高强度钢的质量控制

高强度钢的质量控制

0塑性低区主要产生的问题2008年，世界铬铁产量超过1万吨。世界上100多家造船厂正在生产含有铬的板、带板和棒板。其中一些车间受到严格控制，进行了弯曲和连压操作，可以确保表面质量的高质量，没有裂纹缺陷。在已经发表的有关传统塑性低谷区的研究中,很多人认为塑性低谷区与高碳当量有关,而与是否含有微合金化元素(Nb、V和/或Ti)无关。然而,对于普通碳锰钢,如果某些炼钢和连铸参数不合理,塑性低谷区同样可以引起表面和内部质量问题。比较了不同钢厂的炼钢和操作规程后发现,有些钢厂可以稳定地生产无缺陷含铌钢坯,而有些钢厂却总是遇到一些困难。一般来说,能够稳定生产无缺陷坯的钢厂在其整个产品结构中总体质量评价也较好。对于那些遇到困难的钢厂,他们通常将问题产生的原因归结于高温塑性低谷区。许多研究表明塑性低谷区是普通碳锰钢和微合金化钢等各种成分钢的一种固有性质。然而,相同成分的含铌钢可在其他钢厂成功地生产。通常,在连铸过程中产生的裂纹是炼钢和连铸生产过程中的一些不合理的操作引起的,比如残余元素的含量、过热度的波动、转包温度分层、结晶器保护渣不匹配、拉坯速度的波动、和/或过度二次冷却。本文将探讨其中的一些根源,改进措施,减少或消除铸坯裂纹的产生办法,从而提高钢的表面和内部质量。对于那些将自己定位于生产高品质含铌钢的钢厂,有机会享有生产附加值产品带来的更高的产品利润空间。从熔炼到连铸,严格的过程控制是影响热轧产品最终性能的一个非常关键的因素,可使钢材获得:①更好的低温韧性;②较高的屈服强度,以降低结构的横截面积;③改善扩孔成形性能;④更好的可焊性,以减少施工时间;⑤改善热影响区(HAZ组织)韧性;⑥改善高温性能;⑦改善抗疲劳性能。1残余元素的处理在生产高品质钢时,由于去除有害残留元素的动力学和热力学条件在炼钢和精炼过程不同,有时甚至是相互矛盾的,所以可以采取不同策略来控制残留元素的含量。每个钢厂都需要彻底了解自身的过程冶金变量,形成自己的操作实践,才能生产所需成分的钢种。钢中残余元素是一个非常重要的基础条件。通常,钢厂在生产复杂的微合金钢初期,由于钢中残余元素高,可能导致产生裂纹、表面质量差和偏析问题。造成热塑性降低的根本原因是残余元素含量高,但在某些情况下,缺陷或裂纹产生的根源被错误地归因于Nb对塑性低谷区的影响。在生产高附加值的品质钢材时,残余元素的质量分数至少应符合以下标准:·wP:≤0.015%;·wS:0.010%～0.015%,非关键钢种;0.005%～0.010%,钙处理钢;0.002%～0.005%,钙处理的重要钢种;·wO:≤0.0015%;·wH:≤0.0002%,关键钢种;·wN:尽可能低(转炉炼钢中wN通常低于0.0050%,而电炉炼钢中wN要低于0.0065%)。在解决含铌钢表面质量问题时,建议优先采取的操作是:用钙处理,将S质量分数降至0.002%～0.010%水平。钙处理并不能确保获得无缺陷铸坯,却能极大地增加改善表面质量和内部纯净度的可能性。下一节将介绍残余元素对热塑性的影响,如N、H、S、P、Cu等。1.1文化元素及微量元素在含Al的微合金化钢中,通常认为N不利于钢的热塑性。为了避免横向裂缝,N含量应保持尽可能低的水平。在某些情况下,Ti的加入对热塑性也是有害的。然而,在低冷却速度下,在低N(质量分数0.005%)的C-Mn钢中添加Ti,又有助于获得更好的热塑性。当Ti∶N为4.5∶1时,可以获得最佳的热塑性。对于高N钢(电炉炼钢典型的质量分数0.010%),建议Ti的加入量不要太高(质量分数0.010%),以减少含Ti粒子的数量。