非合金结构钢生产的质量状况及改进措施.docx

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1、非合金结构钢生产的质量状况及改进措施我国非合金结构钢的生产已经取得了氏足的发展。尽管如此，由于各企业在 设备条件、工艺流程、生产控制能力等方面的差异，表现在生产水平和质量上仍 有很大差距，质量波动也较大。本文以在现有生产条件下提高非合金结构钢的质 量为目标，通过分析非合金结构钢生产过程的各个环节，以期对非合金结构钢生 产有新的认识。碳素结构钢和优质碳素结构钢属于非合金结构钢类。钢中有害杂 质含量较低，纯洁度和化学成分均匀性较高。碳素结构钢以规定最低强度为主要 特征，并具有一定的综合力学性能和工艺性能.优质碳素结构钢除要求保证化学 成分外，还要保证力学性能，要按用途所需保证低倍组织和满足其他一些

2、规定的 要求。碳素结构钢和优质碳素结构钢是n炼钢出现以来最先发展的最基础钢类， 已经有约200余年生产历史。它用途广泛、生产数量大、品种规格多、价格便宜。我国的碳素结构钢和优质碳素结构钢的生产起步较晚；1952年分别制定了 第一个碳素结构钢和优质碳素结构钢部颁标准。上世纪70年代以后步入快速发 展阶段，逐步形成了品种、规格多样化，产量、质量和综合成材率不断提高，消 耗不断下降的多层次生产局面；产品基本上可以满足国内需要，产品标准已经全 而向国际标准看齐。随着对钢质量要求和技术标准水平的提高，以及生产技术的进步，非合金结 构钢生产工艺流程不断得到完善和优化。目前，国内采用的先进生产工艺流程通 常

3、为：铁水预处理一复吹转炉炼钢一二次精炼一连铸连轧，或超高功率电炉炼 钢一二次精炼-连铸一连轧。上述流程都是以新技术、新工艺和新装备为基础的， 从而使钢的纯净度、化学成分稳定性和均匀性高，也提高了钢的综合性能。非合金结构钢中的中高碳钢（例如45#钢），其性能与成分密切相关据统计、 回归分析，钢中的C是影响45 #钢强度和断面收缩率的主要原因。因此，很多 企业研究得出了化学成分C、Si、Mn、P、S与阪、Os、&%、W%的多元回归 方程式，用于指导生产操作和性能预测。为了搞好非合金结构钢特别是中高碳钢 的生产，国内企业家在生产中积累了很多经验;包括完善转炉终点控制、挡渣出 钢和炉外增碳操作，以及连

4、铸过程关键技术；例如二冷冷却制度、比水量、专用 保护渣和钢水过热度控制等。尽管如此，国内在非合金结构钢生产水平和质量上 与国外先进水平相比仍有较大差距，质量波动较大，有待改进。本文涉及的质量 探讨可能高于标准要求，但有助于推动非合金结构钢生产的进步发展。1调查研究范围和方法质量调查的钢种为碳素结构钢Q195L、优质碳素结构钢45#。采用连续跟踪、 系统取样方式进行研究。转炉容量30t,连铸机为R6.5/12m 一机两流全弧形板坯 连铸机和R7.0m四机四流全弧形方坯连铸机。取样炉次的基本工艺流程如下框 图所小：混铁炉LD转炉方坯保护浇注转炉 吹显询 吹冬后 中间包 结品器 俸坯0板坯保护浇注2

5、调查研究结果2. 1非合金结构钢水成分变化2. 1. 1钢中碳含量变化碳是45#、Q195L钢中最重要元素，其含量与钢性能及钢质量密切相关，同 时也是操作水平的标志之一。对转炉终点和铸坏取样，其碳含量（质量分数/%）的 波动及平均值见表1。图1为45#、Q195L钢沿取样点的碳含量平均值的变化。0.600.500.400.300.200.1()图145#、Q195L钢沿取样点平均碳含量的变化表1转炉终点和碍坯取样的碳含房：（质量分数）的波动和平均值钢种钢种要求转炉终点铸坯最大值最小值平均值最大值最小值平均值45#0. 42 0.500. 1050. 4800. 2870. 400. 490.

