天鋼X52管線鋼縱向裂紋控制實踐

吳 濤

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

隨著我國石油開采深度和產(chǎn)量不斷提高，石油行業(yè)對管線鋼的需求日益增加。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（下稱天鋼）根據(jù)自身生產(chǎn)裝備的特點，結(jié)合管線鋼的性能要求，開發(fā)了美標(biāo)牌號X52管線鋼，其主要生產(chǎn)工藝流程為鐵水→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF爐精煉→板坯連鑄→中厚板軋機(jī)→成品檢驗→入庫。天鋼在生產(chǎn)X52管線鋼過程中，發(fā)現(xiàn)成品板表面出現(xiàn)縱向裂紋缺陷。通過對該爐未軋制鑄坯檢驗，發(fā)現(xiàn)鑄坯表面也存在表面縱向裂紋，其形貌與鋼板表面缺陷類似，由此判定鋼板表面裂紋缺陷是由于鑄坯表面縱裂導(dǎo)致。為尋找裂紋產(chǎn)生的原因，采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析儀對鑄坯裂紋缺陷部位試樣進(jìn)行了檢測。檢測發(fā)現(xiàn)，鑄坯裂紋部位存在保護(hù)渣成分，因此可以判定鑄坯表明裂紋屬于結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固過程產(chǎn)生的熱裂紋，裂紋中保護(hù)渣成分是由于液態(tài)保護(hù)渣流入表面裂紋內(nèi)部所致[1]。

本文介紹了天鋼生產(chǎn)X52管線鋼的工藝流程及技術(shù)要求，依據(jù)金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析儀對裂紋缺陷部位試樣的檢測結(jié)果，結(jié)合天鋼X52管線鋼生現(xiàn)狀，分析了X52管線鋼鑄坯縱向裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，并據(jù)此提出了相應(yīng)的控制措施。

1 X52管線鋼生產(chǎn)技術(shù)要求

X52管線鋼化學(xué)成分要求見表1，X52管線鋼力學(xué)性能要求見表2。

表1 X52管線鋼化學(xué)成分要求 %

表2 X52管線鋼力學(xué)性能要求

2 X52管線鋼成品表面裂紋產(chǎn)生原因分析

圖1為X52管線鋼板表面縱向裂紋的宏觀形貌。由圖1可以看出，該類型裂紋常以一條寬大的長裂紋形式存在于鋼板大致中間的位置，有的為斷續(xù)狀，嚴(yán)重的沿長度方向貫穿整張鋼板，裂紋大部分深度較深，裂口較寬。

圖1 X52管線鋼板表面縱向裂紋宏觀形貌

通過對該爐未軋制鑄坯進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)其他鑄坯也存在表面縱向裂紋，其形貌與鋼板表面缺陷相類似。因此，本文重點對X52管線鋼鑄坯表面裂紋缺陷進(jìn)行分析研究。

3 X52管線鋼鑄坯裂紋產(chǎn)生原因分析

3.1 X52管線鋼鑄坯表面裂紋檢測

天鋼生產(chǎn)的X52管線鋼鑄坯斷面為250mm×2100mm，鑄坯表面縱向裂紋主要發(fā)生在鑄坯寬面的二分之一區(qū)域，表面縱向裂紋凹陷形貌是向下的，深度為2mm左右，裂紋寬度為1mm左右，鑄坯裂紋處宏觀形貌圖如2所示。通過在裂紋缺陷處取樣，進(jìn)行金相顯微鏡觀察，鑄坯裂紋處金相組織形貌如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，裂紋附近組織為鐵素體+珠光體，沒有明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋起始處細(xì)晶區(qū)長度不足1mm。

圖3 鑄坯裂紋處金相組織形貌

通過對鑄坯裂紋缺陷部位掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋末端存在夾雜物，鑄坯裂紋處掃描電鏡觀察形貌如圖4所示。采用能譜儀對裂紋部位夾雜物成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示，由圖5可以看出，X52管線鋼鑄坯裂紋處夾雜物主要元素為Ca、Si、Na、S、O，該類夾雜物成分與保護(hù)渣成分類似。

