趙文濤 ，朱曉雷 ，寧生龍 ，李超 ，馬寧 ，田永久 ，李志剛

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；3.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；4.鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鋼鐵材料中的高碳鋼產(chǎn)品如碳素工具鋼、彈簧鋼、合金工具鋼等廣泛應用于機械制造、航空航天、汽車制造等產(chǎn)業(yè)，其質(zhì)量對相關制造產(chǎn)業(yè)整體品質(zhì)的提升有重要意義。高碳鋼由于碳含量高，合金成分復雜，凝固過程容易產(chǎn)生碳、硫、磷及部分合金元素的偏析，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量難以控制，直接影響產(chǎn)品組織性能的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)板坯連鑄相比，采用薄板坯連鑄生產(chǎn)高碳鋼具有的優(yōu)勢為：冷卻強度大，凝固速率高，鑄態(tài)組織的二次、三次枝晶更短，晶粒更加細小、均勻，微觀偏析得到改善，同時采用液芯壓下技術可進一步減少鑄坯的中心偏析。國內(nèi)鋼企采用薄板坯連鑄試制生產(chǎn)高碳鋼時出現(xiàn)過開裂問題，通過采取成分控制、工藝優(yōu)化等一系列措施提高了鑄坯的質(zhì)量。例如，山東日照鋼鐵公司采取提高成分控制精度、降低中間包過熱度、保持鑄機恒速率等措施有效改善了上述問題［1-2］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）1450連鑄機生產(chǎn)的高碳鋼在進行深加工時，部分產(chǎn)品表面出現(xiàn)了開裂，因此對缺陷樣品進行檢驗分析，確認產(chǎn)生原因，以便采取相應措施，有效改善上述問題，提高高碳鋼產(chǎn)品質(zhì)量。

1 主要設備情況

鲅魚圈產(chǎn)線配備鐵水預處理、260 t轉(zhuǎn)爐、LF和RH爐外精煉及具有動態(tài)輕壓下和在線調(diào)寬功能的1450連鑄機，主要設備情況如表1所示。

表1 主要設備情況Table 1 Main Equipment State

2 存在的問題及原因分析

對出現(xiàn)開裂的高碳鋼產(chǎn)品取樣觀察，試樣宏觀缺陷形貌見圖1。由圖1可見，裂紋缺陷存在于鋼板厚度方向中心部位。在裂紋處取樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、腐蝕后，在ZEISS Axiovert 200 MAT光學顯微鏡下觀察。圖2為裂紋處微觀形貌，由圖2（a）可見，拋光態(tài)結(jié)果顯示裂紋處未觀察到氧化和脫碳；由圖2（b）可見，腐蝕態(tài)結(jié)果可見中心偏析帶。進一步放大觀察腐蝕態(tài)試樣，圖3為試樣基體處和裂紋處組織形貌。由圖3（a）可見，基體處組織為珠光體+少量鐵素體；由圖3（b）可見，裂紋處組織為馬氏體+少量貝氏體。這說明成分的偏析導致了組織的不同形態(tài)。

圖1 試樣宏觀缺陷形貌Fig.1 Appearance for Macroscopic Defect of Samples

圖2 裂紋處微觀形貌Fig.2 Microstructures in Location of Cracks

圖3 試樣基體處和裂紋處組織形貌Fig.3 Microstructures in Matrix and Location of Cracks on Samples

為了確認各元素在鋼板中的偏析情況，使用電子探針對試樣進行微區(qū)成分分析，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，鋼板中C、Mn、P元素偏析非常嚴重，S元素存在局部偏聚，Si元素基本無偏析。

圖4 試樣成分電子探針分析結(jié)果Fig.4 Analysis Results of Compositions in Samples by Electron Probe

基于以上分析可以判斷，由于熱軋板試樣厚度方向的中心部位存在較嚴重的C、Mn、P元素偏析，造成局部成分變化，進一步導致組織變化使該處延伸率差，加工受力時造成鋼板開裂。

