螺紋鋼表面缺陷和組織性能不穩定的原因分析與控制實踐

寇雨成,張 皞,潘 軍,王 磊

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

螺紋鋼是房屋、交通、水利等土建工程中不可或缺的建筑材料之一,近年來隨著中國城鎮化率的不斷提高,國家在交通設施、水利工程等基礎建設持續投入,螺紋鋼需求強烈,也是國內鋼鐵企業的主要產品類型原因之一[1, 2]。電爐流程生產螺紋鋼也是國內常見方式之一[3-5],電爐流程較轉爐長流程具有明顯優勢,不需要高爐、煉焦、燒結、球團等鐵前系統,碳排放低,能夠較多地使用周邊的廢鋼資源,在生產組織上也可以根據市場需求、電價和原料等因素進行間斷生產[6]。針對國內某鋼廠電爐流程生產的螺紋鋼HRB400E,生產過程中出現屈服強度波動大、產品表面存在“黑線”缺陷等問題,通過金相顯微組織和電鏡掃描分析等手段,進行了螺紋鋼質量缺陷和性能不穩定性原因調查,并結合生產工藝提出改進措施,以進一步提升螺紋鋼產品質量和組織性能穩定性。

1 HRB400E螺紋鋼生產流程和目前存在的問題

國內某廠HRB400E螺紋鋼主要生產工藝流程為:電爐→爐外精煉→方坯連鑄→鋼坯(連鑄直軋)→雙高棒軋鋼生產線,具體情況如表1所示。在不增加產能情況下,對原有冶煉和連鑄生產線進行升級改造,升級改造后的電爐為Consteel電弧爐,該電路從冷啟動后每次出鋼時留鋼操作,使爐內始終保持有大量鋼液形成的熔池,固體爐料不再是直接被電弧加熱熔化,而是被液態鋼水熔化。由于有液態熔池的存在,爐內物質、能量的傳輸是以液態分子的擴散遷移為基礎進行的,大大改善了固體爐料熔化的動力學條件。由于這種化鋼方式,爐料可以連續均勻地加入熔池中熔化、冶煉,熔池的溫度、化學成分等更加均勻和諧,冶煉效果更好。

表1 生產HRB400E螺紋鋼的電爐流程基本信息

另外升級改在后的Consteel電弧爐還應用了三項新技術,分別為廢鋼使用連續加料操作、高效水冷自動碳氧槍技術和煙氣預熱廢鋼技術。其中廢鋼使用連續加料操作是廢鋼由連接小車從電弧爐爐壁孔加入熔池,加料時無需開啟爐蓋,實現電爐冶煉過程中無需頻繁停爐和開啟爐蓋,減少了熱量向空氣中的耗散損失,采用爐壁孔加料可以避免頂裝料時的塌料現象與電極的機械折斷。留鋼操作和連續加料使電爐加料熔化、冶煉的過程可持續進行,不必頻繁停爐。配備的高效水冷自動碳氧槍向爐內大量噴碳吹氧,爐內進行碳氧反應,一部分能量用于加熱廢鋼,作為電弧加熱的能量補充,而且產生的CO氣體隨廢氣進入預熱裝置中,并在其中發生CO的二次燃燒,放出大量的熱,這部分潛熱以及廢氣所帶的大量顯熱,被用來預熱水平輸料道上與廢氣逆向而行的廢鋼,從而達到預熱廢鋼的目的。

LF精煉主要是合金元素進行微調及調整鋼水溫度,冶煉周期在20～30 min左右,LF精煉過程保持全程吹氬,其中合金、調溫廢鋼加入后提高吹氬強度進行鋼水攪拌,均勻鋼水溫度與成分,精煉期間根據生產節奏和鋼水溫度添加廢鋼量,調溫廢鋼主要以鋼筋切粒為主。連鑄工序采用恒拉速,根據后道工序的每個規格的軋機能力,拉速控制在2.5～3.5 m/min范圍,連鑄過程為避免鋼水二次氧化,鋼水保護澆注采用浸入式水口+結晶器保護渣。

