彭 楊,劉榮華,靳博穎,趙健明,牛 亮

(衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司,湖南 衡陽(yáng) 421000)

鈮元素在鋼液中可以顯著提高鋼的再結(jié)晶溫度,降低奧氏體晶粒粗化趨勢(shì),同時(shí)能夠發(fā)揮細(xì)化鋼中晶體的作用,提高鋼的強(qiáng)韌性[1]。在低碳含錳鋼中加入Nb合金設(shè)計(jì)的14Mn5Nb類低合金鋼經(jīng)正火處理后具有高強(qiáng)度、高縱向塑性應(yīng)變能力、耐腐蝕、抗低溫和良好焊接性等優(yōu)良特性,可生產(chǎn)X56、X60和X70等用于高壓輸送和嚴(yán)酷環(huán)境的管線管[2],這類管材是現(xiàn)今鋼管生產(chǎn)廠家的熱門生產(chǎn)鋼種[3-4]。

外折缺陷是影響無(wú)縫鋼管質(zhì)量的重要因素之一,有效避免外折缺陷產(chǎn)生是鋼管生產(chǎn)企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的難題[5]。本文中某鋼廠生產(chǎn)的14Mn5Nb管材制造工藝以鐵水與廢鋼為原料,經(jīng)過(guò)電弧爐冶煉、LF爐精煉以及VD爐脫氣等工序獲得鋼水。再通過(guò)弧形連鑄、緩冷、環(huán)形爐加熱[6]、錐形穿孔之后進(jìn)行限動(dòng)連軋。軋鋼生產(chǎn)的鋼坯還需要經(jīng)過(guò)步進(jìn)爐再加熱從而消除張力,再進(jìn)行定徑、熱處理、矯直與探傷檢驗(yàn),最終合格的產(chǎn)品進(jìn)行包裝入庫(kù)。采用該工藝生產(chǎn)的某批次Φ323.8 mm×8.3 mm規(guī)格的14Mn5Nb無(wú)縫鋼管出現(xiàn)了批量“魚鱗”狀外折,較淺的外折缺陷通過(guò)修磨即可使用,但嚴(yán)重的外折則影響鋼材的正常使用,需要報(bào)廢處理。最終這批次鋼管廢品率超過(guò)30%,成材率大幅度降低,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于鋼鑄坯表面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象及其形成機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究,并取得了一定的進(jìn)展。

鄭萬(wàn)等[7]為降低含鈮低合金鋼鑄坯的裂紋敏感性,采用超高溫激光共聚焦顯微鏡、透射電鏡等手段研究了鈦元素對(duì)含鈮低合金鋼高溫鑄坯的晶粒度及析出物的影響。結(jié)果表明微鈦元素能夠有效調(diào)控鋼坯中氮化物的析出溫度、析出位置,有效降低含鈮鋼第三脆性溫度槽的寬度和深度。黎新春[8]針對(duì)出現(xiàn)的坯料表面“魚鱗”狀外折現(xiàn)象進(jìn)行軋管實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鋼管“魚鱗”狀外折是水平連鑄坯冷隔裂紋所致。黃野等[9]針對(duì)某廠生產(chǎn)的20號(hào)鋼圓鋼經(jīng)穿管后出現(xiàn)折疊缺陷的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)連鑄坯、圓鋼、鋼管三個(gè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行調(diào)研和分析,找到折疊的原因是連鑄坯表面存在劃痕。提出了改進(jìn)連鑄坯表面劃痕的措施并對(duì)改進(jìn)后鋼材進(jìn)行質(zhì)量跟蹤,使鋼管成品率提高為98%。田漢蒲等[10]針對(duì)27SiMn鋼管表面出現(xiàn)的嚴(yán)重外折現(xiàn)象進(jìn)行研究,通過(guò)金相分析、鑄坯酸洗等方法發(fā)現(xiàn)鋼管外折原因來(lái)自鋁的氮化物沿奧氏體晶界析出時(shí)斷裂導(dǎo)致連鑄矯直點(diǎn)的溫度未超過(guò)第三脆性區(qū)溫度,使得鑄坯產(chǎn)生橫裂紋。劉超群等[11]針對(duì)36Mn2V管坯鋼出現(xiàn)表面裂紋現(xiàn)象,過(guò)裂紋部分進(jìn)行了金相組織觀察、掃描電鏡分析,結(jié)果表明連鑄坯本身存在的質(zhì)量缺陷是36Mn2V圓鋼產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。

