安鋼優質碳素鋼65Mn熱軋卷板開發實踐

成曉舉 于永業 向 華 劉偉云

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

優質碳素鋼65Mn含碳量高，具有淬透性好、脫碳傾向少、價格低廉及切削性好等優點，可用于制造圓鋸片，生產成鋼絲、鋼帶，制造各種截面較小的扁、圓彈簧和彈簧片，在汽車、火車等交通運輸行業和電子行業的用量也很大，是優質碳素鋼中要求較嚴的優質高級鋼，同時在鋼材總產量中也占有很大比例[1]。安鋼1 780 mm熱連軋生產線自投產以來，進行了管線鋼、汽車大梁鋼、硅鋼、冷軋基料等產品研發，生產工藝成熟，產品質量良好，為開發生產高碳鋼打下了良好的基礎。筆者主要通過強化煉鋼過程的質量控制，全程保護澆注，結晶器和二冷采用強冷，低溫加熱、高溫終軋和高溫卷取等措施，成功研發了優質碳素鋼65Mn熱軋卷板。

1 技術要求

安鋼優質碳素鋼65Mn化學成分根據GB/T711《優質碳素結構鋼熱軋鋼板和鋼帶》的規定制定，具體成分見表1。為了滿足用戶使用要求，在力學性能方面，按照屈服強度在350 MPa以上，抗拉強度在735 MPa以上，斷后延伸率在9%以上控制，總脫碳層深度每面不大于鋼帶實際厚度的2%。

表1 65Mn化學成分 /%

2 裝備條件及工藝路線

2.1 裝備條件

安鋼1 780 mm熱連軋產線配套的主要設備：2套鐵水預處理，2座150 t頂底復吹轉爐，2座170 tLF精煉爐，2座RH真空精煉爐，2臺常規雙流板坯連鑄機，1條七機架1 780 mm熱連軋生產線。

2.2 工藝路線

安鋼優質碳素鋼65Mn熱軋卷板采用的工藝路線：鐵水預處理—150 t 頂底復吹轉爐—LF 爐—常規板坯連鑄機—1 780 mm熱連軋機組。

3 生產工藝控制

3.1 轉爐冶煉生產

為減少LF爐脫硫壓力，鐵水預脫硫至0.005%入爐，采用潔凈廢鋼，吹煉過程早化渣，化好渣。終點碳影響鋼的成分控制和鋼的質量，終點碳含量越低，鋼中氧含量越高，脫氧劑、增碳劑消耗量越大，夾雜物含量增加。由于轉爐冶煉低碳鋼較多，高碳鋼生產經驗較少，考慮到最終產品質量將終點碳控制在0.15%～0.25%，出鋼溫度控制在1 630～1 680 ℃，氬站硫控制在0.020%以下，并采用滑板擋渣，嚴格控制下渣量。另外，采用鋁鐵、硅錳和高碳錳進行脫氧合金化。

3.2 LF精煉生產

LF精煉爐的主要目的是控制鋼水的純凈度。為緩解LF精煉壓力，對鐵水進行預脫硫，轉爐采用高溫出鋼并使用周轉鋼包，此工藝條件下LF精煉送電較少，且能盡可能減少送電升溫過程的吸氮，從而提高鋼水質量。鋼包到站后升溫至1 540～1 560 ℃，為防止鋼水吸氮氧化，鋼包吹氬攪拌強度以鋼水液面不裸露、電弧穩定為原則。采用石灰和精煉劑盡快造渣，并進行成分微調，白渣的保持時間不小于15 min。爐內控制微正壓氣氛，同時可避免后期喂線后再次送電加熱。為確保夾雜物上浮，喂純鈣線后，軟吹氬時間不小于8 min，軟吹氬流量以使鋼液面微微波動又不漏出鋼液面為原則。

3.3 連鑄生產

澆注過程應做好保護澆注，防止鋼水二次氧化，大包采用喇叭形長水口+密封墊+氬氣保護，并浸入式開澆，將增氮量控制在0.000 3%范圍內，中包內添加中碳鋼覆蓋劑，確保鋼水不裸露。采用高碳鋼保護渣，在澆注時，嚴格按照保護渣操作規范，保證液面活躍，盡量避免周邊結冷鋼或渣條。為防止結晶器液面波動造成結晶器卷渣，用結晶器液面自動控制系統，將結晶器液面波動控制在±3 mm以內。鑄坯的中心偏析、疏松及內部裂紋、夾雜物含量高是影響其內在質量的主要缺陷[2]。為減少連鑄板坯中心偏析和疏松，提高內部質量，將過熱度控制在15～30 ℃之間，結晶器冷卻和二次冷卻均采用強冷，二冷電磁攪拌電流強度在450～480 A之間，頻率為5 Hz。將澆注拉速控制在0.7～1.0 m/min，并采用恒速澆注。

3.4 熱軋生產

熱軋工藝參數會對鋼卷的表面脫碳、力學性能和加工使用性能有較大的影響。

3.4.1 加熱工藝

高碳鋼在加熱爐加熱過程中發生脫碳，將會嚴重影響其奧氏體組織的均勻性，不僅使其在后續冷變形時強度達不到要求，而且影響其耐磨性，還可能由于變形不均勻產生裂紋[3]。因此，連鑄板坯采用熱裝入爐，考慮到高碳鋼變形抗力大，也為了防止脫碳傾向，將高碳鋼65Mn在爐時間控制到120～180 min，采用低溫出鋼，溫度控制在1 190～1 220 ℃。在生產過程中，避免板坯長時間在爐待溫。

