改善含銅、銻耐候鋼表面質量的生產實踐①

高宇波，萬文華, 吳　煒，王日紅，滕力宏

(中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇 常州　213011)

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改善含銅、銻耐候鋼表面質量的生產實踐①

高宇波，萬文華, 吳煒，王日紅，滕力宏

(中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇 常州213011)

對含銅、銻低碳耐候鋼軋材表面裂紋的形成原因進行了分析，并提出了鋼液成分優化、連鑄工藝的調整措施，以及加熱爐內的溫度及氣氛的優化控制方法，從而實現了該耐候鋼軋材表面質量的顯著改善。

耐候鋼； 表面質量控制； 成分優化; 連鑄工藝

引　言

含銅、銻耐候鋼廣泛用于制造在高含硫煙氣中服役的省煤器、空氣預熱器、熱交換器和蒸發器等裝置設備，用于抵御含硫煙氣結露腐蝕。經過長期實踐應用，含銅、銻耐候鋼種被普遍認為是國內理想的“耐硫酸低溫腐蝕”用鋼材之一，且其對于鹽酸(HCl)、氫氟酸(HF)、苛性鈉(NaOH)、氯化鈉(NaCl)都有較強的耐腐蝕性能。此外，為了保持良好的焊接性能，碳含量不宜過高。目前該耐候鋼種市場需求好，然而，該鋼種的生產技術要求較高，特別是表面缺陷較為嚴重且分布普遍的問題已成為大家研究的一個重要課題。

Chen R Y[1]報道稱，通過加入與銅含量成1∶1或更高比例含量的鎳，可達到抑制銅脆的效果，然而，大量鎳元素的加入，不僅增加了生產成本，而且也加大了該鋼種耐腐蝕性能劣化的傾向；梁文[2]等則嘗試在耐候鋼中加入一定量的稀土，通過稀土鑭、鈰、釔對低熔點元素的固定作用降低了鎳的加入量，但是稀土在鋼中的應用尚不成熟，一方面稀土價格較貴，另一方面稀土處理不當反而會增加鋼中的夾雜，惡化鋼的性能，該方法的適用性有限且存有增加鋼液夾雜物的風險；Chihiro Nagasaki等[3]則通過加入元素硼起到了抑制含銅鋼中的銅在晶界富集的效果，但該控制方法僅停留在實驗室階段，適用性較為有限，難以向工業化生產廣泛推廣。

同樣值得注意的是，當前的研究大都僅針對煉鋼或軋制過程中的單一生產環節進行控制，而未有從成分設計開始到煉鋼鑄坯、鑄坯轉運、軋制成材的全流程過程控制，且鮮有涉及較高含量的銻對表面質量的影響，而本文將從生產該耐候鋼時煉鋼及軋鋼過程中的關鍵環節入手，在增強各控制流程兼容性的同時，使得實際生產該鋼種的過程中對表面質量的控制更具縝密性，且對于其它耐候鋼種同樣具有參考價值。

1　生產現狀

采用EAF-CONVERTER電轉爐冶煉+LF+VD+CCM+熱送+熱軋的工藝路線生產含銅、銻低碳耐候鋼。所生產耐候鋼的化學成分要求范圍如表1所示。

對該鋼種熱軋材進行酸洗檢查，發現該鋼種軋材表面通常存在呈密集分布的樹皮狀裂紋，裂紋深度頗深，其典型形貌及深度如圖1所示。

該鋼種表面缺陷較為嚴重且分布普遍的問題不僅對產品質量的穩定性存在較大程度的影響，而且增加了后續軋材的表面精整工作量，既降低了成材率又增加了生產成本。

表1　化學成分/%

圖1　軋材表面裂紋典型形貌及深度

2　裂紋形成原因分析

首先，從表1可以看出，該鋼種碳含量正好處于包晶反應區，在結晶器內發生δ-Fe 向γ-Fe的轉變，該相變體積收縮大，坯殼線收縮量大，這使得結晶器壁與坯殼間空隙增大，因而極易引起熱流不均現象，從而導致鑄坯表面出現凹陷，進而產生裂紋等缺陷。

