唐鋼新區(qū)中型產(chǎn)線熱軋角鋼生產(chǎn)工藝優(yōu)化探析

張子超， 李 剛， 姜名貞

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司， 河北 唐山 063009）

河鋼集團(tuán)唐鋼公司（以下簡稱唐鋼）新區(qū)中型車間于2021 年年初建成投產(chǎn)，投產(chǎn)以后，面臨著承接老線產(chǎn)品的重要任務(wù)，角鋼產(chǎn)品則是重中之重。由于中型產(chǎn)線投產(chǎn)時(shí)間早于為中型供坯的4 號連鑄機(jī)，在中型投產(chǎn)初期，只能使用其他連鑄機(jī)生產(chǎn)的165 mm×165 mm 方坯生產(chǎn)小規(guī)格角鋼，在此期間生產(chǎn)的角鋼，表面質(zhì)量符合要求，未出現(xiàn)開裂、夾渣等表面缺陷。4 號連鑄機(jī)投產(chǎn)后，中型利用4 號連鑄機(jī)產(chǎn)出的165 mm×280 mm 矩形坯積極組織大規(guī)格角鋼開發(fā)，在生產(chǎn)過程中，角鋼出現(xiàn)大批量的開裂缺陷，且大部分角鋼均存在頂角開裂，由于這一缺陷無法進(jìn)行修磨處理，因此不但增加了角鋼開發(fā)的成本投入，也打擊了角鋼產(chǎn)品研發(fā)人員和生產(chǎn)人員的積極性，嚴(yán)重阻礙了角鋼產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。為此，對角鋼全流程生產(chǎn)工藝進(jìn)行梳理、分析，查找開裂產(chǎn)生原因并進(jìn)行優(yōu)化勢在必行。

1 角鋼生產(chǎn)工藝

唐鋼新區(qū)長材事業(yè)部角鋼產(chǎn)品生產(chǎn)工藝為轉(zhuǎn)爐—精煉—連鑄—加熱爐加熱—軋制—精整—收集。Q355 鋼坯主要工藝參數(shù)如表1 所示。由表1 可知，唐鋼新區(qū)煉鋼連鑄工序，轉(zhuǎn)爐采用了擋渣錐定位擋渣，與傳統(tǒng)工藝使用的擋渣球擋渣相比擋渣率大幅提高，出鋼帶渣量明顯減少。連鑄機(jī)為六流連鑄機(jī)且結(jié)晶器具備液位自動(dòng)控制的能力，與傳統(tǒng)的人工手動(dòng)控制相比，結(jié)晶器液位波動(dòng)較小，能夠控制在±3 mm 以內(nèi)。連鑄機(jī)拉速按照老區(qū)經(jīng)驗(yàn)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 角鋼的主要生產(chǎn)工藝參數(shù)

中型軋鋼產(chǎn)線為先進(jìn)的半連軋型鋼生產(chǎn)線，配備有蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐一座，BD 開坯軋機(jī)兩架，采用連續(xù)式布置7 架的二輥軋機(jī)，并配有多級除磷，用以保證型鋼表面質(zhì)量。使用165 mm×165 mm 方坯及165 mm×280 mm 矩形坯軋制相應(yīng)規(guī)格角鋼的壓縮比見表2。如表2 所示，鑄坯斷面由165 mm×165 mm更換為165 mm×280 mm 后，對軋制相應(yīng)品種的壓縮比變化不大，因此鑄坯斷面的變化，不會對產(chǎn)品的表面質(zhì)量及性能產(chǎn)生影響，也并非導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的原因。

表2 兩種鑄坯斷面軋制角鋼的壓縮比

2 角鋼開裂的原因分析

唐鋼新區(qū)角鋼的生產(chǎn)工藝較為先進(jìn)，但角鋼產(chǎn)品質(zhì)量卻未達(dá)到理想狀態(tài)。而軋制過程中的鑄坯斷面變化并非導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的原因，因此為找到缺陷產(chǎn)生的原因，首先對開裂缺陷的位置及形態(tài)進(jìn)行了分析。

2.1 角鋼開裂的位置及形態(tài)

通過肉眼觀察，角鋼開裂在腿端及頂角處表現(xiàn)明顯。

如圖1-1，開裂缺陷在腿端表現(xiàn)為肉眼可見的發(fā)絲狀紋路，且通條鋼材密布；圖1-2 顯示，開裂缺陷在角鋼頂角處表現(xiàn)為明顯的裂口；角鋼表面其他位置無肉眼可見裂紋。由于不能確定角鋼內(nèi)外側(cè)表面是否存在裂紋，同時(shí)為了更加直觀的開裂的形態(tài)，對存在開裂的角鋼取樣做酸洗低倍觀察。

圖1 角鋼成品的缺陷形態(tài)

