王金坤，張振海，宋 健，孫 波，趙東輝

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

優(yōu)質(zhì)碳素鋼按C含量不同可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼，其中高碳鋼由于鋼中碳含量高(含碳量≥0.60%)，具有液相和固相間的溫度區(qū)間較大、糊狀區(qū)寬的特點(diǎn)[1-2]。馬鋼長(zhǎng)材事業(yè)部六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)高碳鋼過(guò)程中，在現(xiàn)有中包過(guò)熱度和拉速條件下，方坯鑄坯中心C偏析控制存在一定波動(dòng)，且在后工序生產(chǎn)線的加熱、軋制過(guò)程中難以消除，對(duì)優(yōu)質(zhì)碳素鋼熱軋盤(pán)條的力學(xué)性能和網(wǎng)碳產(chǎn)生不利影響。隨著客戶升級(jí)及對(duì)高碳鋼產(chǎn)品質(zhì)量要求提升，在用戶使用過(guò)程中，拉拔后期易產(chǎn)生杯錐狀斷口。

高碳鋼工業(yè)線材要求所含的有害元素P和S等非金屬元素較少，塑性及韌性較高，可以通過(guò)熱處理強(qiáng)化，多用于較重要的零件，是極為廣泛應(yīng)用的一種機(jī)械制造用鋼[3-5]。為了提升高碳鋼質(zhì)量，解決鑄坯中心C偏析和鑄坯中心疏松等問(wèn)題，方坯連鑄生產(chǎn)過(guò)程輕壓下技術(shù)及中心C偏析對(duì)工業(yè)線材遺傳性研究等成為高碳鋼領(lǐng)域研究課題[6-8]。

馬鋼高碳鋼工業(yè)線材產(chǎn)品在客戶試用過(guò)程中，當(dāng)成品規(guī)格6.5 mm拉絲到2.2 mm時(shí)，能滿足客戶使用要求，當(dāng)采用大水箱拉拔工藝，拉絲到2.0 mm以下時(shí)，出現(xiàn)不規(guī)則杯錐狀斷裂問(wèn)題，影響客戶的正常使用。經(jīng)過(guò)分析，導(dǎo)致杯錐狀斷裂可能的原因主要是鑄坯中心C偏析過(guò)高，熱軋加熱過(guò)程鑄坯中心C得不到充分?jǐn)U散導(dǎo)致。本文通過(guò)對(duì)中包過(guò)熱度和連鑄拉速等工藝控制進(jìn)行優(yōu)化，降低鑄坯中心C偏析指標(biāo)，提升高碳鋼鑄坯質(zhì)量，解決用戶拉絲過(guò)程中杯錐狀斷裂問(wèn)題，提升高碳鋼工業(yè)線材產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及工藝控制

為提升優(yōu)質(zhì)碳素鋼鑄坯質(zhì)量，控制高碳鋼(含碳量≥0.60%)方坯鑄坯低倍、中心C偏析和軋制成品工業(yè)線材性能，以高碳鋼60#工業(yè)化生產(chǎn)為研究對(duì)象，對(duì)連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)成分、工藝和生產(chǎn)路徑，開(kāi)展工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn)。

1.1 成分設(shè)計(jì)

根據(jù)高碳鋼成分設(shè)計(jì)要求進(jìn)行煉鋼、精煉和連鑄生產(chǎn)，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的3爐60#鋼開(kāi)展試驗(yàn)探究，成分設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)控制情況見(jiàn)表1。

表1 成分設(shè)計(jì)及實(shí)際控制 單位：%

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)高碳鋼生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)拉速、過(guò)熱度試驗(yàn)方案，按試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行高碳鋼(60#)生產(chǎn)，具體方案見(jiàn)表2。

表2 連鑄工藝設(shè)計(jì)

1.3 工藝流程

高碳鋼(60#)方坯鑄坯生產(chǎn)工藝流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→氬站→LF精煉→方坯連鑄機(jī)→鑄坯。

2 結(jié)果分析及討論

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，對(duì)生產(chǎn)的高碳鋼鑄坯進(jìn)行低倍和中心C偏析測(cè)試，軋制成工業(yè)線材產(chǎn)品后對(duì)力學(xué)性能、中心偏析、索氏體化率和夾雜物控制等情況進(jìn)行跟蹤，驗(yàn)證連鑄工藝優(yōu)化對(duì)高碳鋼性能影響。

2.1 鑄坯低倍

高碳鋼60#鑄坯低倍檢測(cè)結(jié)果顯示，拉速2.1 m/min和2.3 m/min時(shí)相對(duì)較好，中心疏松、中心偏析和角部裂紋均為1級(jí)，縮孔、非金屬夾雜和中心夾渣等情況控制良好，當(dāng)拉速提升至2.5 m/min時(shí)角部裂紋為1.5級(jí)，鑄坯中心疏松、中心偏析和縮孔等性能指標(biāo)控制良好，結(jié)果如表3。對(duì)酸洗后的鑄坯進(jìn)行拍照，其中方案2、方案5和方案8的橫向低倍照片和縱向低倍照片如表4所示。

表3 低倍檢測(cè)結(jié)果

表4 鑄坯低倍照片

2.2 鑄坯中心C偏析

橫向鑄坯中心C碳偏析采用9點(diǎn)取樣法，使用規(guī)格為Φ6 mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆取屑樣，采用LECO CS8444碳硫儀檢驗(yàn)碳含量，橫向鑄坯中心C偏析取樣點(diǎn)如圖1所示。

