 mm 方坯及165 mm×280 mm 矩形坯轧制相应规格角钢的压缩比见表2。如表2 所示，铸坯断面由165 mm×165 mm更换为165 mm×280 mm 后，对轧制相应品种的压缩比变化不大，因此铸坯断面的变化，不会对产品的表面质量及性能产生影响，也并非导致缺陷产生的原因。

表2 两种铸坯断面轧制角钢的压缩比

2 角钢开裂的原因分析

唐钢新区角钢的生产工艺较为先进，但角钢产品质量却未达到理想状态。而轧制过程中的铸坯断面变化并非导致缺陷产生的原因，因此为找到缺陷产生的原因，首先对开裂缺陷的位置及形态进行了分析。

2.1 角钢开裂的位置及形态

通过肉眼观察，角钢开裂在腿端及顶角处表现明显。

如图1-1，开裂缺陷在腿端表现为肉眼可见的发丝状纹路，且通条钢材密布；图1-2 显示，开裂缺陷在角钢顶角处表现为明显的裂口；角钢表面其他位置无肉眼可见裂纹。由于不能确定角钢内外侧表面是否存在裂纹，同时为了更加直观的开裂的形态，对存在开裂的角钢取样做酸洗低倍观察。

图1 角钢成品的缺陷形态

如图2 所示，经过酸洗除去表面的氧化皮之后，酸洗前表面存在开裂缺陷的位置，开裂更加明显，角钢整体均表现出凹坑、边部裂纹，如图2-1；顶角的裂口酸洗后更加明显，如图2-2；腿端的发丝状裂纹，不再表现为闭合状，而是呈现出向深处扩展的迹象，如图2-3；酸洗之前未见明显开裂的外表面，在酸洗之后，也出现了众多的凹坑，如图2-4。

图2 角钢酸洗后的缺陷形态

开裂缺陷在角钢的整个外表面都有分布，尤其以顶角、端部最为严重，这个缺陷的存在，由于不能修磨处理，因此不但增加了角钢开发的成本投入，也打击了角钢产品研发人员和生产人员的积极性，严重阻碍了角钢产品的开发进程。

2.2 角钢开裂的原因

为了确定角钢开裂缺陷的形成原因，针对图1 中的缺陷进行了金相分析和电镜扫描，裂纹处脱碳不明显，基体(铁素体+珠光体)与裂纹附近的金相分析见图3-1、图3-2，试样中夹杂物评级为A 类2.0 级，满足使用要求。

图3 角钢裂纹处金相

同时，对缺陷处及附近位置进行了能谱扫描，如图4 所示，未发现除O、Fe 以外的其他异常元素。

图4 能谱扫描结果

通过以上分析，开裂位置未发现O、Fe 以外的其他异常元素，脱碳不明显，初步判断开裂原因为铸坯存在较大中心缩孔和皮下气泡、微裂纹等，遗传至轧钢工序造成。

为了进一步确认开裂原是否是因为铸坯缺陷遗传至轧钢工序造成的，对本批次铸坯取样，进行铸坯表面和内部低倍分析。

铸坯低倍检测结果显示铸坯有不同程度的内部裂纹和皮下气泡缺陷，如图5 所示，与165 mm 方坯低倍质量相差较大。

图5 Q355B 铸坯的低倍形貌

铸坯低倍显示，角部裂纹、边部裂纹和中间裂纹严重，尤其边部裂纹、角部裂纹距离铸坯表面仅3～5 mm，皮下气泡也较为发达。在轧机轧制过程中，边部裂纹、角部裂纹由于距离表面较近，无法被轧合，而皮下气泡由于轧机的反复碾压、摩擦，逐渐破裂、延展随着表面氧化铁皮的脱落，完全暴露出来，形成图2 中各种形态的裂纹。

目前铸坯中存在的主要缺陷集中于内部裂纹与皮下气泡两类缺陷。由于低合金铸坯表面延伸率允许范围为1.5%～2.0%[1]，而连铸机拉钢速度较高时，铸坯进入矫直区时，铸坯内弧表面的拉伸矫直延伸率将达到上限，极易产生皮下裂纹，同时由于合金钢对裂纹较敏感，二冷区比水量高也易使铸坯产生裂纹；当选用保护渣黏度高，浇注用保护渣潮湿，浇注时保护渣在形成烧结层过程中水分蒸发，部分在高温下裂解为氢气和氧气，靠近钢水一侧气体析集于皮下造成皮下气泡[2]。

