唐鋼 30MnSi鋼延遲斷裂成因分析及工藝對策

李雙武 劉善喜 常 鳳 馮潤明

(河北鋼鐵集團唐山鋼鐵公司)

唐鋼 30MnSi鋼延遲斷裂成因分析及工藝對策

李雙武 劉善喜 常 鳳 馮潤明

(河北鋼鐵集團唐山鋼鐵公司)

分析了延遲斷裂產(chǎn)生的原因,重點分析了內(nèi)部夾雜物、奧氏體晶粒、中心碳偏析等引起唐鋼第二鋼軋廠30MnSi鋼延遲斷裂的幾種典型因素,并提出了解決唐鋼第二鋼軋廠 30MnSi鋼延遲斷裂的工藝措施。

PC鋼棒 延遲斷裂 C偏析

0 前言

預(yù)應(yīng)力鋼棒 (簡稱 PC棒)是制造預(yù)應(yīng)力混凝土管樁 (PHC管樁)的重要材料[1]。為保證 PHC管樁具有良好的性能,以滿足高層建筑的需要,管樁鋼筋必須具有良好的機械性能,松弛性能、可焊性、可鐓性,同時鋼材的表面質(zhì)量要好,不得有影響其使用的各類缺陷,目前國內(nèi)比較普遍的是 30MnSi熱軋盤條。管樁鋼筋的盤卷在靜置庫存、縱向張拉、管樁離心成型時,甚至已放在成品堆場中的成品管樁內(nèi)都會發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象即延遲斷裂現(xiàn)象,因此筆者針對唐鋼 30MnSi鋼延遲斷裂問題進行重點分析。

1 生產(chǎn)工藝設(shè)備概況

唐鋼第二鋼軋廠鋼區(qū)生產(chǎn)工藝設(shè)備及特點:鐵水預(yù)處理站一座,戴斯馬克技術(shù),噴吹顆粒鎂;50 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐 4座;60 t LF爐兩座;達涅利公司設(shè)計的 6機 6流 R9 m全弧形連鑄機一臺;鋼包氬氣保護澆注,結(jié)晶器液面自動控制,結(jié)晶器電磁攪拌,鑄坯斷面 150 mm×150 mm,熱送高線軋制。

2 延遲斷裂成因

延遲斷裂是在靜止應(yīng)力作用下,材料經(jīng)過一定時間之后突然脆性破壞的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是材料—環(huán)境—應(yīng)力三者相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化,是氫致材質(zhì)惡化的一種形態(tài)[2]。

高強度鋼的延遲斷裂行為目前一致的觀點是由鋼中的氫引起的;鋼中氫的來源一方面是鋼在冶煉、軋制、酸洗及熱處理等生產(chǎn)過程中侵入鋼中的氫(內(nèi)氫),另一方面是環(huán)境中侵入鋼中的氫 (外氫)。

應(yīng)力集中是導致延遲斷裂的另一個重要誘因。生產(chǎn) PC鋼棒時,經(jīng)淬火回火處理后,不足以消除鋼材內(nèi)部的殘余應(yīng)力,而加工過程這些殘余應(yīng)力又不斷集中,便產(chǎn)生了延遲斷裂現(xiàn)象。

由于 PC鋼棒具有較強的氫脆敏感性,任何能夠在冷加工與淬火處理過程中造成應(yīng)力集中甚至裂紋的缺陷都會造成氫致延遲斷裂,因此對 PC鋼棒用鋼的內(nèi)在和表面質(zhì)量要求較高。下面筆者就唐鋼第二鋼軋廠 30MnSi鋼棒延遲斷裂的幾種典型因素進行闡述。

2.1 內(nèi)部夾雜物

經(jīng)走訪用戶,取樣分析,發(fā)現(xiàn) 30MnSi鋼棒夾雜物等級高,主要為 C類硅酸鹽夾雜、D類球狀氧化物夾雜,Si-Al-Ca復合氧化物夾雜,MnS夾雜 (如圖1、圖 2、圖 3所示)。分析可知,這些夾雜物主要為原材料帶進的夾雜及精煉過程產(chǎn)生的夾雜。精煉及澆鋼過程中這些夾雜物上浮不充分,或者是渣吸附能力不足而彌散分布于鋼液中,另外也有鋼水二次氧化形成大顆粒夾雜的可能性。鋼中這些夾雜物易使鋼材經(jīng)拉拔、刻痕、調(diào)質(zhì)處理后在 PC鋼棒的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋,這些應(yīng)力裂紋在氫的作用下逐漸擴大,導致 PC鋼棒延遲斷裂。