目前關(guān)于鋼鑄坯表面裂紋的研究主要集中于特定鋼種,而關(guān)于含鈮連鑄圓坯在連鑄高拉速下出現(xiàn)的表面橫裂紋在軋管過(guò)程中的變化和控制措施卻鮮少見(jiàn)到。因此,本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,就采用330 mm直徑鑄坯軋制Φ323.8 mm×8.3 mm規(guī)格的14Mn5Nb鋼管出現(xiàn)的批量“魚鱗”形外折及鑄坯表面橫裂紋進(jìn)行研究,通過(guò)形貌觀察和分析,結(jié)合 “刻槽”試驗(yàn)以及帶缺陷軋制試驗(yàn),確定含鈮鋼鑄坯表面裂紋的主要產(chǎn)生原因,并提出改善措施,為高拉速下控制含鈮包晶鋼鑄坯表面橫裂紋提供生產(chǎn)指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

在14Mn5Nb缺陷鋼管上取樣,采用直讀光譜進(jìn)行成分分析,結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明試樣的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

表1 14Mn5Nb化學(xué)成分表 %

1.2 缺陷觀察與分析

1)鋼管缺陷

Φ323.8 mm×8.3 mm鋼管“魚鱗”外折缺陷宏觀形貌如圖1所示,呈半圓形或S形“魚鱗”狀外折疊(外折)形貌,缺陷沿管體軸向小角度擴(kuò)展延伸。

圖1 缺陷宏觀形貌

在缺陷位置橫向取金相試樣進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。裂紋沿管壁大斜向擴(kuò)展,附近存在較多的高溫氧化圓點(diǎn),兩側(cè)有明顯脫碳層。裂紋附近的脫碳需要在800 ℃以上的高溫并停留一定的時(shí)間,碳原子向外擴(kuò)散與空氣中的氧反應(yīng)生成CO或CO2氣體,而氧化圓點(diǎn)的形成則需要950 ℃以上,保溫半小時(shí)以上,或者1 000 ℃以上保溫20 min以上,由此可推測(cè)該裂紋在環(huán)形爐加熱前就已經(jīng)存在,因此可判斷“魚鱗”形外折是由鑄坯表面缺陷經(jīng)軋管過(guò)程擴(kuò)展變形引起的。

圖2 缺陷微觀形貌

2)鑄坯缺陷

取5支Φ330 mm規(guī)格的14Mn5Nb鑄坯中浸入熱鹽酸池中,酸洗10 h后檢驗(yàn)圓坯表面情況,發(fā)現(xiàn)2支連鑄圓坯內(nèi)弧表面壓痕的兩側(cè)有較多的彎曲、不規(guī)則的細(xì)小橫裂紋,如圖3所示。沿缺陷位置取金相試樣進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖4。裂紋呈裂縫或空腔狀,有單條的,也有分叉型的,有與表面貫通的和不貫通的,有呈沿晶、穿晶、長(zhǎng)條形以及斷斷續(xù)續(xù)形狀。經(jīng)掃描電鏡觀察和能譜分析,結(jié)果表明裂紋處存在較高的Nb(C、N),如圖5所示。

圖3 鑄坯表面橫裂紋宏觀形貌

圖4 橫裂紋金相觀察

圖5 裂紋處析出物微觀圖

2 軋制試驗(yàn)

