82b高碳钢线材易脆断原因分析及控制措施

82b高碳钢线材易脆断原因分析及控制措施

武汉钢铁（集团）生产的82b高碳钢线主要用于生产高强度、低松性能钢丝绳和钢绞线。该产品广泛用于高层建设、大型桥梁、水保护等重点工程。用户对线材质量要求很高。武钢从1998年开始试制该类线材,初期采用模铸工艺生产,产品质量稳定,受到用户好评。1999年底采用转炉连铸生产,铸坯断面200mm×200mm,铸坯直接送高速线材厂轧制成Ф12.5mm线材。采用连铸工艺的生产初期,产品质量不稳定,用户在拉拔钢绞线过程中,容易发生脆断。本文结合对质量问题原因的分析,介绍了在生产工艺上采取的改进措施及取得的效果。1初期生产工艺及质量总结1.1转炉连铸连坯直接高线轧烧工艺路线据资料报导,世界许多先进钢厂生产82B高碳钢均采用了转炉→大方坯(断面大于250mm)→初轧开坯→高线轧制的工艺路线,上述工艺的特点是二火成材,压缩比大,可以利用两次高温加热减轻铸坯中心偏析的危害。武钢1999年底开始采用转炉→连铸(方坯断面200mm×200mm)→直接高线轧制的工艺路线生产高碳钢线材。连铸机为从奥钢联引进的5流方坯铸机,配有结晶器电磁搅拌设备,线材轧机为西马克引进,采用斯太尔摩控冷工艺。该工艺路线具有流程短、生产成本低的优点。1.2预应力钢绞线的制作82B属于过共析钢,w(C)=0.81%~0.85%,w(Mn)=0.60%~0.90%,w(Cr)=0.15%~0.23%。线材直径Φ12.5mm,抗拉强度在1150MPa以上,延伸率在9%以上,断面收缩率在30%以上。对于Φ12.5mm的线材,用户要求经多道拉拔制成Φ5.04mm的预应力钢丝和多种规格的钢绞线的过程中,不允许脆断。经调查用户使用结果,该产品质量不稳定,主要问题是容易脆断,断口成尖锥状。2脆断原因分析2.1试样心部显微硬度与碳化物经对多个试样采用金相及电子探针检验发现:(1)用户拉拔脆断的试样,断口成尖锥状,断口延伸的中心线上存在裂纹、孔洞(见图1),其他部位剪切唇约占总面积的90%,说明试样的断裂源在中心,其他部位仍具有良好的塑性特征。孔洞附近夹杂物与正常试样无明显差异。(2)部分试样心部存在断续马氏体(见图2),而线材基体为索氏体。经测显微硬度发现,马氏体部位的硬度较索氏体部位高近75%(见表1),用能谱仪分析成分,发现马氏体部位的Cr、Mn、Si含量远高于线材边部的索氏体部位(见表2)。由于能谱仪对线材中心马氏体部位的碳含量无法准确测定,测定碳含量主要是在连铸坯上进行,大量数据表明,铸坯中心存在较严重的碳正偏析(见图3)。(3)部分试样心部存在网状碳化物(见图4)。试样心部碳化物沿奥氏体晶界分布,局部已成网状。而线材边部没有网状碳化物。2.2原因分析2.2.1c、mn、cr元素的正偏析对马氏体的影响为了进一步研究82B线材中心马氏体产生的原因,在实验室测定了82B钢的连续冷却转变曲线,不同冷却速度下的组织和硬度。结果表明,钢中组织的变化与轧后冷却速度密切相关,在正常冷却速度范围,奥氏体主要转变为索氏体和珠光体,当冷却速度超过某一临界值,奥氏体转变为马氏体(见图5)。82B线材在轧后冷却过程中,线材表面冷却速度大于中心冷却速度,线材表面没有产生马氏体,而中心产生了马氏体,说明线材中心C、Mn、Cr元素的正偏析对马氏体的形成起到了重要作用。