Cr-V-Al微合金化SWRH82B鋼生產工藝研究

白澈力格爾，王忠偉，牟貝成，博 宇

（天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津 300352）

0 引言

SWRH82B 是日系標準的高強度預應力鋼絞線盤條用鋼，所生產的預應力鋼絞線主要用于高層建筑和大型橋梁等的結構，要求抗拉強度≥1100MPa，斷面收縮率≥25%，因此對鋼質的化學成分、純凈度以及組織結構要求非常高。由于市場對SWRH82B預應力鋼絞線使用性能的要求不斷提高，對SWRH82BΦ13mm 盤條抗拉強度的要求已超過了1180MPa，目前天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司（后稱榮程鋼鐵）采用JIS G3506 日系標準生產的SWRH82BΦ13mm 盤條已無法滿足市場需求。因此，在現有標準的基礎上開展微合金強化工藝研究是有必要的，這是進一步提高SWRH82BΦ13mm 盤條抗拉強度的有效途徑。

為了應對SWRH82B 硬線鋼盤條日益苛刻的市場要求，榮程鋼鐵開展了硬鋼線材微合金強化工藝的研究。本文對SWRH82B鋼成分微合金強化工藝進行了分析，介紹了SWRH82B 鋼的生產工藝控制要點，并對Cr-V-Al 微合強化后生產的SWRH82B鋼的質量進行了檢測分析。

1 SWRH82B生產工藝簡介

榮程鋼鐵煉鋼系統配備有3 座120 噸頂底復吹轉爐、4 座LF 爐、1 座VD 爐、1 臺六機六流Φ250mm圓坯連鑄機，于2015 年引進了新日鐵中包等離子加熱設施，該設施可實現連鑄低過熱度恒溫澆注；高速線材軋鋼系統配備的是美國摩根六代軋機，處于世界領先水平。榮程鋼鐵在預應力鋼絞線盤條生產領域有著豐富的經驗和技術積累，在當前天津鋼絞線市場中，產品處于領軍地位。榮程鋼鐵在預應力鋼絞線用盤條生產技術方面有著獨到的經驗，其中轉爐終點控制技術、精煉渣系調整及夾雜物脫除技術、鑄坯偏析控制技術等均處于行業領先水平。

目前榮程鋼鐵SWRH82B預應力鋼絞線用盤條的生產工藝為：120 噸轉爐→LF 精煉→VD 真空精煉→Φ250mm 連鑄圓坯（結晶器電攪和末端電攪）→鑄坯緩冷→高速線材軋制→斯太爾摩空冷。

2 SWRH82B微合金化生產工藝控制

2.1 化學成分微合金化控制

目前的JIS G3506 日系標準無法滿足市場需求，因此需要在此標準的基礎上研發硬線鋼微合金強化工藝，如：Cr-V-Al 微合金強化等。SWRH82B鋼Cr-V-Al 成分微合金化成分控制要求如表1 所示，力學性能控制要求如表2所示。

表1 SWRH82B鋼的化學成分控制

表2 SWRH82B鋼的力學性能控制

V 微合金化強化可有效阻止奧氏體晶粒的長大，細化晶粒的同時可以降低貝氏體、馬氏體出現的幾率。

Cr 微合金強化可使SWRH82B 鋼CCT 曲線向右上移動，從而細化珠光體片層間距，易形成索氏體組織，從而提高鋼材強度[1]。

Al 微合金強化與鋼水中所形成的AlN 有關，AlN在鋼水中飽和時鋼中Al含量為0.020%，具有顯著的細化晶粒作用，從而提高鋼材的強度和塑性。但Al脫氧能力較強，易形成Al2O3夾雜，影響鋼材的性能，因此對鋼水冶煉、精煉、鈣處理、連鑄保護澆注等工藝操作要進行嚴格把控，避免鋼水中的Al二次氧化。