3 采取的措施

3.1 提高鑄機設備精度

由于鑄機投產(chǎn)時間長，受備品備件不足、維護欠缺等各種因素影響，鑄機輥縫合格率不斷下降，不僅增大鑄坯內(nèi)部裂紋的風險，還會造成動態(tài)輕壓下的壓下量與目標值不符，對鑄坯偏析控制有較大影響。通過分析枝晶檢驗結(jié)果與輥縫合格率的關系可以發(fā)現(xiàn)，輥縫合格率的下降基本都伴隨著枝晶檢驗結(jié)果的惡化，這說明了輥縫控制精度對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量影響較大。因此，經(jīng)過多次跟蹤評價鑄機輥縫狀態(tài)，結(jié)合輥縫測量結(jié)果，對每個扇形段狀態(tài)進行評價并制定調(diào)整或更換計劃，將鑄機輥縫合格率由85.38%穩(wěn)步提高到90.42%。

3.2 優(yōu)化生產(chǎn)工藝

若鑄機澆鑄速度和中間包澆鑄溫度波動，連鑄坯凝固末端位置會隨之變化，動態(tài)輕壓下位置必然隨之調(diào)整，造成輕壓下位置不準且壓下量不足，嚴重影響輕壓下效果，加重鑄坯偏析。為了保證鑄機恒速、低溫、恒溫澆鑄，采取了以下優(yōu)化工藝措施。

3.2.1 優(yōu)化成分檢驗工藝

高碳鋼成分檢驗一直存在碳含量波動大問題，導致檢驗結(jié)果不穩(wěn)定，嚴重影響精煉處理時間和成品成分控制精度。為了提高成品成分檢驗可靠性，組織評價了不同銑磨深度對碳含量檢驗精度的影響。選取同一批中間包樣品，每個樣品的銑磨深度均設置為A、B、C、D 4個組距，每個組距檢驗兩點，統(tǒng)計所有樣品同一銑磨深度下碳含量偏差的平均值，得到不同銑磨深度對碳含量偏差的影響如圖5所示。

圖5 不同銑磨深度對碳含量偏差的影響Fig.5 Effect of Various Grinding Depths on Deviation of Carbon Content

實驗結(jié)果表明，當銑磨深度達到B時，可以在基本不影響檢驗時間的前提下提高檢驗精度，使碳含量檢驗穩(wěn)定性更好，更有利于控制精煉處理時間。

3.2.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐配碳工藝

轉(zhuǎn)爐碳成分一直按照成品上限的90%進行控制，造成精煉工序補碳量大。因為增碳劑密度小，精煉可處理時間短，所以精煉過程的碳收得率不高而且波動很大，補碳量越大，這種現(xiàn)象越明顯，造成精煉處理時間不受控，嚴重影響鑄機拉速的穩(wěn)定。經(jīng)過大量實踐及理論分析發(fā)現(xiàn)，將轉(zhuǎn)爐碳成分控制目標由內(nèi)控上限的90%提高到100%，可以顯著減少精煉補碳量，有效縮短并穩(wěn)定精煉處理時間，進而穩(wěn)定控制鋼水成分。優(yōu)化前后精煉補碳量及處理時間的對比見圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后精煉補碳量及處理時間的對比Fig.6 Comparison of Supplementary Carbon Quantity for Refining and Treatment Time before and after Optimization

3.2.3 優(yōu)化鑄機目標拉速和中間包過熱度控制

（1）理論計算和現(xiàn)場模擬實驗發(fā)現(xiàn)，鑄機拉速每提高0.1 m/min，鑄坯凝固末端會后延0.5～1.5 m。如果生產(chǎn)過程中鑄機拉速波動范圍較大，那么凝固末端位置波動范圍也會較大，則動態(tài)輕壓下位置調(diào)整時間隨之延長，這期間生產(chǎn)的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量無法得到保證。為了保證動態(tài)輕壓下效果，在保證拉速最高限定值不變的前提下，將拉速的允許波動范圍差由0.55 m/min縮減為0.20 m/min。