3.4.2 軋制工藝

在粗軋時，要利用板坯出爐溫度高、塑性好的有利條件，實現較大變形，減輕精軋機組的負荷。根據不同的厚度要求，將中間坯厚度控制在34～45 mm。為防止中間坯冷卻過快，進精軋前，保溫罩必須全部投用，確保進精軋時中間坯溫度在1 100℃左右，精軋各道次間水盡量少使用，F1、F2、F3出水量15%～25%左右，其他道次所有水均關閉。精軋溫度設定在860～890 ℃之間，層流冷卻采取前段稀疏冷卻方式，為防止熱軋扁卷，優質碳素鋼65Mn卷取溫度高于奧氏體相變溫度[4]。

3.4.3 緩冷工藝

65Mn屬于高碳鋼，在變形后連續冷卻條件下，主要發生高溫轉變，相變產物為珠光體和少量的先共析鐵素體；中溫階段有極少量的貝氏體轉變，但不構成貝氏體轉變區；快冷條件下主要發生馬氏體轉變，臨界淬火速度為40 ℃/s[1]。在生產時，要求成品鋼卷下線后盡快調至保溫箱保溫，緩冷72 h后再取樣進行力學性能等檢測。

4 討論與分析

4.1 化學成分

在冶煉時，轉爐出鋼碳含量穩定控制在0.018%～0.028%之間。由于增加了鐵水預處理工序，入爐硫含量控制在0.018%以下，為LF精煉爐創造了有利條件。在LF精煉爐，主要進行硅錳合金化和促進夾雜物上浮，并實現化學成分的精確控制，同時鋼中氮含量能夠穩定控制在0.005 0%以下。其化學成分見表2。

4.2 板坯低倍

連鑄澆注時，采用低過熱度和低拉速、恒速澆注，改善了連鑄板坯的凝固組織，提高了等軸晶比例，明顯提高板坯的內部質量。結晶器和二次冷卻采用強冷，表面未出現缺陷。經檢驗，優質碳素鋼65Mn中心偏析C類小于0.5級，中心疏松小于0.5級，未發現明顯中間裂紋，低倍組織如圖1所示。

表2 優質碳素鋼65Mn化學成分/ %

圖1 優質碳素鋼65Mn低倍組織

4.3 力學性能

優質碳素鋼65Mn鋼卷緩冷72 h，并切除兩圈后，取樣進行力學性能分析，見表3。檢測結果表明，優質碳素鋼65Mn的屈服強度在452～503 MPa之間，抗拉強度在888～981 MPa之間，伸長率在18%以上。

表3 優質碳素鋼 65Mn力學性能

為進一步了解優質碳素鋼65Mn鋼卷頭中尾性能差，在距鋼卷尾部30 m、鋼卷中間、距鋼卷頭部30 m取樣進行力學性能分析，結果見表4。

表4 優質碳素鋼 65Mn頭、中、尾力學性能

從表4可以看出，優質碳素鋼65Mn尾部位置由于冷軋速度稍快，強度水平明顯高于中間和頭部，而中間位置由于冷卻速度最慢而強度水平最低。由于卷取后采用保溫坑緩冷方式，優質碳素鋼65Mn頭、中、尾屈服強度最大差異僅24 MPa，抗拉強度最大差異僅16 MPa，降低了強度差異過大造成的后期加工難度。

4.4 金相檢驗

對工業生產的3.2 mm厚度規格65Mn進行金相組織分析，如圖2所示。試樣經4%的硝酸酒精溶液侵蝕，脫碳層厚度17.2 μm，滿足總脫碳層深度每面不大于鋼帶實際厚度的2%的要求。金相顯微組織邊部和中間位置均為索氏體S、珠光體P和少量的鐵素體F，而邊部有輕微脫碳層。對夾雜物進行分析，結果為：A類夾雜物0.5～1.5級，B類夾雜物0.5～1.0級。

圖2 優質碳素鋼65Mn金相組織（500×）

4.5 硬度

對優質碳素鋼65Mn不同位置的維氏硬度進行對比分析，結果見表5。

表5 優質碳素鋼65Mn維氏硬度

從表5可以看出，65Mn熱卷維氏硬度在245～276之間，鋼卷頭部和中心位置硬度值相對較小，尾部硬度值稍高，這主要與鋼卷頭部、中卷位置卷取溫度偏高，尾部卷取溫度偏低有關。

5 結論

（1）在冶煉時，增加了鐵水預處理，65Mn整個生產過程穩定，轉爐出鋼終點控制穩定，LF精煉爐將重點放在以夾雜物上浮為主，既保證了其各項成分均符合標準要求，也提高了鋼水的潔凈度。

（2）通過采用合理的低過熱度、低拉速澆注，合理的電磁攪拌參數，其中心偏析控制在C類0.5級，中心疏松控制在0.5級，無明顯的中間裂紋，提高了的內部質量。

（3）在熱軋時采用低溫加熱、高溫終軋和高溫卷取，表面脫碳層得到了有效控制，其力學性能滿足要求，卷形良好。