2.2 煉鋼生產工藝控制要點

2.2.1 轉爐工序

轉爐采取高拉碳出鋼：要求出鋼時C＞0.15%，P≤0.012%，溫度≥1580℃，減少補吹現象，爐渣堿度要求3.0～3.8。

轉爐出鋼過程合金加入順序：人造石墨→硅錳合金、硅鐵、高碳鉻鐵、鋁條→白灰。鋁條加入量為0.8～1.0kg/t，視轉爐終點C含量情況適當調節。

2.2.2 LF爐工序

LF 爐采取微正壓操作，嚴格控制鋼包底吹Ar量，避免鋼水裸露導致Al 二次氧化。渣料加入量≥800kg，堿度要求3.0～4.5，渣中FeO+MnO＜1.0%。調成分采取窄成分控制模式，使用碳線進行微調鋼水C 含量，并均勻鋼水中C 含量。形成白渣后少量勤弱脫氧，全程白渣精煉。處理結束后進行鈣處理，Ca/Al=0.09～0.13，軟吹時間保持15min以上。

2.2.3 VD爐工序

VD 爐真空度達到0.5 托以下，然后高真空度保持時間≥15min，總真空時間≥20min，真空處理前期氬氣壓力0.2～0.4MPa，真空處理后期氬氣壓力0.4～0.6MPa。

2.2.4 連鑄工序

連鑄采取中間包等離子加熱工藝，實現恒溫、恒拉速和低過熱度穩定澆注。連鑄澆注斷面為Φ 250mm 的圓坯，恒拉速1.1m/min，穩定過熱度在15±3℃。采用首末端電磁攪拌工藝，結晶器電磁攪拌（單項）參數3Hz、450A，末端電磁攪拌（單項）參數10Hz、500A。

2.3 軋制生產工藝控制要點

為滿足所需要的組織和性能，對SWRH82BΦ 13mm 盤條軋制溫度控制參數進行了優化調整。SWRH82BΦ13mm 盤條鋼的軋制溫度參數如3 所示。SWRH82BΦ13mm 盤條實際軋制過程中，相變區溫度參數控制情況如圖1所示。

由圖1 可以看出，從吐絲機至6#風機尾部，盤條溫度從870℃降至610℃，由于高溫熱輻射及風機強冷的對流傳熱，盤條溫度下降較快，冷卻速率達到11.0℃/s。在7～9#風機處，盤條發生劇烈相變，由于相變潛熱的釋放，盤條回溫至最高642℃，此區間的相變放熱與風機強冷的散熱達到熱平衡，隨后相變逐漸減弱，在風機冷卻的作用下，溫度逐步降低，在14#風機后，盤條溫度降至596℃。

圖1 相變區溫度控制情況

表3 SWRH82BΦ13mm盤條軋制溫度控制參數

3 質量檢驗與分析

3.1 化學成分控制情況

通過對200爐SWRH82B熱軋盤條進行取樣分析，化學成分情況如表4 所示。由表4 可以看出，SWRH82B 化學成分控制采取窄成分控制，盤條C含量波動±0.015%、Si含量波動±0.015%、Mn含量波動±0.015%、Cr 含量波動±0.01%、V 含量波動±0.001%、Al含量波動±0.0045%。

表4 SWRH82B鋼的盤條化學成分

3.2 力學性能控制情況

對SWRH82B 鋼200 爐鑄坯軋制后的Φ13mm盤條力學性能檢測結果進行統計，統計情況如表5所示。由表5可以看出，SWRH82B 鋼經過Cr-V-Al微合金強化后，其Φ13mm 熱軋盤條在線檢測平均抗拉強度達到1194MPa，平均斷面收縮率達到30%。 經人工時效后，其平均抗拉強度為1200MPa，平均斷面收縮率為42%。

表5 SWRH82B盤條力學性能檢測結果

為準確了解每卷熱軋盤條的力學性能的均勻性，對每卷盤條的前、中、后取樣分析力學性能，共計抽查15卷。利用Minitab 統計軟件對抗拉強度和斷面收縮率進行統計分析，制Xbar-R 控制圖（子組平均值—子組極差值），體現同卷盤條力學性能的均勻性，具體情況如圖2所示。