3 角钢生产工艺优化

3.1 连铸工艺优化

为了提高铸坯表面质量，降低甚至消除内部裂纹及皮下气泡，对连铸工艺进行了优化，如表3 所示。

表3 连铸工艺参数优化前后对比

在表3 中，连铸坯的拉速由1.6～2.0 m/min，降低至1.2～1.4 m/min，稳定生产节奏，增加铸坯结晶时间，使钢水内气体有充足时间上浮，析出钢水内部，同时拉速的降低使得铸坯进矫直区时的表面延伸率达到了安全范围，降低了裂纹产生的可能性；二冷区的冷却比水量由0.9 L/kg 降至0.6 L/kg，降低了铸坯表面冷却强度；通过使用低黏度保护渣替代高粘度保护渣，同时增加保护渣烘烤，消除了之前铸坯存在的表层夹渣现象，解决了铸坯表层气泡问题。通过以上优化，铸坯质量得到了显著提高，铸坯中间裂纹基本消除，与165 mm 方铸坯质量基本一致，满足了铸坯质量要求；改进后的铸坯低倍结果，如图6 所示。

图6 优化后的Q355B 铸坯的低倍形貌

3.2 角钢轧制工艺优化

为了解决角钢顶角开裂缺陷，降低连铸工艺优化难度，减轻连铸工艺人员压力，轧钢工序同时开展了孔型优化攻关，由于观察到角钢轧制过程中，粗轧多道次轧槽[3]顶角未充满，因此主要优化方向为在不影响成品顶角尺寸的前提下增加粗轧孔型的顶角压下量，增加顶角充满度[4]，尽量消除因铸坯表面微小缺陷造成的角钢顶角缺陷，160 mm 角钢粗轧道次压下率优化如表4 所示。

表4 160 mm 角钢粗轧道次压下率优化前后对比 %

以K8 孔为例，轧制工艺优化前后的轧槽槽底形貌对比如图7 所示。在轧制过程中，轧槽在高温及冷却水的作用下，会产生一层薄薄的氧化皮，在轧件通过后，氧化皮会因轧件与轧槽表面的摩擦而去除，因此与轧件接触轧槽表面会呈现为光亮状，而未能与轧件接触（钢料未填充至顶角位置，即钢料未充满）的轧槽表面会呈现为带锈状。如图7-1 所示，优化前，轧槽两侧呈现为光亮状，中间位置（中间位置为轧槽顶角位置）呈现为带锈状；而优化后，整个轧槽均呈现为光亮状，如图7-2 所示，证明轧槽已完全充满。通过优化前后轧槽槽底形貌对比图可以看出160 mm 角钢粗轧道次压下率优化效果十分显著，钢料充满了整个轧槽，成功提高了轧制过程对坯料表面的加工能力，进而提高了消除坯料表面细微缺陷的能力。

图7 160 mm 角轧制工艺优化前后的K8 轧槽槽底形貌对比

通过对连铸工艺优化，铸坯质量得以大幅提升，配合轧钢工艺中粗轧道次顶角压下量的增加，角钢的顶角缺陷、腿端的发纹缺陷均得到了解决，表面质量已完全符合国家标准要求，角钢开发进程上的一大难题得以解决，工艺优化完成后的角钢形貌如图8 所示。下一步将聚焦角钢腿长尺寸，进行角钢偏角（一侧超长一侧偏短）问题攻关，争取早日完成角钢产品开发。

图8 工艺优化完成后的角钢形貌

4 结论

Q355 角钢成品产生顶角开裂及腿端发纹缺陷，与坯型断面无关，与铸坯质量有关，根源是矩形铸坯存在内部裂纹及皮下气泡缺陷。通过降低连铸拉速，稳定生产节奏，增加铸坯结晶时间，降低钢水内气体含量，控制铸坯的拉矫延伸率，避免铸坯产生内部裂纹；同时通过降低连铸机二冷配水的比水量、优水嘴型号降低铸坯窄面冷却强度，铸坯内部裂纹基本消除；通过改进保护渣类型，使用低黏度保护渣替代高黏度保护渣，同时增加了保护渣烘烤，解决了铸坯表层气泡问题，铸坯质量较之前显著提升；同时，优化角钢孔型设计，增加粗轧孔型的顶角轧槽充满度，提高了轧制过程消除坯料表面细微缺陷的能力。通过采取以上措施，角钢开裂问题得以解决，成功推进了角钢产品的开发进程。