圖1 7.1mm鋼棒、10.7mm鋼棒金相照片

圖2 硅鈣鋁氧化物夾雜 SEM圖像及能譜

圖3 條狀MnS夾雜物 SEM圖像及能譜

2.2 奧氏體晶粒影響

高強度鋼延遲斷裂的起點和擴展路徑往往沿原奧氏體晶界,其主要影響因素除晶界碳化物和雜質(zhì)元素偏聚等外,另一個重要影響因素便為原奧氏體晶粒尺寸。由于晶粒細化可使變形均勻化,降低應(yīng)力集中程度,而且單位晶界面積的增加可降低雜質(zhì)元素的偏聚濃度,因而有可能改善高強度鋼的耐延遲斷裂性能。金屬的晶粒越粗大越容易在冷加工過程中造成應(yīng)力集中,同時淬火熱處理時容易形成淬火裂紋,因此對氫脆就越敏感。經(jīng)異議材樣分析,奧氏體晶粒粗大,為得到均勻組織、細化晶粒需在微合金化、控軋控冷工藝上下功夫。

2.3 中心碳偏析

與高碳鋼相似,30MnSi盤條存在一定的碳偏析,經(jīng)測定盤條斷裂處偏析度 1.03。拉拔時因偏析處碳含量較高,強度及塑性與基體相差較大,因此無法與基體同步協(xié)調(diào)變形而產(chǎn)生應(yīng)力集中,在氫的共同作用下形成裂紋源,并逐漸擴大,最后造成鋼棒的延遲斷裂[3]。

2.4 盤條表面質(zhì)量影響

30MnSi盤條的表面缺陷是氫進入鋼中引發(fā)氫致延遲斷裂的直接部位,必須杜絕耳子、折疊、微裂紋、結(jié)疤等表面缺陷。尤其是表面裂紋給氫致延遲斷裂提供了極大可能性,如圖 4、圖 5所示。

圖4 7.1 mm鋼棒脫碳裂紋邊部 0.15 mm 200×

圖5 10.7 mm鋼棒脫碳裂紋 邊部 0.06 mm 500×

3 工藝對策

3.1 降低各環(huán)節(jié)增氫量

原材料含水分是增氫一重大原因,生產(chǎn)中嚴格控制原材料的含水量,合金必須烘烤,降低含水量;另外嚴把石油焦增碳劑、SiC水分關(guān),降低進入鋼液中的 H含量。

LF精煉是增氫的另一成因[4]。原因一為精煉過程高溫電極電解空氣中的水進入鋼液;原因二為給電起弧過程中渣層有被擊穿的可能性,導致鋼液直接與空氣接觸,高溫鋼水吸收空氣中的水分;鈣處理過程也是增氫的一個重要原因,因為喂絲過程開大底吹氬氣流量,Si-Ca絲打透渣層進入鋼水,渣眼兒過大高溫鋼水就會吸氫。另外 Si-Ca絲中含水分也會進入鋼水中導致鋼液增氫。針對以上原因,優(yōu)化了精煉底吹管路及流量,精煉微正壓操作等諸多措施有效的降低了鋼液增氫量,很大程度上降低了延遲斷裂發(fā)生的可能性。

澆鋼過程要求全保護澆注,大包套管氬封保護,沖擊區(qū)和中包內(nèi)覆蓋劑要加及時嚴防鋼水裸露,有效的降低了中包吸氫量。另外,保護套管、結(jié)晶器保護渣必須烘烤,最大程度減少增氫量。

3.2 降低夾雜含量

生產(chǎn)中實測LF精煉過程渣中 Al2O3含量 (%)與鋼液中全 Al含量 (×10-6)關(guān)系如圖 6所示。

圖6 渣中 Al2O3與鋼液全 Al含量關(guān)系

由圖 6可以看出,渣中 Al2O3越高,與之平衡的鋼液全鋁含量越高;精煉渣中MgO含量 (%)與堿度關(guān)系如圖 7所示。

圖7 渣中MgO含量與堿度關(guān)系

由圖 7可見,渣堿度越高渣中MgO含量越低,也就是說包襯磚被侵蝕的程度小。但是實踐證明,堿度高于 2.5渣子流動性變差,吸附夾雜的動力學條件變差,不利于去除夾雜。因此采取以下工藝措施:

1)轉(zhuǎn)爐脫氧合金化使用低鋁硅鐵,降低合金帶入的 Al含量;出鋼口位置設(shè)凹坑,定位投合適密度擋渣球,提高擋渣率,嚴格控制大包渣層厚度,為下道工序提供有利條件。

2)LF精煉磚包采用全鎂碳磚修砌,減少精煉過程鋼水和電弧作用下,包襯受到侵蝕進入到鋼液中的 Al2O3,降低鋼液 Al含量;另外合理控制精煉渣堿度及渣流動性,提高渣吸附能力。

3)精煉底吹雙管路改造。精煉底吹系統(tǒng)由原來的單管吹氬改為雙透氣磚雙管底吹氬,并且優(yōu)化了透氣磚布局,從動力學條件優(yōu)化了精煉工藝,提高了鋼水的流動性,精煉過程夾雜物更充分的上浮到渣層,被精煉渣吸附,凈化了鋼液。

4)精煉結(jié)束后喂硅鈣線處理。一方面,采用鈣處理 (喂 Si-Ca線)來改變 Al2O3形態(tài),溶解鈣與鋼水中固相 Al2O3,生成液相的 12CaO·7Al2O3,這樣有利于夾雜物上浮,也有效的防止了水口堵塞。另一方面,促進了條形MnS夾雜向球狀 CaS轉(zhuǎn)變。

5)提高中包渣吸附夾雜能力。理論上,中包渣堿度對夾雜物的吸附至關(guān)重要[5],以前工藝的中包渣堿度偏低,而且排渣困難,為此對中間包結(jié)構(gòu)進行了改進 (改進前后中包渣熒光分析對比見表 1),排除了原來中間包放渣困難,避免了卷渣,并且通過加堿性、低熔點中包覆蓋劑提高了中包渣堿度,增加了渣中游離 CaO活度,極大提高了中包渣的物理和化學吸附能力,很大程度上凈化了鋼液。

表1 改進前后中包渣熒光分析

通過生產(chǎn)中不同堿度中包渣下的鋼液全氧 T[O]分析,得到鋼液 T[O](×10-6)與堿度的關(guān)系。如圖 8所示。

圖8 中包渣堿度 R與鋼液 T[O]關(guān)系

由圖 8可以看出,中包渣堿度低時,渣中 SiO2活度增大,可以發(fā)生以下反應(yīng):4[Al]+3(SiO2)=3[Si]+2[A12O3],渣中氧傳遞到鋼水中形成 Al2O3,使鋼液的 T[O]增加;堿度高時,中包渣偏稠,流動性差,渣吸附能力減弱也會使鋼液 T[O]增加;中包渣堿度 1.5～2.0時鋼液較純凈,全氧低。

3.3 晶界強化、晶粒細化

強化晶界、抑制晶界裂紋的萌生和擴展是改善高強度鋼耐延遲斷裂性能的一種有效途徑。其主要對策為[6]:

1)減少晶界脆化元素的偏聚量;研究證實雜質(zhì)元素磷降低晶界結(jié)合強度,硫在腐蝕環(huán)境下促進氫的吸收,因而需降低 P、S等雜質(zhì)元素含量的辦法,提高鋼的純凈度,以降低雜質(zhì)元素在晶界的偏聚,提高晶界結(jié)合力,從而改善其耐延遲斷裂性能。

2)細化晶粒;可以向鋼水中添加適量的 Ti、V,一方面可以起到細化晶粒作用,另一方面起到了“氫陷阱”作用[7],很大程度上降低了延遲斷裂的可能。

3.4 降低過熱度、優(yōu)化電磁攪拌參數(shù)、優(yōu)化二冷配水制度

實踐證明,過熱度在 30℃以下大大降低了鋼中夾雜。另外根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,摸索出了 PC鋼生產(chǎn)的電磁攪拌參數(shù),鋼液在形成坯殼時進行攪動,迅速降低了結(jié)晶器內(nèi)鋼液的過熱度,并保證中包液面高度大于 600 mm且保持穩(wěn)定,促進夾雜及氣體盡可能的上浮;穩(wěn)定了拉速,優(yōu)化了二冷配水,改善了內(nèi)部組織,減少了成分偏析,得到了優(yōu)質(zhì)的鑄坯。