6、46Q195 LW0. 100. 0650. 0860. 0720. 0700. 100. 09表1的结果表明，45#钢的转炉终点控制不稳定，终点碳含量波动大，控制 准确性有待提高；图1的结果说明，平均碳含量从转炉到吹氯站进站和中间包到结晶器之间呈明显增长趋势.显然，从转炉到吹氯站间的变化是由炉后增碳所 致，而中间包到结晶器间则与包内所加覆盖剂有关。可见，铸坏中碳含量既与转 炉终点有关，更主要是受生产过程的调整和控制。钢的成分优化是提高碳素钢性 能的前提条件。从性能要求上讲，C、Si、Mn含量都有最佳值，P、S则越低越 好。因此，提高终点碳和沿程碳控制的准确性和稳定性，以及与Si、Mn等元素

7、的最佳组合还有待今后更仔细的研究。2. 1.2钢中氮含量变化45#、Q195L钢中平均氮含量（质量分数）沿取样点的变化见图2。从图2可 见，钢中氮含量多数阶段呈明显增长状态。钢水中氮含量的来源单一，主要来自 空气，而钢水从空气中吸氮的同时也吸氧，所以钢水沿程必须加强保护，以减少 钢中氮含量增加。吹氛前吹显后中间包结品器罕0二(NWW妃IN】基否S6-02()O取样心I图2 45#、Q195L钢中平均氮含量沿取样点的变化2. 1.3钢中总氧量变化钢中总氧量TO = O溶解+ O结合，O溶解为钢液脱氧后与钢 中元素相平衡F1.溶于钢中的氧，其值很低而目.波动不大。0结合是以内生和 外来夹杂物形式存

8、在于钢中的结合氧。因此，脱氧后钢中总氧量TO实际上 体现了氧化物央杂数量，故可用TO量作为钢纯净度的量度。图3为经CAS精炼和未经CAS精炼45#钢中TO的平均值沿取样点的 变化。从吹氯站进站到中间包阶段，TO呈明显下降趋势，说明钢水精炼和中 间包对净化钢质有明显效果。 一未经CAS精垛-CAS粘炼转炉吹机站进站 吹缸站出站 中间包 结晶若取样点图3经CAS精炼和未经CAS精炼45#钢中TO的平均值沿取样点变化从图3可以看出，从吹氯后到中间包，经CAS精炼的钢中TO下降幅度 比未经CASffl炼的钢中TO下降幅度要大。可见CAS精炼具有较好的去除 夹杂效果.显然，在有条件的情况下，钢水采用精炼

9、措施对提高钢质量有明显 好处。2.2渣中成分变化图4为冶炼45#钢的熔渣中CaO、SiO2、A12O3、MnO、MgO和全铁TFe沿 取样点的变化。熔渣的TFe除转炉终点稍高外，沿程其他位置均处于较低水平, 说明熔渣氧化性控制较好。渣中A12O3主要来源于脱氧产物、二次氧化产物、 耐火材料浸蚀物和钢水覆盖剂。可见，渣中A12O3来源多、数量大。因此，控 制渣中A12O3来源，对提高钢的纯净性有利。从取样点渣中CaO、SiO2含量可 见，转炉终点渣碱度偏高，说明转炉造渣制度待加强。取样点图4 45#钢熔渣化学成分沿取样点的变化随着钢水的转移和浇铸操作，大包渣和中间包渣都有可能进入到结晶器中。 因

10、此，结晶器渣可能包括转炉渣、中间包渣、二次氧化产物等.它们在结晶器 中如果来不及上浮，将滞留钢中成为夹杂物.因此，减少转炉下渣、加强夹杂 物的上浮排除工作及加强浇铸操作，对提高钢的纯净性都是有益的。由于是碳素钢，熔渣成分不复杂，沿取样点变化无明显异常，说明生产上只 要控制好工艺参数，防止碱度、氧化性、A12O3的大幅度波动，就会有利于提高 钢质量。2. 3铸坯凝固组织检验作为铸坯内部质量（缺陷）的检测，通常采用硫印检测法和热酸浸蚀法。但 随着炉外精炼设备的广泛采用，钢中硫的质量分数多已控制在0. 005%以下，使 硫印检测不易判断，有时检测结果出现“白板”；热酸浸蚀法虽然能够显示出铸 坯内部缺

11、陷及粗大柱状晶组织，但操作复杂，控制不当极易将缺陷扩大。本文采 用的凝固组织显示方法，是对试样剖面加工、腐蚀、成像的方法，可以获得结晶 组织和内部缺陷的较清晰图貌，铸坯凝固组织检测参照国家低倍评级标准。45#钢铸坯凝固组织检测结果及低倍缺陷情况见表2,图5为铸坯组织及缺 陷显示情况的照片。从表2和图5可见，铸坯柱状品发育明显，个别试样柱状品 直至坯心。试样普遍存在中心裂纹和中心疏松。在受检的4个试样中有两个存在 残余缩孔。从检验结果看，喂线试样略好于不喂线试样。由铸坯检验看，试样缺 陷差异不大，说明炉与炉之间铸坯低倍组织波动不大。所检铸坯质量缺陷主要与 钢水过热度高、冷却速度大等因素有关。可见