2.1 刻槽軋制和帶缺陷軋制

在一支酸洗后無(wú)缺陷的鑄坯上刻一條人工橫向槽,經(jīng)340軋管機(jī)組采取原來(lái)的工藝軋制,缺陷變化情況見(jiàn)圖6,缺陷由橫向直線型(圖6(a))變成半圓形外折(圖6(b)),兩者位置存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將1支帶橫裂紋的鑄坯切成兩支短坯,測(cè)量橫裂紋位置后,同樣經(jīng)340軋管機(jī)組采取原來(lái)的工藝分別軋成毛管和成品管。毛管和成品管上的外表缺陷位置與圓管坯橫裂紋位置同樣存在明確對(duì)應(yīng)關(guān)系,缺陷形貌見(jiàn)圖7,毛管缺陷(見(jiàn)圖7(a))呈碎片狀分布,成品管缺陷(見(jiàn)圖7(b))呈S形折線狀和半圓形鱗片狀,其形貌與圖1中缺陷形貌高度相似,為“魚鱗”形外折缺陷。

圖6 刻槽缺陷變化

圖7 缺陷宏觀形貌

圖9 高溫塑性曲線圖

2.2 橫裂紋變形分析

坯料上的橫裂紋在軋制過(guò)程中,一進(jìn)入變形區(qū)便以沿晶、穿晶或晶內(nèi)等不同形式沿兩端軸向擴(kuò)展延伸,形成毛管上的表面呈碎裂狀、橫截面呈坑狀(裂口)或裂縫(空腔)狀,然后經(jīng)燒損和氧化,缺陷表面碎裂層減薄,甚至消失,隨著軋制時(shí)的進(jìn)一步變形,裂縫(空腔)以這兩種方式進(jìn)一步擴(kuò)展:一是自身擴(kuò)大,一端擴(kuò)展到外表面,二是裂縫的串聯(lián)或搭接,另外不排除一些缺陷由于未與空氣接觸而沒(méi)有氧化,在高溫高壓條件下被壓焊而消失,最終在成品管體的表面形成上述所見(jiàn)缺陷形貌——點(diǎn)狀、折線狀和鱗片狀。

3 分析與討論

14Mn5Nb鋼管上的缺陷宏觀上呈半圓形或S形“魚鱗”狀外折形貌,沿管體軸向小角度擴(kuò)展延伸;微觀上,裂紋沿管壁大斜向擴(kuò)展,存在明顯脫碳層和高溫氧化圓點(diǎn),可判斷“魚鱗”形外折是由鑄坯表面缺陷經(jīng)軋管過(guò)程擴(kuò)展變形引起的。

鑄坯經(jīng)酸洗后,裂紋位于鑄坯內(nèi)弧表面壓痕的兩側(cè)處,呈彎曲、不規(guī)則的細(xì)小橫裂紋;經(jīng)金相觀察,裂紋形貌復(fù)雜,呈裂縫或空腔狀,有單條的,也有分叉型的,有與表面貫通的和不貫通的,有呈沿晶的,也有呈穿晶,有長(zhǎng)條形的,也有斷斷續(xù)續(xù)的;經(jīng)能譜分析,裂紋處存在Nb(C、N)。

刻槽軋制和帶缺陷軋制結(jié)果表明:毛管和成品管上的外表缺陷位置與圓管坯橫裂紋位置同樣存在明確對(duì)應(yīng)關(guān)系,毛管上的缺陷呈碎裂狀,成品管上面的缺陷呈S形折線狀和半圓形鱗片狀,這是軋制過(guò)程中,原始裂紋隨著擴(kuò)展延伸加上燒損和氧化引起的。

通過(guò)外折缺陷觀察分析、鑄坯酸洗、刻痕實(shí)驗(yàn)以及軋制試驗(yàn)及變形過(guò)程分析,確定該缺陷形成原因?yàn)殍T坯表面橫裂紋造成的。

鑄坯表面裂紋成因分析:

(1)化學(xué)成分影響。14Mn5Nb鋼的含C量為0.12%～0.16%,屬于典型的包晶鋼,其鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生δ→γ相變,奧氏體晶粒粗大、延性小,組織敏感性高,同時(shí)體積收縮大,坯殼凝固厚度易不均勻,進(jìn)而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)鋼中含有 Nb 等微合金元素,Nb(C、N)在凝固過(guò)程中易偏聚于奧氏體晶界處,會(huì)惡化鋼坯的高溫塑性。