雙高棒軋鋼生產線工藝流程為來料→粗軋→剪切→中軋→剪切→預精軋→剪切→精軋→剪切→上冷床冷卻→打包收集、修剪取樣、稱重掛樣。

雙高棒軋鋼生產線主要生產工藝和過程控制有:因采用連鑄直軋工藝,熱鋼坯來源于現有廠區內連鑄機生產線的出料,對鋼坯表面、外形尺寸按照《熱軋鋼筋用鋼坯表面、外觀質量檢查及判定標準》進行檢驗,檢驗合格鋼坯經熱送輥道運往軋機進行軋制;對于化學成分、外形尺寸等指標檢驗不合格的鋼坯由剔除裝置從出爐輥道上剔除;在軋機方面全線軋機共22架,為全連續布置,鋼坯在粗軋機組中軋制6個道次,經粗軋機組后飛剪切頭尾后,進入中軋機組繼續軋制10個道次切分后分雙道,經飛剪切頭尾后,再進入預、精軋機組中軋制2～6道次,最后進入精軋機組軋制出成品。倍尺剪切采用高速連續運轉的飛剪對軋件進行倍尺剪切,飛剪剪切的軋件最大速度可達到45 m/s,剪機響應時間快,剪切精度高。打包收集、修剪取樣、稱重掛樣:剪切后的成品棒材,在輥道上經人工目測檢驗剔除短尺,經過鏈式運輸臺架橫移、計數、收集,并由成型輥道運送至打捆機處,快速完成打捆。再由輥道運送至成品收集卸料臺架,經稱重標記后,由天車將成捆的棒材吊入堆放場地。

但在投產初期螺紋鋼質量和組織性能穩定性存在問題,主要表現在產品拉伸試驗中下屈服強度波動大以及產品表面存在數條不等、長度不等的連續“黑線”,其中以Φ18 mm和Φ20 mm規格最為明顯,如圖1和表2所示。為了使螺紋鋼筋產品化學成分、力學性能、工藝性能等指標符合國標GB/T 1499.2-2018及企業標準要求,以及產品表面、外觀符合其《熱軋帶肋鋼筋表面、外觀質量檢查及判定標準》中判定標準要求,搞清楚電爐流程生產HRB400E螺紋鋼表面缺陷和組織性能不穩定的原因,迫切而重要。

圖1 HRB400E螺紋鋼表面“黑線”缺陷

2 HRB400E螺紋鋼表面缺陷和組織性能不穩定的原因分析

為了能夠調查清楚HRB400E螺紋鋼筋表面“黑線”缺陷及屈服強度波動大的原因,選取問題嚴重的Φ18 mm規格產品試樣,開展了金相顯微組織分析和電鏡掃描分析等,然后再結合生產工藝排查,明確原因并制定改進措施。

2.1 金相顯微組織分析結果

對Φ18 mm規格的鋼筋截取金相試樣2支,并取對照組25 mm規格鋼筋截取金相試樣1支,試樣分析面為垂直軋制方向,試樣通過截取、鑲嵌、試樣分析面通過磨制及拋光后(見圖2、6),使用光學顯微鏡利用直接觀察法對試樣進行檢測,結果發現Φ18 mm規格的鋼筋試樣中存在很多非金屬夾雜物,其中在試樣芯部的非金屬夾雜物呈彌散分布,非金屬夾雜物的形貌呈短條狀為主,少量呈圓形或長條形,仔細觀察非金屬夾雜物還可以發現非金屬夾雜物在長度方向具一定的方向性,并發現試樣分析面周邊某個區域內有數條深約0.10 mm裂紋,部分裂紋內部填滿了非金屬夾雜物,如圖3所示。對照組Φ25 mm規格的鋼筋試樣分析面也發現了少量的非金屬夾雜物,如圖7所示,但試樣分析面周邊正常,未發現裂紋缺陷。

圖2 Φ18 mm規格鋼筋試樣截面宏觀照片

(100×) (500×)圖3 Φ18 mm規格鋼筋試樣高倍照片

采用直接觀察法檢驗后,再次對試樣表面進行清洗、拋光,并對Φ18 mm、25 mm規格的鋼筋試樣截面在3%硝酸酒精腐蝕之后采用光學顯微鏡觀察了晶粒度和顯微組織,Φ18 mm、25 mm規格的鋼筋邊部和芯部的顯微組織均為正常的鐵素體+珠光體,實際晶粒度的評級均為10.5級,如圖4、8所示。另外,Φ18 mm規格的鋼筋分析面經在3%硝酸酒精腐蝕之后采用光學顯微鏡進行高倍檢驗時還發現其顯微組織存在條帶組織,如圖5所示,Φ25 mm規格的鋼筋分析面無此現象,如圖5所示。

