螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因分析与控制实践

寇雨成,张 皞,潘 军,王 磊

(马鞍山钢铁股份有限公司,安徽 马鞍山 243000)

螺纹钢是房屋、交通、水利等土建工程中不可或缺的建筑材料之一,近年来随着中国城镇化率的不断提高,国家在交通设施、水利工程等基础建设持续投入,螺纹钢需求强烈,也是国内钢铁企业的主要产品类型原因之一[1, 2]。电炉流程生产螺纹钢也是国内常见方式之一[3-5],电炉流程较转炉长流程具有明显优势,不需要高炉、炼焦、烧结、球团等铁前系统,碳排放低,能够较多地使用周边的废钢资源,在生产组织上也可以根据市场需求、电价和原料等因素进行间断生产[6]。针对国内某钢厂电炉流程生产的螺纹钢HRB400E,生产过程中出现屈服强度波动大、产品表面存在“黑线”缺陷等问题,通过金相显微组织和电镜扫描分析等手段,进行了螺纹钢质量缺陷和性能不稳定性原因调查,并结合生产工艺提出改进措施,以进一步提升螺纹钢产品质量和组织性能稳定性。

1 HRB400E螺纹钢生产流程和目前存在的问题

国内某厂HRB400E螺纹钢主要生产工艺流程为:电炉→炉外精炼→方坯连铸→钢坯(连铸直轧)→双高棒轧钢生产线,具体情况如表1所示。在不增加产能情况下,对原有冶炼和连铸生产线进行升级改造,升级改造后的电炉为Consteel电弧炉,该电路从冷启动后每次出钢时留钢操作,使炉内始终保持有大量钢液形成的熔池,固体炉料不再是直接被电弧加热熔化,而是被液态钢水熔化。由于有液态熔池的存在,炉内物质、能量的传输是以液态分子的扩散迁移为基础进行的,大大改善了固体炉料熔化的动力学条件。由于这种化钢方式,炉料可以连续均匀地加入熔池中熔化、冶炼,熔池的温度、化学成分等更加均匀和谐,冶炼效果更好。

表1 生产HRB400E螺纹钢的电炉流程基本信息

另外升级改在后的Consteel电弧炉还应用了三项新技术,分别为废钢使用连续加料操作、高效水冷自动碳氧枪技术和烟气预热废钢技术。其中废钢使用连续加料操作是废钢由连接小车从电弧炉炉壁孔加入熔池,加料时无需开启炉盖,实现电炉冶炼过程中无需频繁停炉和开启炉盖,减少了热量向空气中的耗散损失,采用炉壁孔加料可以避免顶装料时的塌料现象与电极的机械折断。留钢操作和连续加料使电炉加料熔化、冶炼的过程可持续进行,不必频繁停炉。配备的高效水冷自动碳氧枪向炉内大量喷碳吹氧,炉内进行碳氧反应,一部分能量用于加热废钢,作为电弧加热的能量补充,而且产生的CO气体随废气进入预热装置中,并在其中发生CO的二次燃烧,放出大量的热,这部分潜热以及废气所带的大量显热,被用来预热水平输料道上与废气逆向而行的废钢,从而达到预热废钢的目的。

LF精炼主要是合金元素进行微调及调整钢水温度,冶炼周期在20～30 min左右,LF精炼过程保持全程吹氩,其中合金、调温废钢加入后提高吹氩强度进行钢水搅拌,均匀钢水温度与成分,精炼期间根据生产节奏和钢水温度添加废钢量,调温废钢主要以钢筋切粒为主。连铸工序采用恒拉速,根据后道工序的每个规格的轧机能力,拉速控制在2.5～3.5 m/min范围,连铸过程为避免钢水二次氧化,钢水保护浇注采用浸入式水口+结晶器保护渣。