圖2 鑄坯裂紋處宏觀形貌

圖4 鑄坯裂紋處掃描電鏡形貌

圖5 夾雜物能譜分析結(jié)果

3.2 成品鑄坯裂紋產(chǎn)生原因分析

根據(jù)X52管線鋼鑄坯表面裂紋的宏觀形貌、組織形貌、掃描電鏡及能譜分析結(jié)果，初步判斷X52管線鋼鑄坯表面裂紋發(fā)生在連鑄結(jié)晶器內(nèi)。由于X52鋼化學(xué)成分中C元素含量處于包晶區(qū)范圍，鋼水在結(jié)晶器中凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)晶器中鑄坯坯殼厚度不均勻，出現(xiàn)薄弱部分。而此時結(jié)晶器中坯殼會受到鑄坯凝固過程的相變應(yīng)力、凝固傳熱時的熱應(yīng)力、結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)鋼水的壓應(yīng)力等外力作用，當(dāng)外力之合超過坯殼能夠承受的應(yīng)力時，再加上此時結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣潤滑作用不佳等因素，坯殼的薄弱部位會首先形成微裂紋，微裂紋會慢慢擴(kuò)展，最后形成表面裂紋，然后保護(hù)渣的液渣層就會流入鑄坯表面裂紋內(nèi)部[2]。

4 鑄坯結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生裂紋影響因素分析

通過工藝跟蹤和深入剖析，最終認(rèn)為鋼水溫度、鋼水碳含量、保護(hù)渣性能、鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻的熱流密度以及結(jié)晶器中鋼水液位異常波動，是導(dǎo)致鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生裂紋的主要影響因素。

4.1 鋼水溫度影響

當(dāng)鋼水過熱度偏低時，保護(hù)渣熔化緩慢、液渣層較薄、容易結(jié)殼且流入不均勻，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長薄厚不均勻，在坯殼薄弱處容易產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)過熱度偏高時，結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度減薄，從而導(dǎo)致坯殼強(qiáng)度降低，在鑄坯受到同樣外力時，坯殼容易產(chǎn)生表面裂紋。

4.2 鋼水成分影響

X52鋼化學(xué)成分中碳含量處于包晶區(qū)域，該鋼種在凝固過程會發(fā)生包晶反應(yīng)。在Fe-C平衡相圖上，鋼水中C元素含量在0.08～0.10%范圍時，凝固過程會產(chǎn)生包晶反應(yīng)。當(dāng)鋼水中C元素含量在0.09%時，高溫鐵素體會100%轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)換為奧氏體，此時凝固過程體積收縮量最大，導(dǎo)致鑄坯坯殼與結(jié)晶器銅板之間出現(xiàn)較大的間隙，如果液態(tài)保護(hù)渣流入不均勻，則會導(dǎo)致坯殼傳熱不均，從而使初生坯殼薄厚生長不均勻。因此，在滿足該鋼種性能要求的前提下，要調(diào)整X52鋼種碳含量，使其應(yīng)盡量遠(yuǎn)離包晶點，碳含量控制應(yīng)盡量向下限靠近，以避開包晶反應(yīng)區(qū)。

4.3 保護(hù)渣結(jié)構(gòu)及性能影響

保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)部熔化，并形成三層結(jié)構(gòu)：粉渣層、熔融層、液渣層。這三層結(jié)構(gòu)中液渣層厚度最為重要，合理的液渣層厚度能夠保證液態(tài)保護(hù)渣均勻流入到結(jié)晶器與坯殼之的間隙里面，保證鑄坯和結(jié)晶器銅板間的潤滑和傳熱，液渣層的厚度主要受保護(hù)渣的熔點、熔速、黏度及結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場等因素的影響。對于X52包晶鋼來說，當(dāng)液渣厚度低于8mm時，會導(dǎo)致液渣不能均勻地流入結(jié)晶器銅板和鑄坯間縫隙內(nèi)，鑄坯極易產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)保護(hù)渣的液渣層厚度為8～12mm時，鑄坯表面裂紋產(chǎn)生幾率最低。

此外，保護(hù)渣液渣層厚度及均勻性與保護(hù)渣的黏度有很大的關(guān)系。當(dāng)保護(hù)渣黏度過低時，會使液渣層厚度增加，導(dǎo)致其厚度不均勻，鑄坯極易產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)保護(hù)渣黏度過高時，保護(hù)渣流動性變差，導(dǎo)致保護(hù)渣液渣很難流入到結(jié)晶器銅板和鑄坯間縫隙內(nèi)，使鑄坯潤滑作用下降，也會造成鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。

