鞍鋼Ф150 mm圓坯20#鋼生產實踐

王成青，蔣光南，王華東，譚振軍，金龍，于東寅

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠 （以下簡稱 “二分廠”）1#方圓坯鑄機于2014年9月改造升級為6機6流連鑄機，設計產品規格有180 mm×180 mm、160 mm×160 mm、Ф170 mm 和 Ф185 mm。實際生產過程中，以方坯生產為主，試驗生產過少量Ф185 mm圓坯，但沒有進行量產。2020年下半年，二分廠為了滿足用戶需求生產Ф150 mm圓坯20#鋼。眾所周知，圓坯生產難度較方坯大，且對質量要求更高，為保證成品管的質量，要求圓坯坯料表面和內部無裂紋，并且要防止大顆粒夾雜造成的鋼管內表面缺陷。二分廠首次生產的圓坯出現了中間裂紋缺陷，因此對裂紋產生原因進行分析，以采取相應措施消除鑄坯中間裂紋缺陷，提高鑄坯內部質量，滿足用戶需求。

1 工藝概況

圓坯20#鋼的標準成分見表1，生產工藝流程為：轉爐冶煉→LF精煉→鑄機連鑄（Φ150 mm圓坯）。

表1 圓坯20#鋼的標準成分（質量分數）Table 1 Standard Compositions in No.20 Steel Round Billet（Mass Fraction） %

2 圓坯軋制存在的問題及原因分析

首次生產主要采用圓坯專用結晶器和引錠頭，參照方坯設計對工藝參數進行一定的優化。實際生產的圓坯表面沒有發現縱裂等缺陷，橢圓度基本滿足要求，如圖1所示。

圖1 首次生產圓坯實貌Fig.1 Appearance of Round Billets Produced for the First Time

圓坯生產完成后，發往用戶進行軋制試驗。用戶根據實際需求，對鑄坯進行了分切、裝爐、加熱，然后進行穿孔軋制。在穿孔軋制過程中發現，部分圓坯未能通過穿孔機，端部出現了開裂的現象，導致坯料無法順利通過穿孔機造成卡鋼事故。圓坯穿孔開裂形貌如圖2所示。

圖2 圓坯穿孔開裂形貌Fig.2 Appearance of Cracks at Pierced Round Billets

在缺陷位置截取金相試樣，經鑲嵌、磨制、拋光和4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，置于光學顯微鏡下觀察分析，開裂位置可見大量氧化圓點及脫碳現象，裂紋尾段分叉，圖3為圓坯開裂位置顯微組織。

圖3 圓坯開裂位置顯微組織Fig.3 Microscopic Structures in Cracking Locations of Round Billets

分析認為，氧化圓點和脫碳現象并不是在加熱爐內短時間產生的，而是由圓坯坯料帶來。為了進一步驗證圓坯的內部質量，利用電鋸對鑄坯進行了切割，觀察其端面情況，結果發現有部分圓坯的端面存在嚴重的中間裂紋缺陷，中間裂紋形貌如圖4所示。

圖4 中間裂紋形貌Fig.4 Appearance of Intermediate Cracks

取圓坯枝晶樣進行枝晶檢測，發現部分圓坯的中間裂紋缺陷較嚴重，達到了2.5級，枝晶檢查結果如圖5所示。由此可以判斷，鑄坯內部中間裂紋導致穿孔時出現端部裂紋缺陷。

圖5 枝晶檢查結果Fig.5 Inspection Results of Dendrite

3 中間裂紋產生機理及影響因素

鑄坯通過二次冷卻區時冷卻不均勻、溫度回升產生熱應力或者坯殼鼓肚、對弧不正造成的外力作用于正在凝固的固液界面均可以產生中間裂紋[1]。中間裂紋的產生是鋼種高溫力學強度不能抵抗綜合應力和應變的結果。由于鑄坯凝固過程中各種外部應力和鋼水凝固過程中產生的內部應力作用在液相穴前沿的固液交界面及附近區域上，當綜合應力和應變超過該鋼種的固相線溫度附近的臨界強度和極限應變量時，固液界面處的坯殼已不能抵抗應力和應變的作用而產生開裂并向固相擴展，由于鋼液已成半凝固態或固態使鋼水無法補充，裂紋便得以在鑄坯內部產生[2]。