更重要的是，將連鑄坯表面扒皮后進行觀察檢測，發現存在晶界裂紋，其宏觀形貌如圖2所示。在掃描電子顯微鏡下觀察發現晶界裂紋處存在黑色物質和亮色的物質，如表2所示，進一步通過能譜分析發現黑色物質主要為鐵的氧化物，而亮色物質處的銅、銻含量明顯要高，且遠高于表1中所示的該鋼種基體的銅、銻濃度，這表明鑄坯晶界位置存在嚴重的銅、銻富集現象，Cu(熔點為1083 ℃)、Sb(熔點為630 ℃)均為低熔點元素，這些元素的富集將導致熱脆性[4-5]。銅、銻等低熔點合金元素不僅使得鑄坯在澆注過程中晶界易出現裂紋，導致后續所得軋材表面質量惡化，而且鑄坯在加熱爐內加熱時也存在銅、銻等低熔點元素的二次富集問題，從而進一步增加后續軋制過程出現裂紋的幾率。

圖3　鑄坯晶界裂紋的掃描電鏡能譜分析圖

表2　各譜圖化學成分/%

3　改進措施及控制效果

3.1冶煉成分優化及控制

綜合考慮與耐候鋼使用性能相關的耐大氣腐蝕性、強度和韌性、焊接性能，對具體冶煉成分進行如下控制：

1) 廢鋼及鐵水要求Sn,As等低熔點元素含量<0.010%，降低其對熱脆性能的影響；

2)成品C含量按成分要求中下限控制，保證良好焊接性能的同時降低熱變形抗力，減少軋制過程中裂紋的形成；

3)Cu是提高鋼的耐腐蝕性能最主要、最普遍使用的合金元素，Cu一般控制在0.35%以上，但是Cu元素容易在晶界產生富集，因此其含量不宜超過0.45%，進一步提高Cu的含量不僅對耐候性貢獻不大，反而極易引起銅脆；

4)Sb元素的加入在提高鋼的硬度和耐蝕性的同時也增加了鋼的脆性，Sb含量按成分要求的中下限進行控制；

5)Ni能與鋼液中的Cu、Sb等低熔點元素形成合金而有效抑制其在晶界的富集析出，通常Ni含量在0.10%以上才能起到緩解銅脆的作用，不過Ni元素是貴重金屬，因此加入適量Ni以抑制鋼的熱脆性并兼顧冶煉成本的經濟性；

6)Si，Mn，Cr分別按成分要求的中限控制，以實現良好的強韌性能及對耐蝕性的增補作用；

7)此外還加入適量Ti，進一步彌補碳含量低導致的強度不足；

8)P, S則分別控制在≤0.025%和≤0.015%范圍內。

3.2連鑄工藝優化及控制

1)連鑄坯斷面尺寸為220 mm×260 mm，連鑄過熱度穩定在15～25 ℃之間，這為后續采用較高拉速奠定工藝基礎的同時，也有利于降低Cu, Sb等低熔點元素在澆鑄過程中的偏析富集；

2)嚴格控制一冷水流量、進水溫度，一冷水進出口溫差范圍7～9 ℃，以保證鑄坯在結晶器內的弱冷及傳熱均勻性，同時使用包晶鋼專用保護渣，加強鑄坯與結晶壁間的潤滑，防止鑄坯表面出現凹陷及裂紋；

3)連鑄采用高拉速弱冷，現場可根據鋼液溫度及生產節奏進行適當調節，確保在進拉矯機前鑄坯表面及角部溫度不低于950 ℃，從而降低矯直裂紋的出現幾率；

4)相對提高出坯過程中鑄坯的冷卻速率，降低這個過程中低熔點元素，特別是Sb的析出速率，從而減輕其在鑄坯表層的富集，同時通過調節出坯輥道轉速，避免鑄坯在出坯過程中過度冷卻，確保鑄坯裝車溫度控制在600 ℃以上；