双高棒轧钢生产线工艺流程为来料→粗轧→剪切→中轧→剪切→预精轧→剪切→精轧→剪切→上冷床冷却→打包收集、修剪取样、称重挂样。

双高棒轧钢生产线主要生产工艺和过程控制有:因采用连铸直轧工艺,热钢坯来源于现有厂区内连铸机生产线的出料,对钢坯表面、外形尺寸按照《热轧钢筋用钢坯表面、外观质量检查及判定标准》进行检验,检验合格钢坯经热送辊道运往轧机进行轧制;对于化学成分、外形尺寸等指标检验不合格的钢坯由剔除装置从出炉辊道上剔除;在轧机方面全线轧机共22架,为全连续布置,钢坯在粗轧机组中轧制6个道次,经粗轧机组后飞剪切头尾后,进入中轧机组继续轧制10个道次切分后分双道,经飞剪切头尾后,再进入预、精轧机组中轧制2～6道次,最后进入精轧机组轧制出成品。倍尺剪切采用高速连续运转的飞剪对轧件进行倍尺剪切,飞剪剪切的轧件最大速度可达到45 m/s,剪机响应时间快,剪切精度高。打包收集、修剪取样、称重挂样:剪切后的成品棒材,在辊道上经人工目测检验剔除短尺,经过链式运输台架横移、计数、收集,并由成型辊道运送至打捆机处,快速完成打捆。再由辊道运送至成品收集卸料台架,经称重标记后,由天车将成捆的棒材吊入堆放场地。

但在投产初期螺纹钢质量和组织性能稳定性存在问题,主要表现在产品拉伸试验中下屈服强度波动大以及产品表面存在数条不等、长度不等的连续“黑线”,其中以Φ18 mm和Φ20 mm规格最为明显,如图1和表2所示。为了使螺纹钢筋产品化学成分、力学性能、工艺性能等指标符合国标GB/T 1499.2-2018及企业标准要求,以及产品表面、外观符合其《热轧带肋钢筋表面、外观质量检查及判定标准》中判定标准要求,搞清楚电炉流程生产HRB400E螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因,迫切而重要。

图1 HRB400E螺纹钢表面“黑线”缺陷

2 HRB400E螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因分析

为了能够调查清楚HRB400E螺纹钢筋表面“黑线”缺陷及屈服强度波动大的原因,选取问题严重的Φ18 mm规格产品试样,开展了金相显微组织分析和电镜扫描分析等,然后再结合生产工艺排查,明确原因并制定改进措施。

2.1 金相显微组织分析结果

对Φ18 mm规格的钢筋截取金相试样2支,并取对照组25 mm规格钢筋截取金相试样1支,试样分析面为垂直轧制方向,试样通过截取、镶嵌、试样分析面通过磨制及抛光后(见图2、6),使用光学显微镜利用直接观察法对试样进行检测,结果发现Φ18 mm规格的钢筋试样中存在很多非金属夹杂物,其中在试样芯部的非金属夹杂物呈弥散分布,非金属夹杂物的形貌呈短条状为主,少量呈圆形或长条形,仔细观察非金属夹杂物还可以发现非金属夹杂物在长度方向具一定的方向性,并发现试样分析面周边某个区域内有数条深约0.10 mm裂纹,部分裂纹内部填满了非金属夹杂物,如图3所示。对照组Φ25 mm规格的钢筋试样分析面也发现了少量的非金属夹杂物,如图7所示,但试样分析面周边正常,未发现裂纹缺陷。

图2 Φ18 mm规格钢筋试样截面宏观照片

(100×) (500×)图3 Φ18 mm规格钢筋试样高倍照片

采用直接观察法检验后,再次对试样表面进行清洗、抛光,并对Φ18 mm、25 mm规格的钢筋试样截面在3%硝酸酒精腐蚀之后采用光学显微镜观察了晶粒度和显微组织,Φ18 mm、25 mm规格的钢筋边部和芯部的显微组织均为正常的铁素体+珠光体,实际晶粒度的评级均为10.5级,如图4、8所示。另外,Φ18 mm规格的钢筋分析面经在3%硝酸酒精腐蚀之后采用光学显微镜进行高倍检验时还发现其显微组织存在条带组织,如图5所示,Φ25 mm规格的钢筋分析面无此现象,如图5所示。