此外,钢中溶解的Al含量要低,以防止与过量N元素结合形成AlN。对于C-Mn-Nb-Al钢,Ti的影响与C-Mn钢类似。这些钢中存在的Nb和Al元素会粗化含Ti粒子,因而对热塑性低谷区的影响一般不大。因为在较高的温度下高N含量会促进析出行为,Ti与N结合后,剩余的N可能对热塑性有利。钢中的S含量应保持在尽可能低的合理水平,以降低有害的细小硫化物在奥氏体晶界析出倾向。钙夹杂物形貌控制处理将球化硫化锰夹杂并改善连铸机矫直段铸坯的塑性。钢中残留的Cu通常来自废钢料,其残留的Cu质量分数应小于0.15%。残留Cu对铸坯的表面质量有害,促使发生横向开裂。Sn的影响与Cu类似。虽然Cu对热塑性有害,但是加入少量的Ni可以抵消引起的热塑性损失(wNi∶wCu通常控制在1.5～2.0范围内)。P是大量研究工作关注的一种元素。过去的一些研究表明,在某些情况下,钢中P的质量分数低于0.25%可改善700～1200℃区间铸坯的塑性。这种改善的结果是在偏析减少的前提下获得的。如果有较多的P发生偏析,枝晶间液体将在低于固相线下的某一温度出现。在奥氏体晶界上出现这种液膜将严重降低铸坯的热塑性。这种状况将使铸钢容易在连铸早期和结晶器后的铸造阶段产生开裂。虽然已经证实少量P可改善C-Mn钢和C-Mn-Al-Nb钢的热塑性,但不建议采用这种方法改善热塑性。1.2减少转炉钢板n含量的措施图1显示了铝镇静钢中随N含量的提高铸坯裂纹敏感性增加,在连铸汽车用钢和结构钢中这种现象更为明显。通过使用低氮的原料及结合实际操作,可以尽量减少在炼钢过程中和随后工序中N的吸入,从而达到降低钢中N含量的目的。采用以下操作可使板坯连铸机中间包的N质量分数低于0.006%:(1)对于联合炼钢,保持铁水中的Ti质量分数高于0.10%。从高炉出来的铁水中的Ti含量越高,铁水中N含量就越低;(2)避免转炉炼钢后吹操作。在C含量低的情况下,后吹操作的增加会使N含量急剧上升。如果后吹时间超过60s,会吸入相当含量的N;(3)由于出钢温度的提高会引起N含量的增加,所以降低出钢温度有利于降低N含量。在较高温度下出钢,N含量的波动要明显大一些;(4)在出钢过程中,进行部分脱氧和使用石灰石屑可减少N质量分数的增加(高达0.001%);(5)钢水搅拌操作必须稳定一致,一定要尽可能避免钢包炉(LF炉)底部强搅拌。大部分N的吸入是由于吹开钢液顶部的渣层,钢液表面直接暴露到大气中而产生的;(6)氩封长水口系统应取代氮封。成本效益分析表明,改善表面质量和减少缺陷带来的好处超过使用氩气带来的较高成本。1.3h含量的影响氢主要是影响中、高碳钢和含高Mn、Cr、Ni的钢种,特别是大型型钢。在Mn-Cr、Cr-B和Cr-Mo系钢中,必须控制H含量。H含量的控制是至关重要的,对于这些裂纹敏感的钢种,wH限于0.0002%。1.4与晶间断裂相关高温下硫不但会扩大钢的表面裂纹倾向,它还会增加钢中夹杂物的数量,危害钢材的物理和力学性能,因此,钢中的硫含量必须严格控制,尽可能低(除切削加工钢外)。对于高等级钢种,高炉铁水中的S质量分数不易高于0.015%。经过钢包SiCa脱硫后,S质量分数通常要降至0.003%～0.009%。对于含铌钢的浇铸,有些情况下,MnS夹杂是造成热塑性降低的根本原因。一般来说,MnS与晶间断裂有关。含铌钢的热塑性对钢中的固溶S含量非常敏感,固溶S易于晶界偏析。随着S含量的提高,热塑性下降(图2)。正如图2所示,在850℃下矫直低硫钢的断面收缩率接近50%,热塑性明显高于高S的含铌钢。如果S含量过高,S会使晶界上的Nb(CN)与奥氏体间的界面产生大量的空位。虽然降低S含量会改善韧性,但是也有证据表明,含铌钢的最低S质量分数不应小于0.001%。