如圖2 所示，經(jīng)過酸洗除去表面的氧化皮之后，酸洗前表面存在開裂缺陷的位置，開裂更加明顯，角鋼整體均表現(xiàn)出凹坑、邊部裂紋，如圖2-1；頂角的裂口酸洗后更加明顯，如圖2-2；腿端的發(fā)絲狀裂紋，不再表現(xiàn)為閉合狀，而是呈現(xiàn)出向深處擴(kuò)展的跡象，如圖2-3；酸洗之前未見明顯開裂的外表面，在酸洗之后，也出現(xiàn)了眾多的凹坑，如圖2-4。

圖2 角鋼酸洗后的缺陷形態(tài)

開裂缺陷在角鋼的整個(gè)外表面都有分布，尤其以頂角、端部最為嚴(yán)重，這個(gè)缺陷的存在，由于不能修磨處理，因此不但增加了角鋼開發(fā)的成本投入，也打擊了角鋼產(chǎn)品研發(fā)人員和生產(chǎn)人員的積極性，嚴(yán)重阻礙了角鋼產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。

2.2 角鋼開裂的原因

為了確定角鋼開裂缺陷的形成原因，針對圖1 中的缺陷進(jìn)行了金相分析和電鏡掃描，裂紋處脫碳不明顯，基體(鐵素體+珠光體)與裂紋附近的金相分析見圖3-1、圖3-2，試樣中夾雜物評級為A 類2.0 級，滿足使用要求。

圖3 角鋼裂紋處金相

同時(shí)，對缺陷處及附近位置進(jìn)行了能譜掃描，如圖4 所示，未發(fā)現(xiàn)除O、Fe 以外的其他異常元素。

圖4 能譜掃描結(jié)果

通過以上分析，開裂位置未發(fā)現(xiàn)O、Fe 以外的其他異常元素，脫碳不明顯，初步判斷開裂原因?yàn)殍T坯存在較大中心縮孔和皮下氣泡、微裂紋等，遺傳至軋鋼工序造成。

為了進(jìn)一步確認(rèn)開裂原是否是因?yàn)殍T坯缺陷遺傳至軋鋼工序造成的，對本批次鑄坯取樣，進(jìn)行鑄坯表面和內(nèi)部低倍分析。

鑄坯低倍檢測結(jié)果顯示鑄坯有不同程度的內(nèi)部裂紋和皮下氣泡缺陷，如圖5 所示，與165 mm 方坯低倍質(zhì)量相差較大。

圖5 Q355B 鑄坯的低倍形貌

鑄坯低倍顯示，角部裂紋、邊部裂紋和中間裂紋嚴(yán)重，尤其邊部裂紋、角部裂紋距離鑄坯表面僅3～5 mm，皮下氣泡也較為發(fā)達(dá)。在軋機(jī)軋制過程中，邊部裂紋、角部裂紋由于距離表面較近，無法被軋合，而皮下氣泡由于軋機(jī)的反復(fù)碾壓、摩擦，逐漸破裂、延展隨著表面氧化鐵皮的脫落，完全暴露出來，形成圖2 中各種形態(tài)的裂紋。

目前鑄坯中存在的主要缺陷集中于內(nèi)部裂紋與皮下氣泡兩類缺陷。由于低合金鑄坯表面延伸率允許范圍為1.5%～2.0%[1]，而連鑄機(jī)拉鋼速度較高時(shí)，鑄坯進(jìn)入矯直區(qū)時(shí)，鑄坯內(nèi)弧表面的拉伸矯直延伸率將達(dá)到上限，極易產(chǎn)生皮下裂紋，同時(shí)由于合金鋼對裂紋較敏感，二冷區(qū)比水量高也易使鑄坯產(chǎn)生裂紋；當(dāng)選用保護(hù)渣黏度高，澆注用保護(hù)渣潮濕，澆注時(shí)保護(hù)渣在形成燒結(jié)層過程中水分蒸發(fā)，部分在高溫下裂解為氫氣和氧氣，靠近鋼水一側(cè)氣體析集于皮下造成皮下氣泡[2]。

3 角鋼生產(chǎn)工藝優(yōu)化

3.1 連鑄工藝優(yōu)化

為了提高鑄坯表面質(zhì)量，降低甚至消除內(nèi)部裂紋及皮下氣泡，對連鑄工藝進(jìn)行了優(yōu)化，如表3 所示。

表3 連鑄工藝參數(shù)優(yōu)化前后對比

在表3 中，連鑄坯的拉速由1.6～2.0 m/min，降低至1.2～1.4 m/min，穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏，增加鑄坯結(jié)晶時(shí)間，使鋼水內(nèi)氣體有充足時(shí)間上浮，析出鋼水內(nèi)部，同時(shí)拉速的降低使得鑄坯進(jìn)矯直區(qū)時(shí)的表面延伸率達(dá)到了安全范圍，降低了裂紋產(chǎn)生的可能性；二冷區(qū)的冷卻比水量由0.9 L/kg 降至0.6 L/kg，降低了鑄坯表面冷卻強(qiáng)度；通過使用低黏度保護(hù)渣替代高粘度保護(hù)渣，同時(shí)增加保護(hù)渣烘烤，消除了之前鑄坯存在的表層夾渣現(xiàn)象，解決了鑄坯表層氣泡問題。通過以上優(yōu)化，鑄坯質(zhì)量得到了顯著提高，鑄坯中間裂紋基本消除，與165 mm 方鑄坯質(zhì)量基本一致，滿足了鑄坯質(zhì)量要求；改進(jìn)后的鑄坯低倍結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后的Q355B 鑄坯的低倍形貌