影響中間裂紋的因素主要包括鋼水化學成分、澆鑄溫度、二次冷卻效果和拉矯機壓力等。鋼水中的磷、硫為有害元素，磷在結晶過程中偏析傾向較大，容易使晶界脆化；硫的偏析受到錳的抑制而隨碳含量變化不大，但當硫含量＞0.020%時，鋼中兩相區凝固界面的延伸率大大降低，硫形成的Ⅱ類硫化物引起晶間脆性成為裂紋優先擴展的地方[3]。鋼水的澆鑄溫度高會引起鑄坯柱狀晶發達，鑄坯收縮量較大，相同冷卻強度時坯殼更薄，鑄坯高溫力學強度相對較低，特別是溫度過高而拉速較低時，鑄坯更容易產生內部裂紋。二次冷卻的目的是在鑄坯離開結晶器后，繼續對鑄坯進行冷卻直到鑄坯彎曲凝固，20#鋼的高溫脆性曲線見圖6。

圖6 20#鋼的高溫脆性曲線Fig.6 High Temperature Brittle Curves for No.20 Steel

鑄坯在矯直前的表面溫度應該避開700～900℃的鋼延性最低的“口袋區”。鑄坯進入拉矯機后，受到的拉矯壓力越大，鑄坯的變形越大，橢圓度不良，也容易產生內部裂紋缺陷。

4 采取的措施

4.1 鋼水成分的控制

4.1.1 轉爐磷、硫含量的控制

（1）轉爐冶煉20#鋼種的鐵水條件見表2。

表2 鐵水條件Table 2 Conditions for Hot Metal

轉爐工序增加了鐵水預處理工藝控制硫含量。對鐵水硫含量超過0.030%的罐次進行脫硫扒渣處理，控制轉爐入爐硫含量在0.030%以下，實現轉爐罐內硫含量穩定控制在0.025%以下，為精煉LF爐脫硫創造穩定的條件。優化前后轉爐罐內鋼水硫含量對比見圖7。

圖7 優化前后轉爐罐內鋼水硫含量對比Fig.7 Comparison of Content of Sulfur in Molten Steel in Converter before and after Optimization

從圖7可以看出，采用鐵水預處理工藝后，轉爐罐內硫含量有了較大幅度降低，能夠為精煉脫硫創造有力條件，可以有效控制精煉處理周期，穩定精煉鋼水搬出硫含量。

（2）鋼水中的磷主要在轉爐冶煉過程中去除。優化轉爐冶煉過程的爐料結構，配加白灰調整爐渣堿度達到2.5～3.0；優化槍位操作，采取高-低-高的模式；適當提高廢鋼比，實現冶煉前期爐內溫度的平緩上升，提高冶煉前期的去磷效果；出鋼時采取雙擋渣工藝控制轉爐下渣量，即出鋼前用軟質擋渣塞堵出鋼口，減少“第一口”渣進入罐內，出鋼末期利用擋渣標進行擋渣控制，使罐內渣厚穩定控制在80 mm以下，防止精煉處理過程中鋼水回磷量過多，造成成品磷含量高，影響鑄坯內部質量。轉爐冶煉終點溫度得到穩定控制，在滿足精煉工序進站溫度需求的同時，轉爐終點磷含量達到0.020%以下的工藝設計要求。優化后轉爐各工藝參數見表3。優化前后轉爐罐內鋼水磷含量對比見圖8。

表3 轉爐工藝參數Table 3 Technical Parameters for Converter

圖8 優化前后轉爐罐內鋼水磷含量對比Fig.8 Comparison of Content of Phosphorus in Molten Steel in Converter before and after Optimization

從圖8可以看出，優化后轉爐罐內鋼水磷含量有一定幅度的降低，且分布較為集中，可進一步降低磷元素對鑄坯裂紋的影響。

4.1.2 精煉過程硫含量的控制

鋼中的硫含量是影響鑄坯質量的最主要因素之一，精煉處理過程中，應盡可能的降低鋼中硫含量。考慮到鑄機澆鑄過程中的絮流問題，在20#鋼種成分設計上，沒有鋁含量的控制要求，主要依靠硅元素進行脫硫處理，但是脫硫效果一般。為進一步降低鋼水中的硫含量，精煉處理過程中，除了細化造渣料的加入時機及加入量外，還增加了化渣劑的使用，提高了化渣效果，脫硫效果有了進一步的改善。優化前后精煉搬出鋼水硫含量對比見圖9。從圖9可以看出，優化后精煉搬出鋼水硫含量有了明顯降低。

圖9 優化前后精煉搬出鋼水硫含量對比Fig.9 Comparison of Content of Sulfur in Molten Steel Discharging from LF before and after Optimization