12、，铸坯质量的好坏与连铸操作密切 相关。要减少铸坯缺陷，必须严格控制好连铸工艺参数。图5显示铸坏凝固组织（缺陷）的照片 表2铸坯凝固组织检测结果炉号- 编号试样部位评级备注等轴晶：柱状晶中心疏松中心裂纹残余缩孔4-1中间坯头部 （喂线）10:901.01.0 级1.0级铸坏质量较差，由于柱状晶特别发 达，造成中间搭晶，妨碍液相补缩 而造成残余缩孔,4个对角均有明显 的搭晶线。4-2中间坯头部 （不喂线）16:84无1.0级1.0 级其凝固组织状况与1号坯相似，只 是边部细小，等轴晶带稍厚。5-1中间坯头部 （喂线）19:811.00.5无该铸坯与41、42号坯相比凝固 组织略好，柱状晶较短，中间

13、裂纹 明显减轻，坯心有不定向的粗大柱 状晶或粒状晶.若将心部的不定向 的柱状晶也按等轴晶计算，则等轴 晶比例会大有增加。5-2中间坯头部 （不喂线）18:8230 pm的夹杂物占00.61%,可见金相检验的主要是钢液内生的小 颗粒夹杂。由表3可见，沿取样点低碳钢（Q195L）比中碳钢（45#）夹杂物密度普遍偏低， 这与低碳钢中常存元素含量少，生产过程相对简化，FcSi、Fe-Mn等物料加 入量少等特点所产生的内在夹杂物少密切相关.生产沿程对比可见，低碳钢铸 坯钢质比较纯净，吹冠后、结晶器取样点钢中央杂物密度高而且呈大幅度波动。 因此，加强生产沿程各环节的操作，对提高钢铸坯质量，减少钢的内生夹杂

14、 物数量rr利。在生产沿程中，45#钢夹杂物密度比Q195L钢高，在铸坯中也是如此。这说 明45#钢比Q195L钢生产复杂，所产生的内生夹杂物多，因此纯净性比Q195L 钢差。众所周知，45#钢属优质碳素结构钢，质量要求相对较严格，因此对钢纯 净性要求也应该更高。45#钢在吹觎站、中间包和结晶器中夹杂物密度呈明显下降趋势，说明钢水 精炼操作、中间包对净化钢质有明显作用.为更好地发挥其效能，应该在设备 和工艺参数上继续改进，以强化其功能，进一步发挥净化钢质的作用.夹杂物密度在中间包、结晶器与铸坯间表现的波动，说明浇铸参数的影响也很大。铸流 控制不当，将使液面覆盖渣被卷携转移的机会增多，并使钢中夹

15、杂物上浮的机会 减少，从而不利于减少钢中夹杂物。表3非金属夹杂物密度（个/mm2 ,最小值最大值/平均值）沿取样点的变化2.5铸坯试样的大样电解取样点转炉终点吹前吹氯后中间包结晶器铸坯夹杂物45#钢471.1 502.1351.6 480.2255.1 276.9267.7287.2密度Z486.6/415.9/373.4/266.0Z277.5（个-mm我国碳素结构钢和优质碳素结构钢经过多年生产和发展，技术标准已经 全面向国际标准看齐，钢的纯净性、化学成分稳定性和均匀性大幅度提高，产品 基本上可以满足国内市场需要。 从优质钢的角度审视非合金钢产品，在成分控制和优化，铸坯质量及纯净性等方面尚存

16、在质量堪忧之处。尽管生产中采用了较先进的流程和设备，但并不一定达到预期效果，其原因与生产过程中操作和控制密切相关。 从提高产品质量的角度考虑，在同样生产条件下，如果能按照纯净钢的操作方式组织生产，非合金结构钢产品的实物质量有可能进一步提高。） Q195 L220.59257.35306.76307.90387.18394.07222.87286.08291.82330.887238.97/307.33/390.63Z254.48Z322.27/225.76对45#钢、Q195 L钢铸坯试样的大样进行电解，获得的粒径N50pm的夹 杂物占47. 14%79. 13%.可见大样电解分离出来的夹杂物

17、主要是外来夹杂 物。由不同铸造条件铸坯获得的夹杂物总量（质量分数）平均值如表4所示。由 表4可见，对45#钢，经CAS精炼比未经CAS精炼的试样夹杂物总量低很多， 说明CAS精炼对净化45#钢钢质有明显作用，有利于提高钢的纯净性;结晶器喂 线钢夹杂物总量明显高于不喂线钢，这可能与喂线钢所产生的夹杂物来不及从钢 中排除有关。Q195L钢的夹杂物总量在各种处理方式下都高于45#钢。在经CAS精炼情 况下，Q195L钢夹杂物总量是经同样处理的45#钢的10倍以上。可见，低碳钢 比中碳钢的外来夹杂物要多很多，这可能与低碳钢的钢水氧位高和炉渣氧化性较 强有直接关系。表4试样大样电解结果（夹杂物总量（质量分数）平均值）3结语与展望钢号CAS精炼未经CAS精炼喂线不喂线45#19. 6353. 1644. 7822. 63Q195 L213. 62244.87一一