圖1 橫向碳偏析取樣方案

高碳鋼60#鑄坯中心C偏析檢測(cè)結(jié)果顯示，拉速2.1 m/min，中包澆注過(guò)程過(guò)熱度35 ℃時(shí)，鑄坯中心C偏析結(jié)果為1.11，中包澆注過(guò)程過(guò)熱度30 ℃時(shí)，鑄坯中心C偏析結(jié)果為1.10，當(dāng)中包過(guò)熱度25℃時(shí)，中心C偏析結(jié)果為1.07，隨著溫度的降低，在2.1 m/min拉速條件下鑄坯中心C偏析性能改善明顯；拉速2.3 m/min和2.5 m/min時(shí)，鑄坯中心C偏析均≤1.08，滿足質(zhì)量計(jì)劃要求。根據(jù)鑄坯中心C偏析結(jié)果分析，拉速在2.3～2.5 m/min范圍時(shí)，隨著拉速的提升鑄坯中心C偏析有下降趨勢(shì)，相同拉速情況下，中包澆注過(guò)程過(guò)熱度25～35 ℃范圍，隨著溫度降低，鑄坯中心C偏析下降明顯。

表5 偏析檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 力學(xué)性能

采用試驗(yàn)方案1～方案9生產(chǎn)的高碳鋼60#鑄坯，經(jīng)加熱爐、熱軋和控冷等工序后生產(chǎn)的工業(yè)線材成品，抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，具體控制情況如表6所示。

表6 力學(xué)性能

2.4 中心偏析和索氏體化率

采用試驗(yàn)方案1～方案9生產(chǎn)的高碳鋼60#鑄坯，經(jīng)軋制后生產(chǎn)的60#高碳鋼盤(pán)條中心存在輕微的黑點(diǎn)，熱軋盤(pán)條中心偏析綜合評(píng)級(jí)的最大值均為1.0，滿足質(zhì)量計(jì)劃≤3.0級(jí)要求；6.5 mm規(guī)格的60#鋼盤(pán)條的金相組織主要為索氏體組織，根據(jù)YB/T169標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果2.5級(jí)為80%索氏體化率，試驗(yàn)方案1～方案9生產(chǎn)熱軋盤(pán)條索氏體化率測(cè)試結(jié)果均≥80%，滿足質(zhì)量計(jì)劃要求。熱軋盤(pán)條中心偏析和索氏體化率測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 中心偏析及索氏體化率檢測(cè)結(jié)果

圖2 熱軋盤(pán)條中心偏析測(cè)試結(jié)果

2.5 金相組織

采用試驗(yàn)方案2和方案5生產(chǎn)的高碳鋼60#鑄坯，生產(chǎn)的60#高碳鋼盤(pán)條進(jìn)行金相測(cè)試，結(jié)果顯示，方案3金相組織主要為索氏體組織，存在對(duì)工業(yè)線材拉絲影響的馬氏體組織，方案6索氏體組織相對(duì)控制較好，僅存在少量馬氏體組織。

圖3 中心偏析圖

2.6 非金屬夾雜

采用試驗(yàn)方案生產(chǎn)的3爐高碳鋼鑄坯，經(jīng)軋制后生產(chǎn)的工業(yè)線材進(jìn)行非金屬夾雜測(cè)試，結(jié)果顯示，非金屬夾雜物最大等級(jí)為1.0，標(biāo)準(zhǔn)要求≤1.5級(jí)，非金屬夾雜控制較好，滿足質(zhì)量計(jì)劃要求，具體夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 非金屬夾雜測(cè)試結(jié)果

2.7 用戶使用情況

采用優(yōu)化后的連鑄工藝進(jìn)行高碳鋼60#生產(chǎn)，中包過(guò)熱度控制均值28 ℃，拉速2.3 m/min，經(jīng)三個(gè)月的用戶使用跟蹤，最終用戶拉絲規(guī)格在2.0 mm以上時(shí)，杯錐狀斷裂比例降低50%，滿足規(guī)格2.0 mm拉絲生產(chǎn)要求，產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提升。

3 結(jié)論

(1)高碳鋼60#鑄坯低倍檢測(cè)結(jié)果顯示，拉速2.1 m/min和2.3 m/min時(shí)相對(duì)較好，中心疏松、中心偏析和角部裂紋均為1級(jí)，縮孔、非金屬夾雜和中心夾渣等情況控制良好，當(dāng)拉速提升至2.5 m/min時(shí)角部裂紋為1.5級(jí)，在現(xiàn)有工藝和裝備條件下，隨著拉速提升角部裂紋指標(biāo)有惡化趨勢(shì)；

(2)當(dāng)拉速2.1 m/min，中包澆注過(guò)程過(guò)熱度35 ℃時(shí)，鑄坯中心C偏析結(jié)果為1.11，中包澆注過(guò)程過(guò)熱度30 ℃時(shí)，鑄坯中心C偏析結(jié)果為1.10，當(dāng)中包過(guò)熱度25 ℃時(shí)，中心C偏析結(jié)果為1.07；拉速2.3 m/min和2.5 m/min時(shí)，鑄坯中心C偏析均≤1.08，拉速提升有利于鑄坯中心C偏析質(zhì)量改善；

(3)綜上對(duì)高碳鋼鑄坯低倍和中心C偏析測(cè)試及熱軋盤(pán)條力學(xué)性能、中心偏析、索氏體化率、組織和非金屬夾雜測(cè)試結(jié)果分析，選用2.3 m/min拉速和過(guò)熱度≤30 ℃生產(chǎn)工藝，最終軋制的工業(yè)線材質(zhì)量較好，連續(xù)三個(gè)月跟蹤高碳鋼用戶拉絲情況，杯錐狀斷裂比例下降50%以上，經(jīng)連鑄工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的高碳鋼60#產(chǎn)品滿足質(zhì)量計(jì)劃和用戶使用要求。