这是因为硫化物粒子可作为高温下Nb(C,N)的形核位,过低的S含量将减少Nb析出。钙处理操作过程中必须考虑到这一点,极低的S(质量分数<0.001%)可能会阻止在矫直前的铌析出。1.5增强钢的热稳定性在显微结构层面上,有4个控制热塑性的主要因素。它们也是最重要的4个因素:①应变率;②晶粒尺寸;③析出;④夹杂物含量。提高矫直应变速率和细化晶粒尺寸(一般小于200μm)都可以改善韧性。提高应变速率将减少晶界滑移,细化的晶粒使得裂纹沿晶界扩展变得更加困难。其他两个影响热塑性的重要因素是沉淀物和夹杂物。晶界沉淀物和非常细小的沉淀物会降低热塑性。例如,对于某一特定体积分数的沉淀物和/或夹杂物,晶界上的颗粒越细,它们之间的联络越近,裂纹也就更容易连结。因此,通过控制S和P含量来改善钢的洁净度,可以降低夹杂物整体的体积分数。其次,采用连铸机二冷段的弱冷工艺将有助于优化沉淀物的体积分数和尺寸,改善铸坯的热塑性。1.6连铸机的操作分析和裂纹机理这项研究工作将进行大量的热塑性试验分析研究,试样样品来自世界各地的钢厂,包括中国、巴西、北美洲和欧洲等地区的钢厂。这些试样组将包括不同S和P含量情况下的微合金化(Nb、V和/或Ti)低碳钢、包晶钢和中碳钢,它们的成分范围将涵盖一些钢厂经历裂纹产生的情况。世界各地的钢铁公司将提供钢样,以促进该热塑性试验方案的进行。各钢厂还需要提供相应试样的连铸机及轧制工艺参数,从而使热塑性测试可以模拟实际的操作特点和裂纹机理。对于含铌钢生产企业,这一研究课题将达到三个目的:①加强对裂纹产生机制的认知;②确定相应操作要点,以保证获得无裂纹含铌钢连铸坯;③提供操作指南,以尽量减少连铸过程发生裂纹的概率。由此产生的学位论文和相应的文章,将成为客户发表技术报告的国际平台和基础。热塑性试验结果分析将与连铸机操作的几个关键参数关联起来,这些参数可影响连铸过程中的应力及裂纹的萌生和扩展行为。操作数据由提供样品的钢厂给出。根据理论和经验,需要考量下面的连铸机参数:①结晶器传热特性;②结晶器振动频率和振幅;③二次冷却水的流量和分布;④连铸速度,由碳当量决定;⑤轻压下;⑥扇形段对中;⑦连铸机的设计参数(即冶金长度和弯曲半径)。有些客户声称含铌钢在连铸过程(即方坯、板坯或近终形结构型钢铸坯等)遇到裂纹问题,通过与他们的技术访问发现,他们将塑性低谷区视为引起铸坯裂纹的根源。然而,还有许多其他生产操作因素会导致铸坯表面和/或内部质量问题。例如,图3是根据作者的经验做出轻型和中型S355异形坯热塑性参考曲线,该钢的化学成分质量分数为wC0.10%,wMn1.00%,wNb0.02%～0.04%、wS0.010%和wP0.015%的。矫直温度在850～900℃范围内,并没有产生裂纹。从图中还可以看出,这个温度范围内的最小面缩率约30%,如此的热塑性却能令人满意地生产出无裂纹的轻型和中型型钢。2铸机的钢水温度消除裂纹的两个最有效措施是控制钢水浇铸温度和降低二冷的冷却速率。对于优质钢种,要严格控制进入连铸机的钢水温度。如果钢过热度太高,会造成严重的中心偏析,甚者还会增加发生漏钢的概率。如果过热度太低,又可能引起水口堵塞,甚至钢水在中间包内凝结,造成钢水回炉等问题。因此,必须在获得良好铸造性能、产量和铸坯内部和表面质量之间取得平衡。连续浇铸要求供给的钢水温度保证在浇铸周期内顺行。2.1铸机维护的改进某钢厂生产含铌型钢时翼缘处出现裂纹问题,将其归因于含铌钢在750～900℃温度范围热塑性的降低。但是,另外有一家钢厂生产相同的含铌结构钢种和异型坯尺寸却没有发生裂纹。钢厂A的试验钢异型坯的化学成分质量分数列于表1。