4.2 中間包溫度的控制

首次生產圓坯過程中，考慮到圓坯的規格小，澆鋼周期相對較長，為保證順利澆鑄，鋼水的過熱度設計相對偏高，結果鑄坯柱狀晶發達，鑄坯收縮量較大，相同的冷卻強度下坯殼更薄，鑄坯高溫力學強度相對較低，特別是溫度過高而拉速較低時，更容易產生鑄坯內部裂紋。因此將鋼水過熱度降低5℃。為保證澆鋼周期穩定，拉速要求穩定在（2.1±0.1）m/min。機前澆鑄過程中，保證實際過熱度不高于設計過熱度目標值±5℃，同時，罐與罐之間的過熱度控制要穩定，波動要小，以實現鑄坯質量的穩定控制。為保證精煉搬出鋼水溫度的穩定控制，采取了以下措施：鋼水罐選擇紅罐出鋼，透氣磚選擇前5回的罐次，保證鋼水的起翻效果；不同罐次間，根據前罐中間包實際溫度情況及鋼水的靜置時間等，微調整LF搬出溫度；中間包烘烤時間為2.5～3.0 h，保證中間包烘烤效果；加強上下工序間的溝通與協調，保證供鋼節奏，確保澆鑄周期穩定，拉速恒定。圖10為優化前后中間包過熱度的對比。

圖10 優化前后中間包過熱度的對比Fig.10 Comparison of Degrees of Overheat in Tundish before and after Optimization

從圖10可以看出，優化后的中間包過熱度有了明顯的降低，有利于鑄坯內部裂紋的控制。

4.3 二冷工藝的控制

二次冷卻的目的是在鑄坯離開結晶器后，繼續對鑄坯進行氣霧冷卻，直到完全凝固。參考20#鋼的高溫脆性曲線，在矯直前鑄坯溫度應該避開鋼延性最低的“口袋區”，所以，二冷區鑄坯表面溫度應控制在鋼延性最高的溫度區，即900℃以上。二分廠是在方坯鑄機的基礎上采用圓坯結晶器，通過更換圓坯專用的二冷區一段段位進行生產的，所以，在二冷噴淋上，主要通過調整二冷水的分配系數控制各段位的比水量，總的比水量為0.5 L/kg，實現所需要的霧化效果。在生產圓坯前，對二冷噴嘴、噴淋架等進行檢查確認，保證噴淋條無歪斜或開焊，噴嘴無分叉或堵塞。實際生產過程中，拉速恒定為2.0 m/min時，對入拉矯機前的鑄坯進行測溫，矯直前的鑄坯溫度見表4。

表4 矯直前的鑄坯溫度Table 4 Round Billet Temperature before Straightening℃

從表4實際測得的鑄坯溫度推斷，設計的工藝參數基本滿足鑄坯的內部質量要求。鑄機兩側的邊流與中間的各流之間相比，鑄坯溫度要略低一些，這是因為邊流鑄坯出拉矯后，熱量向外輻射散去造成。

4.4 鑄機拉矯工藝的控制

生產圓坯時，采用的是方坯拉矯機連續矯直。由于圓坯表面與拉矯輥的接觸面積發生變化，如果采用方坯的拉矯力，勢必造成圓坯的橢圓度不良，因此，對拉矯機的拉矯壓力進行了優化，通過不斷摸索試驗，根據測得的鑄坯橢圓度情況，逐漸降低拉矯的壓力，最終確定了實際拉矯壓力為方坯的70%，滿足了拉坯需求的同時，鑄坯的橢圓度也滿足質量要求。

5 取得的效果

采取上述措施后，用電鋸切割所生產的圓坯，觀察其端面沒有發現裂紋缺陷，各流鑄坯切割后實貌見圖11。將后續生產的圓坯發往用戶進行軋制生產，圓坯能夠順利通過穿孔機，未再發生卡鋼事故。圓坯實物質量滿足了用戶要求。

圖11 各流鑄坯切割后實貌Fig.11 Appearance of Billets after Cutting Various Casting Blanks

6 結語

分析了鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產的Ф150 mm圓坯20#鋼鑄坯中間裂紋產生原因后，采取鐵水預處理工藝、轉爐低溫冶煉操作、精煉化渣控制硫含量；過熱度降低5℃，機前澆鑄過程中保證實際過熱度不高于設計過熱度目標值±5℃，確保鑄機恒速操作；更換圓坯專用段位，提高鑄坯出結晶器后的二冷效果，生產前對二冷水嘴檢查維護，實現鑄坯均勻冷卻，控制回溫幅度。解決了Ф150 mm圓坯20#鋼鑄坯中間裂紋缺陷問題，用戶在軋制過程中未再發生卡鋼事故，實物質量滿足了要求。