4.4 結(jié)晶器內(nèi)鋼水熱流密度影響

將鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的熱流密度控制在臨界熱流密度以下，可以有效防止包晶鋼鑄坯產(chǎn)生裂紋。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，低碳鋼的臨界熱流密度為3.0MW/m2，中碳鋼的臨界熱流密度為2.0MW/m2。因此在X52管線鋼澆鑄過程中，應(yīng)控制鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的熱流密度遠(yuǎn)離臨界值，降低X52管線鋼在結(jié)晶器內(nèi)熱裂傾向。

4.5 結(jié)晶器液位波動影響

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]，結(jié)晶器液面波動幅度高于液渣厚度時，就會阻礙液渣均勻流入結(jié)晶器銅板和鑄坯間縫隙內(nèi)，導(dǎo)致鑄坯坯殼生長不均勻，同時因鑄坯表面潤滑效果不好，所受外力作用加大，容易引發(fā)鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。在實際生產(chǎn)中導(dǎo)致結(jié)晶器液面出現(xiàn)異常波動因素主要有：結(jié)晶器浸入式水口對中不好，浸入式水口浸入深度與拉速不匹配，連鑄過程中頻繁變動拉速，連鑄二冷區(qū)鑄坯鼓肚等。

5 X52鑄坯表面裂紋缺陷的控制措施

5.1 合理控制鋼液過熱度

將連鑄中間包內(nèi)鋼液過熱度控制在20～35℃之間。主要措施包括：LF精煉控制合理吹氬流量、壓力和時長，保證鋼液溫度均勻；根據(jù)鋼包運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的溫降，制定合理的LF爐出站溫度；連鑄保證恒拉速澆鑄，避免頻繁變動拉速。

5.2 保證鋼水成分

在X52鋼化學(xué)成分設(shè)計時，其C元素含量盡量遠(yuǎn)離包晶區(qū)域，同時適當(dāng)提高M(jìn)n元素含量及控制鋼水中S元素含量在0.008%以下，保證錳硫比大于40。

5.3 調(diào)整保護(hù)渣結(jié)構(gòu)和性能

根據(jù)X52鋼實際生產(chǎn)情況，結(jié)合X52鋼種的性能特點，保護(hù)渣堿度控制在1.1、黏度控制在1.20Pa·s左右，這時能夠保持液渣層厚度穩(wěn)定在10mm左右，可以避免鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)鑄坯拉速為1.0m/min時，通過調(diào)整結(jié)晶器冷卻水的流量將結(jié)晶器內(nèi)鋼水熱流密度盡量控制在1.8～2.0MW/m2之間。

5.4 控制連鑄結(jié)晶器內(nèi)液位波動

在X52鋼生產(chǎn)過程中，對結(jié)晶器內(nèi)液位波動情況進(jìn)行了跟蹤和分析。X52鋼連鑄結(jié)晶器液面異常波動的原因及應(yīng)對措施見表3。

通過上述幾個方面控制措施的實施，天鋼X52鋼鑄坯表面裂紋得到了有效的控制，鑄坯表面裂紋不合格率由2021年0.97%降低到2022年0.18%，為軋制工序提供了合格的鑄坯。

6 結(jié)語

通過對天鋼生產(chǎn)美標(biāo)管線鋼X52過程中，出現(xiàn)的成品板表面縱向裂紋缺陷宏觀形貌的觀察，確認(rèn)這些裂紋缺陷是由鑄坯縱向裂紋缺陷遺傳而來。采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析儀對鑄坯裂紋缺陷部位的試樣進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，鑄坯裂紋部位存在夾雜物，且夾雜物成分與保護(hù)渣成分接近，因此判定鑄坯表明裂紋屬于結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固過程產(chǎn)生的裂紋，其中保護(hù)渣成分是結(jié)晶器內(nèi)液渣流入鑄坯裂紋內(nèi)部所致。

表3 X52鋼連鑄結(jié)晶器液面異常波動的原因及應(yīng)對措施

通過對鑄坯結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生裂紋影響因素的分析，提出了控制鑄坯裂紋的工藝優(yōu)化改進(jìn)措施。實踐表明，通過合理控制鋼液過熱度、優(yōu)化鋼水控制成分、調(diào)整好保護(hù)渣結(jié)構(gòu)和性能、減少結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面波動等措施的實施，天鋼X52管線鋼鑄坯表面裂紋缺陷得到了有效的控制，鑄坯表面裂紋不合格率由0.97%降低到0.18%，經(jīng)濟(jì)效益顯著，增強(qiáng)了X52管線鋼市場競爭力。