从下面的炼钢、连铸参数、对含铌钢冶炼/浇铸之间的认识等方面,展开了冶炼和工艺操作的分析。(1)过热度的波动;(2)钢包温度不均(透气砖的位置和数量);(3)异形坯裂纹和二冷冷却条件之间的关系(象限图);(4)为避免裂纹,连铸机维护的重要性。各部分的对准波动范围为±0.2mm。通过措施调整控制偏差;(5)根据图表显示的热塑性低谷区探求在理想的900℃以上进行矫直的可行性(在850℃以上,也取得了一些成功操作);(6)在实验室用金相分析异形坯的横向截面。测量异形坯四个圆脚处的奥氏体晶粒尺寸(混晶会对热塑性产生不利影响);(7)在满足力学性能要求的前提下,降低Mn含量以减少偏析;(8)调整钢中S质量分数的上限(不超过0.015%,最好能控制在0.010%的水平);(9)如果碳质量分数大于0.10%,可适当调整Mn含量降低钢中的C含量。型钢厂在生产C质量分数为0.1%的品种时一般不会遇到裂纹问题;(10)生产统计分析越好,越能够降低工艺波动;(11)有时,钢厂在由V改用Nb时需要降低拉坯速度约5%,但改进实际工艺操作后,完全可以用同一拉速;(12)不同的钢厂可以采用不尽相同的操作规范生产成分相同的品种。适合自身工艺的轧制参数(水和温度)意味着降低成本;(13)连铸和轧制参数关联到冶金质量(异形坯裂纹、化学成分偏析和力学性能的不稳定)。经上述各方面的研究分析,形成了如下改进建议,而且通过采取这些改进措施后,生产出了无缺陷的含铌S355型钢,连续浇注50炉含铌S355型钢没有出现裂纹缺陷。改进的工艺措施如下:(1)降低过热度波动范围,最高不超过20℃;(2)钢包内钢水温度分层是造成过热度波动的根本原因。同时,完善了钢包搅拌操作,使得浇铸过程中的温度均匀稳定;(3)二次冷却水流量减少了10%～15%,以实现软冷操作。2.2c含量对astm的影响结合低碳钢低合金冶金思路,采用新的冶金工艺技术和操作可带来可观的成本效益。高附加值含铌微合金钢的应用和未来发展将在改善产品质量、性能和工艺操作中发挥关键作用。例如,表1中C含量较低(B厂),成功地生产出了S355钢,力学性能和化学成分满足ASTM的要求。同时,B厂生产的低碳钢具有优良的热塑性,而且没有出现连铸缺陷或裂纹问题。如有可能,强烈建议C质量分数低于0.10%。有报道指出,降低C含量可使奥氏体更易于向铁素体转变。形变诱导铁素体的大量形成使得热塑性低谷区变窄。碳质量分数必须低于0.10%是诱发这一机制发生的条件。因此,在低于包晶区的低碳水平(质量分数<0.1%)下,不太可能形成柱状晶和细化铸态晶粒尺寸。对于微观组织,这些条件将有利于缩小塑性低谷区。2.3含铌钢坯的质量控制通过采用适当的连铸操作和化学成分,完全可以生产出无裂纹缺陷的低碳和高碳当量含铌钢坯。如果在含铌钢坯上(或任何其他钢种)出现表面或内部质量问题,建议参考下面相关工艺操作和设备维护项目进行检查分析。如果已经采用了本报告前面讨论的成分建议和冶炼操作,但仍有铸坯质量问题,那么,其根本原因可能会与下面的一个或多个因素有关:(1)面控制性能·结晶器保护渣的热传输;·结晶器液面控制性能;·保护渣加入的连续性;·减少二次冷却水,确保板坯/方坯/异型坯的角部温度在900℃以上。(2)连铸机和晶体装置的设计·结晶器表面锥度;·振痕深度和降低裂纹深度的关系。(3)预防维修问题·冷却头和喷嘴(即压力和体积的变化);·水的质量和温度;·各段对准度;·辊缝和磨损情况;·轻压下效果。(4)对精炼和钢包温度的控制·与含硫量高有关的热塑性低谷区问题;·浇铸中钢包温度分层;·过热度过高(>20℃)。(5)清洁并触发裂缝·非标准操作;·在高碳当量钢种中缺乏经验的