(芯部 100×) (邊部500×)圖4 Φ18 mm規格鋼筋試樣顯微組織照片

(100×) (500×)圖5 Φ18 mm規格鋼筋試樣中的條帶組織形貌

(芯部 500×) (邊部500×)圖6 Φ25 mm規格試樣截面宏觀照片圖 圖7 Φ25 mm規格試樣高倍照片(100×)

(芯部 500×) (邊部500×)圖8 Φ25 mm規格試樣顯微組織照片

對照圖3和圖5,還可以看出Φ18 mm規格的鋼筋分析面中裂紋、非金屬夾雜物向鋼筋內部延伸的路線與條帶組織方向較為一致。

2.2 電鏡掃描分析結果

用掃描電鏡觀察試樣中夾雜物的形貌,找出了兩類較為典型的非金屬夾雜物進行了能譜分析,結果如圖9所示,從該圖中可以看出,非金屬夾雜物主要為硅鋁酸鹽類復合夾雜物,其中還含有少量的Ti、Na元素。

圖9 典型非金屬夾雜物顯微照片和能譜圖

2.3 結果討論

(1)通過試樣的金相顯微組織分析,發現其邊部和芯部的顯微組織為鐵素體+珠光體,符合國標GB/T1499.2-2018及企業標準要求。但同時發現,因雙高棒軋鋼生產線生產的Φ12～22 mm規格鋼筋采用切分軋制,導致在Φ18 mm規格鋼筋試樣中發現存在條帶組織。

(2)通過光學顯微鏡進行直接觀測以及對試樣中非金屬夾雜物使用掃描電鏡進行能譜分析,發現試樣中存在大規模的硅鋁酸鹽類復合夾雜物以及少量的Ti、Na元素。從夾雜物的類型及尺寸進行分析,推測為外來夾雜物。

(3)這些夾雜物的存在對鋼筋基體的連續性有著較大的影響,鋼筋在拉伸試驗的過程中,夾雜物作為裂紋的發源地,會大大降低檢測的力學性能,是造成18 mm規格力學性能波動的主要原因。

(4)某鋼廠因鋼水中存在大量的外來非金屬夾雜物,在精煉、連鑄過程中未及時上浮去除,非金屬夾雜物在連鑄過程中隨著鋼水凝固而保留在鑄坯之中,加之雙高棒軋鋼生產線生產的Φ12～22 mm規格鋼筋采用二切分軋制,非金屬夾雜物在軋制過程中隨著鋼基體的流變被軋到鋼筋次表面或暴露在鋼筋表面,是造成表面“黑線”缺陷的主要原因。

3 結論及改進措施

(1)存在外來的硅鋁酸鹽類復合夾雜物以及采用二切分軋制工藝是導致某廠Φ18 mm規格HRB400E螺紋鋼產品屈服強度波動大和存在表面“黑線”缺陷的主要原因。

(2)經生產過程調查發現,70 t電爐鋼水出鋼過程中采用高錳生鐵按照電爐成分目標中下限初調鋼水中Mn含量;LF精煉存在先提溫、再用鋼筋切粒進行調溫的習慣,給鋼水帶來了大量氧化物,在加上LF精煉過程中吹氬時間短,外來夾雜未充分上浮,部分夾雜物滯留于鋼水中。

另外,連鑄過程中結晶器鋼液面波動相對較大,甚至卷入了保護渣。根據原因分析并結合實際工藝,提出如下改進措施:

①在電爐出鋼過程中,將電爐調整Mn元素的原料改為LF爐精煉的錳硅合金和高碳錳鐵,避免高錳生鐵中氧化物污染鋼水。

②在LF精煉過程中,精煉崗位應注重操作,嚴格執行作業指導書中LF終點溫度的規定范圍,避免一次升高溫,再加廢鋼降溫操作,如確實LF終點溫度高于規程要求,需加入調溫廢鋼,應相應延長LF過程吹氬時間。

③在連鑄過程中,通過優化結晶器浸入式水口插入深度,降低結晶器鋼液面波動,避免卷渣。

④在軋鋼紅檢過程中,首先將“黑線”缺陷維護到《熱軋帶肋鋼筋表面、外觀質量檢查及判定標準》中,其次對紅檢人員進行針對性培訓、增加產品紅檢過程表面檢查頻次,來加強產品表面質量檢驗。

(3)通過上述措施后,某廠70 t電爐生產的HRB400E螺紋鋼在高倍顯微鏡的直讀法觀測下未發現夾雜物,且Φ18 mm規格的鋼筋力學性能明顯提升、穩定,產品表面未發現“黑線”缺陷,改進效果顯著。