(2)連鑄工藝參數(shù)影響。連鑄工藝參數(shù)見(jiàn)表2,該批次14Mn5Nb鑄坯的330 mm規(guī)格拉速遠(yuǎn)高其他鋼廠(同行該規(guī)格拉速約為0.7 m/min)。

表2 連鑄工藝關(guān)鍵參數(shù)

(3)保護(hù)渣。該批次14Mn5Nb鑄坯使用的保護(hù)渣成分和性能見(jiàn)表3,屬于黏度低和堿度低而潤(rùn)滑性高類保護(hù)渣。對(duì)于14Mn5Nb這類裂紋敏感性鋼種,保護(hù)渣應(yīng)具備較強(qiáng)的結(jié)晶能力以有效控制傳熱,減緩包晶反應(yīng)對(duì)連鑄拉速帶來(lái)的影響,可對(duì)于高拉速工藝來(lái)說(shuō)則需要良好的潤(rùn)滑性,兩者的矛盾難以協(xié)調(diào)。

表3 保護(hù)渣參數(shù)

(4)冷卻制度。結(jié)晶器水量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致初生坯殼受到摩擦力、相變力、熱應(yīng)力、鋼水靜壓力等超過(guò)坯殼的臨界強(qiáng)度時(shí),在坯殼較薄處易產(chǎn)生表面裂紋,因此弱冷有利于改善包晶鋼表面質(zhì)量。二冷制度采用弱冷有利于提高鑄坯初生坯殼均勻性,降低鑄坯表面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化連鑄二次冷卻、鑄坯矯直溫度,避免第Ⅲ脆性區(qū)間的矯直裂紋是降低含鈮低合金鋼連鑄坯裂紋的有效手段。然而該廠拉速較快,需采用強(qiáng)冷制度避免鑄坯回溫漏鋼及火焰切割時(shí)產(chǎn)生“液芯”。

(5)高溫?zé)崴苄杂绊?。?dāng)斷面收縮率值低于40%時(shí),連鑄坯容易發(fā)生橫裂紋,以此作為評(píng)判連鑄過(guò)程中控制連鑄坯拉伸溫度避開(kāi)脆性溫度區(qū)間的依據(jù)。有文獻(xiàn)指出,含Nb鋼的第III脆性區(qū)為700～900 ℃,而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得進(jìn)拉矯溫度均大于900 ℃。于是對(duì)14Mn5Nb鋼進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn),對(duì)不同溫度下的高溫拉伸斷口進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算后,得到高溫塑性曲線見(jiàn)圖8,其斷面收縮率隨溫度變化的情況為:在 960～1 100 ℃的斷面收縮率均在69%以上,處于較高平臺(tái)上,此時(shí)的高溫?zé)崴苄员容^好;隨著溫度的提高,斷面收縮率緩慢提升,到1 100 ℃時(shí)的斷面收縮率最大,為82%;而在 900～940 ℃時(shí),斷面收縮率均在40%以下,說(shuō)明14Mn5Nb連鑄圓坯高溫?zé)崴苄灾笜?biāo)迅速變差,處于高溫拉伸的塑性低谷區(qū);隨著溫度的降低,斷面收縮率大幅度下降,到900 ℃時(shí)斷面收縮率僅為26%,說(shuō)明該溫度范圍正好處于14Mn5Nb鋼的第三脆性區(qū)間內(nèi)。

影響進(jìn)拉矯機(jī)溫度主要工藝參數(shù)為拉速,不同拉速與外折對(duì)應(yīng)情況見(jiàn)表4。從表4中的數(shù)據(jù)可知,不同進(jìn)拉矯溫度與外折比例并無(wú)明顯區(qū)別,也就是說(shuō)雖然第III脆性區(qū)≤940 ℃,但由于Nb化物的析出,947 ℃已無(wú)法保證鑄坯不出現(xiàn)橫裂紋。

表4 拉速與外折關(guān)系

表5 優(yōu)化后保護(hù)渣關(guān)鍵參數(shù)