(芯部 100×) (边部500×)图4 Φ18 mm规格钢筋试样显微组织照片

(100×) (500×)图5 Φ18 mm规格钢筋试样中的条带组织形貌

(芯部 500×) (边部500×)图6 Φ25 mm规格试样截面宏观照片图 图7 Φ25 mm规格试样高倍照片(100×)

(芯部 500×) (边部500×)图8 Φ25 mm规格试样显微组织照片

对照图3和图5,还可以看出Φ18 mm规格的钢筋分析面中裂纹、非金属夹杂物向钢筋内部延伸的路线与条带组织方向较为一致。

2.2 电镜扫描分析结果

用扫描电镜观察试样中夹杂物的形貌,找出了两类较为典型的非金属夹杂物进行了能谱分析,结果如图9所示,从该图中可以看出,非金属夹杂物主要为硅铝酸盐类复合夹杂物,其中还含有少量的Ti、Na元素。

图9 典型非金属夹杂物显微照片和能谱图

2.3 结果讨论

(1)通过试样的金相显微组织分析,发现其边部和芯部的显微组织为铁素体+珠光体,符合国标GB/T1499.2-2018及企业标准要求。但同时发现,因双高棒轧钢生产线生产的Φ12～22 mm规格钢筋采用切分轧制,导致在Φ18 mm规格钢筋试样中发现存在条带组织。

(2)通过光学显微镜进行直接观测以及对试样中非金属夹杂物使用扫描电镜进行能谱分析,发现试样中存在大规模的硅铝酸盐类复合夹杂物以及少量的Ti、Na元素。从夹杂物的类型及尺寸进行分析,推测为外来夹杂物。

(3)这些夹杂物的存在对钢筋基体的连续性有着较大的影响,钢筋在拉伸试验的过程中,夹杂物作为裂纹的发源地,会大大降低检测的力学性能,是造成18 mm规格力学性能波动的主要原因。

(4)某钢厂因钢水中存在大量的外来非金属夹杂物,在精炼、连铸过程中未及时上浮去除,非金属夹杂物在连铸过程中随着钢水凝固而保留在铸坯之中,加之双高棒轧钢生产线生产的Φ12～22 mm规格钢筋采用二切分轧制,非金属夹杂物在轧制过程中随着钢基体的流变被轧到钢筋次表面或暴露在钢筋表面,是造成表面“黑线”缺陷的主要原因。

3 结论及改进措施

(1)存在外来的硅铝酸盐类复合夹杂物以及采用二切分轧制工艺是导致某厂Φ18 mm规格HRB400E螺纹钢产品屈服强度波动大和存在表面“黑线”缺陷的主要原因。

(2)经生产过程调查发现,70 t电炉钢水出钢过程中采用高锰生铁按照电炉成分目标中下限初调钢水中Mn含量;LF精炼存在先提温、再用钢筋切粒进行调温的习惯,给钢水带来了大量氧化物,在加上LF精炼过程中吹氩时间短,外来夹杂未充分上浮,部分夹杂物滞留于钢水中。

另外,连铸过程中结晶器钢液面波动相对较大,甚至卷入了保护渣。根据原因分析并结合实际工艺,提出如下改进措施:

①在电炉出钢过程中,将电炉调整Mn元素的原料改为LF炉精炼的锰硅合金和高碳锰铁,避免高锰生铁中氧化物污染钢水。

②在LF精炼过程中,精炼岗位应注重操作,严格执行作业指导书中LF终点温度的规定范围,避免一次升高温,再加废钢降温操作,如确实LF终点温度高于规程要求,需加入调温废钢,应相应延长LF过程吹氩时间。

③在连铸过程中,通过优化结晶器浸入式水口插入深度,降低结晶器钢液面波动,避免卷渣。

④在轧钢红检过程中,首先将“黑线”缺陷维护到《热轧带肋钢筋表面、外观质量检查及判定标准》中,其次对红检人员进行针对性培训、增加产品红检过程表面检查频次,来加强产品表面质量检验。

(3)通过上述措施后,某厂70 t电炉生产的HRB400E螺纹钢在高倍显微镜的直读法观测下未发现夹杂物,且Φ18 mm规格的钢筋力学性能明显提升、稳定,产品表面未发现“黑线”缺陷,改进效果显著。