3.2 角鋼軋制工藝優(yōu)化

為了解決角鋼頂角開裂缺陷，降低連鑄工藝優(yōu)化難度，減輕連鑄工藝人員壓力，軋鋼工序同時(shí)開展了孔型優(yōu)化攻關(guān)，由于觀察到角鋼軋制過程中，粗軋多道次軋槽[3]頂角未充滿，因此主要優(yōu)化方向?yàn)樵诓挥绊懗善讽斀浅叽绲那疤嵯略黾哟周埧仔偷捻斀菈合铝浚黾禹斀浅錆M度[4]，盡量消除因鑄坯表面微小缺陷造成的角鋼頂角缺陷，160 mm 角鋼粗軋道次壓下率優(yōu)化如表4 所示。

表4 160 mm 角鋼粗軋道次壓下率優(yōu)化前后對比 %

以K8 孔為例，軋制工藝優(yōu)化前后的軋槽槽底形貌對比如圖7 所示。在軋制過程中，軋槽在高溫及冷卻水的作用下，會產(chǎn)生一層薄薄的氧化皮，在軋件通過后，氧化皮會因軋件與軋槽表面的摩擦而去除，因此與軋件接觸軋槽表面會呈現(xiàn)為光亮狀，而未能與軋件接觸（鋼料未填充至頂角位置，即鋼料未充滿）的軋槽表面會呈現(xiàn)為帶銹狀。如圖7-1 所示，優(yōu)化前，軋槽兩側(cè)呈現(xiàn)為光亮狀，中間位置（中間位置為軋槽頂角位置）呈現(xiàn)為帶銹狀；而優(yōu)化后，整個(gè)軋槽均呈現(xiàn)為光亮狀，如圖7-2 所示，證明軋槽已完全充滿。通過優(yōu)化前后軋槽槽底形貌對比圖可以看出160 mm 角鋼粗軋道次壓下率優(yōu)化效果十分顯著，鋼料充滿了整個(gè)軋槽，成功提高了軋制過程對坯料表面的加工能力，進(jìn)而提高了消除坯料表面細(xì)微缺陷的能力。

圖7 160 mm 角軋制工藝優(yōu)化前后的K8 軋槽槽底形貌對比

通過對連鑄工藝優(yōu)化，鑄坯質(zhì)量得以大幅提升，配合軋鋼工藝中粗軋道次頂角壓下量的增加，角鋼的頂角缺陷、腿端的發(fā)紋缺陷均得到了解決，表面質(zhì)量已完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，角鋼開發(fā)進(jìn)程上的一大難題得以解決，工藝優(yōu)化完成后的角鋼形貌如圖8 所示。下一步將聚焦角鋼腿長尺寸，進(jìn)行角鋼偏角（一側(cè)超長一側(cè)偏短）問題攻關(guān)，爭取早日完成角鋼產(chǎn)品開發(fā)。

圖8 工藝優(yōu)化完成后的角鋼形貌

4 結(jié)論

Q355 角鋼成品產(chǎn)生頂角開裂及腿端發(fā)紋缺陷，與坯型斷面無關(guān)，與鑄坯質(zhì)量有關(guān)，根源是矩形鑄坯存在內(nèi)部裂紋及皮下氣泡缺陷。通過降低連鑄拉速，穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏，增加鑄坯結(jié)晶時(shí)間，降低鋼水內(nèi)氣體含量，控制鑄坯的拉矯延伸率，避免鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋；同時(shí)通過降低連鑄機(jī)二冷配水的比水量、優(yōu)水嘴型號降低鑄坯窄面冷卻強(qiáng)度，鑄坯內(nèi)部裂紋基本消除；通過改進(jìn)保護(hù)渣類型，使用低黏度保護(hù)渣替代高黏度保護(hù)渣，同時(shí)增加了保護(hù)渣烘烤，解決了鑄坯表層氣泡問題，鑄坯質(zhì)量較之前顯著提升；同時(shí)，優(yōu)化角鋼孔型設(shè)計(jì)，增加粗軋孔型的頂角軋槽充滿度，提高了軋制過程消除坯料表面細(xì)微缺陷的能力。通過采取以上措施，角鋼開裂問題得以解決，成功推進(jìn)了角鋼產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。