4 改進(jìn)措施及實(shí)施效果

4.1 改進(jìn)措施

結(jié)合以上分析,確定以下3項(xiàng)措施以改善鑄坯表面橫裂紋:①調(diào)整鑄坯成分,降低鋼種裂紋敏感性;②優(yōu)化結(jié)晶器傳熱,保證鑄坯初生坯殼均勻;③優(yōu)化二冷制度,提高鑄進(jìn)入進(jìn)拉矯溫度[12]。

1)成分調(diào)整

采用鈦合金化工藝,發(fā)揮氮化鈦高溫優(yōu)先析出的固氮作用,降低Nb(C、N)等的析出從而減少裂紋的產(chǎn)生,以及細(xì)化晶粒,已成為控制含鈮鋼鑄坯裂紋的有效手段。由于該廠采用電爐冶煉,通常廢鋼中含有一定殘余Ti,實(shí)際檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)w([Ti])≤0.015%,從生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看,Ti含量偏少,增加Ti含量至0.02%～0.03%。

2)優(yōu)化結(jié)晶器傳熱

(1)保護(hù)渣性能優(yōu)化。提高保護(hù)渣堿度有利于提高保護(hù)渣傳熱均勻性,但會(huì)惡化保護(hù)渣潤(rùn)滑性能,為尋求平衡點(diǎn),進(jìn)行多次保護(hù)渣性能試驗(yàn),最終確定如下保護(hù)渣指標(biāo)可滿足需求。其中堿度提高至1.14,黏度提高至0.9 Pa·s。

(2)降低結(jié)晶器水流量。降低結(jié)晶器水量有利于提高初生坯殼均勻性,但易造成漏鋼事故,通過(guò)逐步摸索,將結(jié)晶器水量由2 500 L/min降低至2 300 L/min,結(jié)晶器進(jìn)出水溫差由5.5 ℃提高至6.5 ℃。

(3)優(yōu)化二冷制度。在拉速不變的情況下,降低比水量可提高鑄坯進(jìn)拉矯溫度,但在生產(chǎn)實(shí)踐中降低比水量卻極易出現(xiàn)切割液芯,造成火焰切割槍結(jié)鋼致使斷澆。再通過(guò)調(diào)整增加二冷段1、2區(qū)水量配比,降低3、4區(qū)水量配比,具體執(zhí)行情況見(jiàn)表6,利用回溫保證進(jìn)拉矯溫度≥970 ℃。

表6 二冷段水量配比

4.2 實(shí)施效果

通過(guò)實(shí)施以上措施,14Mn5Nb連鑄圓坯橫裂紋得到了有效控制,質(zhì)量比較穩(wěn)定,連鑄圓坯在340軋管機(jī)組軋制鋼級(jí)管線管再未出現(xiàn)批量性“魚鱗”形外折質(zhì)量事故。

5 結(jié) 論

(1)14Mn5Nb鋼管產(chǎn)生的批量性“魚鱗”形外折缺陷來(lái)源于鑄坯表面存在橫裂紋,毛管和成品管上的外表缺陷位置與鑄坯橫裂紋位置存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,在環(huán)形爐加熱的過(guò)程中裂紋產(chǎn)生脫碳和高溫氧化圓點(diǎn),在軋制過(guò)程中形成魚鱗狀外形,裂紋處存在較高的Nb(C、N)。

(2)14Mn5Nb鋼屬于含鈮包晶鋼,該鋼的第III脆性區(qū)溫度為940 ℃,高于一般含Nb鋼第III脆性區(qū)溫度700～900 ℃,且在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中947 ℃仍會(huì)產(chǎn)生矯直橫裂紋。

(3)在保持高拉速條件下,通過(guò)降低結(jié)晶器水量200 L/min,提高結(jié)晶器進(jìn)出水溫差,提高保護(hù)渣堿度和黏度,優(yōu)化二冷水配比保證進(jìn)拉矯溫度≥970 ℃,并增加[Ti]至0.02%～0.03%等系列措施,有效控制了14Mn5Nb連鑄圓坯橫裂紋的產(chǎn)生。