5)改善熱送車保溫罩的密封性及保溫性，減少熱送過程中鑄坯的溫降，提高鑄坯進入加熱爐的溫度，縮短鑄坯在加熱爐內所需的加熱時間。

3.3加熱制度及軋制工藝優化

將加熱爐內最高加熱溫度提高至1250 ℃，避免鑄坯在液態Cu相最強浸潤性及滲透性的溫度范圍內(1100～1200 ℃)長時間停留；同時生產該鋼種前后盡量安排熱送鋼種，提高出鋼節奏，將鑄坯在加熱爐內的加熱時間壓縮至125 min以內，加熱爐內控制弱還原性或中性氣氛，進一步緩解加熱過程中Cu, Sb等低熔點元素沿奧氏體晶界的二次富集。

3.4實施效果

采取上述控制措施后對鑄坯晶界成分進行分析，鑄坯晶界處出現亮色物質的頻率得到有效控制(如圖4所示)，Cu,Sb的富集濃度也較之前有了明顯降低(如表3所示)。

圖4　控制條件下鑄坯晶界處的掃描電鏡能譜分析圖

表3　控制條件下各譜圖化學成分

編號在狀態w(Cu)/%w(Sb)/%譜圖1是1.960.65譜圖2是2.310.72譜圖3是2.050.61

圖5　控制條件下軋材表面典型裂紋形貌及深度

控制條件下生產所得軋材表面典型形貌由樹皮狀裂紋轉變為少量斷續分布的三角淺裂紋，裂紋分布密集程度顯著改善，且裂紋深度也明顯降低，這在提高表面質量的同時也大大降低了后續軋材精整工序的工作量，縮短了生產周期，并提高了鋼材的成材率。

4　結　論

(1)本生產實踐方法發揮Ni對銅脆抑制作用的同時，大大降低了Ni的加入量，從而實現了該耐候鋼種表面質量的經濟化有效控制；

(2)通過鋼液成分設計、連鑄工藝優化及鑄坯出拉矯機后的冷卻控制，提高了鑄坯表面質量，并有效抑制了鑄坯冷卻過程中低熔點元素Cu，Sb在晶界的富集析出；

(3)采用鑄坯熱送和高溫快燒工藝，降低加熱成本的同時，減少爐內加熱時間，控制加熱溫度，盡量避開Cu，Sb滲透力最強的溫度區域，從而緩解了加熱過程中Cu，Sb等低熔點元素沿奧氏體晶界的二次富集；

(4)通過上述措施大大改善了由于鑄坯表面裂紋及晶界裂紋導致的軋材表面質量問題，有效提高了該含銅、銻低碳耐候鋼軋材的表面質量。

[1]CHEN R Y, YUEN W Y D..Copper enrichment behaviors of copper containing steel in simulated thin slab casting processes[J]. ISIJ International, 2005, 45(6):807—816.

[2]Chihiro Nagasaki, Masashi Kaga, Koji Shibata, et al. Effect of boron on copper induced surface hot shortness of 0.1% carbon steel[J]. ISIJ International, 2002, 42(S):57—61.

[3]梁文, 陳吉清, 許竹桃，等.耐酸鋼邊部缺陷分析及改進措施[J]. 物理測試, 2011,(S1): 17—20.

[4]劉友榮, 穆海玲, 萬蘭鳳，等. 耐腐蝕鋼“銅脆”成因及防止措施[J]. 梅山科技, 2010,(1):27—30.

[5]耿明山, 王新華, 張炯明. 鋼中殘余元素在連鑄坯和熱軋板中的富集行為[J]. 北京科技大學學報, 2009，31(3):300—305.

2016-02-26

高宇波(1984—)，男，工程師。E-mail:gybcsu@163.com

TG142.7