（2）中間包過熱度也會對凝固末端位置造成一定影響。中間包過熱度控制過高或過低，不僅會造成鑄機降速或升速，影響動態(tài)輕壓下效果，嚴重的還會導致生產(chǎn)事故。對3年內(nèi)高碳鋼的中間包過熱度實際控制情況進行分析發(fā)現(xiàn)，中間包過熱度普遍控制在目標上限，還存在較多中間包溫度高導致鑄機降速的情況。據(jù)此將高碳鋼中間包目標過熱度在原來的基礎上降低了5℃，不僅保證了鑄機拉速的穩(wěn)定，而且實現(xiàn)了低過熱度澆鑄，可有效改善鑄坯偏析。

3.2.4 優(yōu)化鑄機輕壓下工藝

對鑄機動態(tài)輕壓下工藝參數(shù)進行優(yōu)化，將輕壓下區(qū)間由40%～95%調(diào)整至50%～120%，平均壓下量增加35%。

3.2.5 優(yōu)化鑄坯凝固模型

原鑄坯凝固模型中，碳含量范圍為0.2%～1.2%的鋼種只劃分了4組，且物性參數(shù)相同，同一鋼種組涵蓋的鋼種范圍大，導致模型與鋼種匹配不佳，凝固末端位置計算偏差大，嚴重影響鑄機輕壓下效果。針對這一問題，結(jié)合現(xiàn)場實際品種情況，將4組鋼種細分為20組，并對凝固模型內(nèi)的物性參數(shù)進行修正完善，使模型的凝固末端位置與實際凝固位置更好符合。優(yōu)化前后鑄坯凝固模型的對比如表2。

表2 優(yōu)化前后鑄坯凝固模型的對比Table 2 Comparison of Casting Blank Solidification Models before and after Optimization

3.3 建立“關鍵點”控制體系

結(jié)合生產(chǎn)情況和現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，分析提煉出設備精度要求、成分和溫度控制等17個質(zhì)量控制關鍵節(jié)點，并建立“關鍵點”控制體系，以此為基礎開展高碳鋼關鍵點的日常監(jiān)控并糾正執(zhí)行過程中出現(xiàn)的偏差，為改善鑄坯偏析提供重要的管理手段。

4 取得的效果

通過采取以上措施，有效地改善了高碳鋼鑄坯中心偏析缺陷，B0.5級以內(nèi)的比例由72%提高到92%，高碳高錳鋼碳偏析度由1.34降至1.10以下，錳偏析度由1.27降至1.08以下。優(yōu)化前后鑄坯形貌對比見圖7。

圖7 優(yōu)化前后鑄坯形貌對比Fig.7 Comparison of Casting Blank Appearances before and after Optimization

5 結(jié)論

（1）分析鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司生產(chǎn)的高碳鋼產(chǎn)品表面開裂原因是熱軋板厚度方向中心部位存在較嚴重的C、Mn、P元素偏析引起局部成分變化，進一步導致組織變化使該處延伸率變差，加工受力時造成。

（2）根據(jù)分析結(jié)果，采取了如下措施：加強鑄機輥縫狀態(tài)跟蹤評價，鑄機輥縫合格率由85.38%穩(wěn)步提高到90.42%；優(yōu)化鋼水成分檢驗工藝，避免工序過程碳含量波動大；將轉(zhuǎn)爐碳含量控制由內(nèi)控上限的90%提高到100%，減少了精煉工序補碳量；優(yōu)化鑄機目標拉速和中間包過熱度控制，將拉速的允許波動范圍差值由0.55 m/min縮減為0.20 m/min，中間包目標過熱度在原來的基礎上降低了5℃，穩(wěn)定了鑄坯凝固末端的位置；優(yōu)化鑄機輕壓下工藝，平均壓下量增加35%；細化高碳鋼鋼種凝固模型，并對凝固模型內(nèi)的物性參數(shù)進行修正完善；提出17個質(zhì)量控制關鍵節(jié)點，并建立“關鍵點”控制體系，為改善鑄坯偏析提供重要的管理手段。

（3）通過采取上述措施，有效地改善了高碳鋼鑄坯中心偏析缺陷，B0.5級比例由72%提高到92%，高碳高錳鋼碳偏析度由1.34降至1.10以下，錳偏析度由1.27降至1.08以下，提高了高碳鋼鑄坯質(zhì)量。