据比较各钢种的奥氏体转变曲线,钢中C、Mn、Cr元素含量的增加,均会增强过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移,由于82B线材中心存在较严重的C、Mn、Cr元素的正偏析,导致中心部位的C曲线已不在原82B钢C曲线的位置,而是向右发生了移动,在某一冷却速度下,线材边部转变为索氏体,而中心偏析区域的奥氏体没有进入索氏体转变区,冷却后直接转变为马氏体。高碳马氏体硬而脆,在线材中心就象一粒粒不易变形的脆性夹杂,线材在用户拉拔过程中,由于马氏体与基体变形不一致,容易造成拉拔脆断,并形成锥形断口,见图6。2.2.2控制板材料的碳化物82B为过共析钢,终轧温度为980℃左右,根据铁-碳平衡相图,在轧后冷却过程中,当奥氏体冷却到稍低于Acm线时,沿奥氏体晶界析出二次渗碳体,到达共析温度(723℃)时,奥氏体通过共析分解转变为珠光体。82B线材中心碳含量越高,加上冷却缓慢,二次渗碳体的析出量就越多。因此,82B线材中心存在严重的碳正偏析,冷却缓慢,是形成网状碳化物的主要原因。网状碳化物削弱了晶粒之间的结合力,在钢受力时,容易沿晶界首先断裂。因此,82B线材中心存在网状碳化物,也是拉拔过程中容易脆断,形成锥形断口的重要原因。3工艺改进和质量改进3.1试验及结果分析在对82B线材质量现状、生产工艺调查研究的基础上,主要试验了以下改进措施。(1)降低钢水浇铸温度,降低拉速,以利降低铸坯中心偏析。连铸投产初期,中间包钢水过热度范围为17~34℃(平均29℃),拉速为1.10~1.45m/min。(目标拉速为1.35m/min),改进后,钢水过热度控制在20~28℃,拉速控制在1.0~1.2m/min。(目标拉速为1.10m/min。),为了适应降低钢水过热度和拉速的需要,主要采取了以下措施:①钢包、中间包永久层里加装保温材料,减少钢包、中间包钢水降温,稳定浇铸过程钢水温度;②中间包钢水面采用双覆盖渣,底层为碱性保护渣,起保护和净化钢水的作用,上层加炭化稻壳,起保温作用;③结合降低钢水过热度和拉速,适当调整了二冷配水参数。(2)采用轻压下技术。武钢方坯铸机无正规轻压下设备,原不具备轻压下功能,要进行轻压下试验,只有借助拉矫辊实施。用拉矫辊实施轻压下,有两个问题必须首先研究解决。①拉矫机夹辊和液压系统的能力是否满足轻压下的要求;②不同拉速下铸坯凝固末端的位置及轻压下的最佳位置。经过试验和对设备参数的测试,结果证明利用现有的拉矫机夹辊和液压系统可以实施轻压下。采用射钉法对82B高碳钢铸坯凝固终点进行了测试研究,利用数学模型对不同拉速条件下的坯壳生长曲线进行了计算,在以上研究工作的基础上,选择轻压下位置在13~18m之间。此位置与拉矫辊的位置基本一致。轻压下总压下量为5mm,由两架拉矫机完成。(3)根据不同线材直径和环境温度的变化,调整轧后冷却工艺参数,使线材轧后冷却速度保持稳定。(冷却工艺另文阐述)。3.2碳偏析效果(1)降低中包钢水过热度和拉速后,铸坯平均中心偏析由1.15降低到1.10(见图7)。(2)通过优化轻压下工艺参数,82B铸坯中心碳偏析得到明显改善,平均偏析系数达到1.06,偏析系数小于1.1的比率稳定在70%以上(见图8)。由于拉矫机并非正规轻压下设备,因此在动态调节及压下量上还受到限制,拉矫辊的寿命也因实施轻压下而受到影响。(3)通过采用改进的操作工艺,82B线材中心偏析级别(包括马氏体、网状碳化物)明显下降,用户拉拔脆断、出现锥状断口的质量问题也很少发生(见表5)。4包钢水过热稳定性的影响(1)连铸坯中心成分偏析是导致82B线材中心产生马氏体、网状碳化物、拉拔过程产生锥状断口的主要原因。(2)降低中包钢水过热度和拉速,可以有效降低