由圖2 可以看出，同卷盤條平均抗拉強度為1196.98MPa，子組間平均極差值為14.93MPa；同卷盤條平均斷面收縮率為31.022%，子組間平均極差值為3.4%。子組間的平均值和極差值的分布都在上控制限UCL 和下控制限LCL 范圍內，表明同卷力學性能較穩定且均勻，符合該鋼種力學性能控制標準。

圖2 抗拉強度和斷面收縮率Xbar-R控制圖

3.3 非金屬夾雜物檢測

表6 為SWRH82B 鋼非金屬夾雜物統計情況。由表6 可以看出，通過對SWRH82B 鋼冶煉、精煉、鈣處理、連鑄保護澆注等操作工藝的優化調整和嚴格把控，其熱軋盤條非金屬夾雜物類型和等級符合該鋼種的控制標準。但由于Al是強脫氧劑，冶煉過程中易產生點狀的Al2O3夾雜物，雖然在冶煉過程中做好相關防護措施，但鋼水中仍存在B 類（氧化鋁類）細系夾雜物，B類細系夾雜形貌如圖3所示。

圖3 B類細系夾雜

表6 SWRH82B鋼的盤條非金屬夾雜物檢測結果

因此，SWRH82B 鋼在爐外精煉過程中應盡可能避免鋼水裸露，并延長軟吹時間，提高Al2O3夾雜物的上??；在開澆時對中間包進行氬氣吹掃，澆注過程做好大包套管的氬氣保護和中間包的密封套圈的維護工作，避免澆注過程中鋼水與空氣接觸發生Al燒損，產生Al2O3夾雜物，影響鋼水純凈度。

3.4 高倍組織

對SWRH82B 鋼進行高倍組織檢測，檢測結果如表7、圖4、圖5所示。

表7 SWRH82B盤條高倍組織檢測結果

圖4 晶粒度

圖5 珠光體片層間距

由上述檢測結果可以看出，Cr-V-Al 微合金化強化后的SWRH82B鋼熱軋盤條的金相組織符合該鋼種的控制標準，晶粒度在7.5～8.0 級，珠光體片層 間 距 在0.18～0.20μm。 研 究 表 明，影 響SWRH82B 鋼種拉拔性能的主要因素為珠光體片層間距，極限拉拔值最高時的珠光體片層間距在0.15～0.20μm[2]，因此該鋼種盤條適合拉拔。

3.5 氣體含量分析

對SWRH82B 鋼進行氣體含量分析。分析結果：氧含量9～26ppm，平均值為12.3ppm；氮含量25～40ppm，平均值為31.6ppm。

4 結語

實踐表明，通過對SWRH82B 鋼成分Cr-V-Al微合金化成分控制，以及對該鋼種冶煉、精煉、鈣處理、連鑄保護澆注等操作工藝的優化調整和嚴格把控，所生產的Φ13mm 熱軋盤條力學性能完全能夠滿足預應力鋼絞線的市場要求。

（1）轉爐采用高碳出鋼，LF爐嚴格執行窄成分控制，碳線微調鋼水碳含量，保障了鋼水成分均勻，從而穩定了盤條力學性能。盤條同卷平均抗拉強度為1196.98MPa，子組間平均極差值為14.93MPa；同卷平均斷面收縮率為31.022%，子組間平均極差值為3.4%。

（2）SWRH82B 鋼的Cr-V-Al 微合金化，有效細化晶粒的同時，減小了珠光體片層間距，提高了SWRH82B 鋼Φ13mm 盤條的強度和塑性。盤條平均索氏體化率為88.4%、平均索氏體片層間距為0.20μm、平均抗拉強度為1200MPa、平均延伸率為11%、平均斷面收縮率42%，盤條力學性能達到工藝質量需求。

（3）Al在鋼水中脫氧能力較強，并且有細化晶粒作用。 通過將SWRH82B 鋼Al 含量提高至0.010%～0.040%后，盤條平均O含量達到12.3ppm，非金屬夾雜物中B 類細系夾雜≤0.5 級，晶粒度達到7.5～8.0級，珠光體片層間距在0.18～0.20μm。