3.5 提高盤條表面質(zhì)量

鋼區(qū)生產(chǎn)工藝優(yōu)化,降低鋼液全氧,消除鑄坯振痕、裂紋、縮孔等缺陷;優(yōu)化軋鋼控軋控冷工藝,最大程度消除盤條耳子、微裂紋、結(jié)疤等缺陷,另外軋鋼精整現(xiàn)場檢驗,盤卷頭尾缺陷剪盡,提高出廠盤條表面質(zhì)量,提高抗延遲斷裂能力。

4 效果分析

經(jīng)過生產(chǎn)工藝優(yōu)化,該廠 30MnSi盤條質(zhì)量大幅提高,優(yōu)化前后全氧、全氮分析如圖 9所示 (圖中樣品 1、2、3、4為優(yōu)化前 ,5、6、7、8為優(yōu)化后 )。隨機取爐號 0D08220、0A06583材樣經(jīng) OLY MPUS-PMG3顯微鏡分析結(jié)果如圖 10所示。夾雜物等級均在 1.5以下,用戶使用情況良好,延遲斷裂基本消除。

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)分析二鋼 30MnSi鋼延遲斷裂的幾種典型因素,并有針對性的采取了一系列工藝技術(shù)措施,延遲斷裂現(xiàn)象基本消除,且全氧含量穩(wěn)定在 30×10-6～50 ×10-6,用戶使用情況良好,因此得出以下結(jié)論:

圖9 優(yōu)化前后全氧、全氮對比

圖10 0D08220、0A06583材樣金相照片

1)H是延遲斷裂的最大誘因,因此各個生產(chǎn)工序要盡量減少鋼液增氫。

2)降低鋼中 S、P等雜質(zhì)元素含量減少晶界偏聚,提高晶界結(jié)合力可提高抗延遲斷裂性。

3)提高精煉渣吸附能力及中間包冶金效果,最大程度去除鋼中夾雜物可有效減少延遲斷裂發(fā)生的可能。

4)不斷完善控軋控冷工藝,提高盤條的表面質(zhì)量可明顯改善抗延遲斷裂性。

[1] 黃銳,鐘凡,孫建平,等.PC鋼棒的延遲斷裂及其原因分析[J].南方金屬,2006(6):35-38.

[2] 賈學軍.唐鋼 PC鋼棒用鋼延遲斷裂性能研究[D].沈陽:東北大學材料工程系,2006.4-5.

[3] 周建南,袁長波,寧事英,等.PC鋼棒延遲斷裂的研究[J].山東冶金,2007,29(增刊):58-59.

[4] 朱志遠,寧林新,王國連.板坯氫含量控制和中心碳偏析改善研究[J].鋼鐵,2006,41(10):32-33.

[5] 孫永超,黃俊,吳永來,等.堿性中間包覆蓋劑吸附夾雜能力的研究[J].鋼鐵釩鈦,2006,27(1):17-20.

[6] 朱伏先,李艷梅,吳穎.PC鋼棒延遲斷裂及其對策 [J].金屬制品,2003,29(1):6-9.

[7] 惠衛(wèi)軍,董瀚,翁宇慶,等.鈦對高強度鋼耐延遲斷裂性能的影響[J].鋼鐵研究學報,2002,14(1):30-33.

CAUSE ANALYSIS FOR 30Mn SiDELAYED FRACTURE AND TEC HNICAL COUNTERM EASURES IN TANGSHAN IRON AND STEEL

Li Shuangwu Liu Shanxi Chang Feng Feng Runming
(Tangshan Iron and Steel Company,Hebei Iron and Steel Group)

This article analyzes the reasons of delayed fracture,particularly the several typical factors of 30MnSi’s delayed fracture caused by inner inclusions,austenite crystal,central carton segregation etc,and the technological measures were put for ward to solve 30MnSi delayed fracture in the No.2 steel roll factory of Tangshan Iron and Steel Company.

steel bar for prestressed concrete delayed Fracture carbon segregation

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:2010—09—06