提高不過精煉的低碳鋼頂鍛性能工藝探討

韓倫杰  楊仁強

(蕪湖新興鑄管有限責任公司, 安徽 蕪湖)

摘  要：為提高不過精煉的低碳鋼的頂鍛性能，從煉鋼工序分析了造成頂鍛開裂的原因，通過減少皮下針孔、強化脫氧、嚴格保護澆注操作、控制外來夾雜物、減少連鑄坯外觀劃傷、優化成分控制等措施，提高低碳鋼的頂鍛性能。

關鍵詞：低碳鋼  頂鍛  皮下針孔  脫氧  保護澆注

1 前言

冷鐓鋼是用冷鐓成型工藝生產緊固件用鋼，因冷成型性能良好，在機械加工行業用冷拔代替熱軋材冷切削機加工，這種工藝節約大量工時、金屬消耗，而且產品尺寸精度高，表面光潔度好，生產率高，是近年來興起的較先進的機加工工藝。隨著鋼鐵行業的技術進步，普通碳素結構鋼的質量穩步提高。越來越多的機械加工企業在利益的驅使下，采用廉價的普通碳素結構鋼，取代部分鉚螺鋼，生產一些對機械強度要求不高的緊固件。

許多鋼廠生產普通碳素結構鋼時，雖用戶要求冷鐓性能，由于成本壓力的增加，仍采用不經過LF爐精煉處理，冷墩開裂的現象經常出現。而隨著用途的變化，材料的冶煉、澆注工藝必須進行相應的調整，以適應用戶的需求。

2 材料性能要求的變化

隨著材料用途的改變，鋼材的使用性能主要由以下變化：

（1）屈服強度σs及變形抗力盡可能的小，這樣可使單位變形力相應減小，以延長模具壽命。

（2）鋼材的冷變形性能要好，即材料應有較好的塑性，較低的硬度，能在較大的變形程度下不致引起產品開裂。

（3）鋼材的加工硬化敏感性盡可能的低，這樣不致使冷鐓變形過程中的變形力太大。

3 生產工藝路線

轉爐——吹氬站——連鑄——軋制

4 試驗與分析

通過在轉爐吹氬后進行定氧，跟蹤軋鋼軋制后的頂鍛性能，詳見下表：

從上表可以看出：氧含量較高的爐次冷頂鍛易于出現開裂。

鑄坯的皮下針孔，是在連鑄坯皮下1～3mm以下的缺陷，冷卻后的鑄坯表面基本找不到這種缺陷。在連鑄坯加熱，氧化鐵皮剝落后，方可發現這種缺陷。同一支鑄坯在加熱前后的外觀質量見下圖：

這種連鑄坯經過軋制后，鋼材的表面在沒有經過頂鍛的情況下，與沒有針孔的連鑄坯軋制的鋼材外觀沒有明顯的區別，但頂鍛后，易出現發紋，這種缺陷不會造成大裂口型的開裂。

4.2.1 造成皮下針孔的機理與解決措施

4.2.1.1 造成連續性皮下針孔機理

整爐連續性皮下針孔，這種針孔小，且彌散，基本均勻分布在連鑄坯四周，內弧面多余其他弧面，主要是由于鋼水中氣體含量高，主要是氧含量較高，在鋼水凝固時，析出CO氣泡沒能夠及時上浮，被連鑄坯剛凝固內表面所吸附造成的。造成這一問題機理為：

在低碳鋼的固、液相線溫度下，鋼水中的C—O平衡，由公式 △Go＝RTln K            

得：ln K＝(－22365－39.63T)/RT  鋼水中的脫碳反應：

經過計算不同成分的Q235、Q195在：

從上表可以看出：冶煉這種鋼，Q195、Q235鋼種只有將鋼水中的氧含量分別降到102ppm、86ppm以下時，且鋼水充分均勻，才能夠避免這一缺陷的產生。同一鋼種碳含量較低時，氧含量的允許含量較高，這一缺陷的產生幾率低。

4.2.1.2 降低氧含量的措施

1）終點碳、終點溫度對鋼水中氧含量的影響

由于生產低碳鋼，鋼水的終點碳含量較低，轉爐一次倒爐雙命中顯得尤為重要。在不同溫度下，終點定氧與碳含量、溫度的檢測詳見下表：

從上表可以看出：適當提高鋼水中終點碳含量，降低終點溫度，能夠降低鋼水中的自由氧含量，降低脫氧難度。生產低碳鋼種主要是降低系統溫度，來降低鋼水中的氧含量。

2）終點底吹對鋼水中氧含量的影響

對有頂底復吹的轉爐，終點提槍后，通過底吹不同時間，鋼水氧含量與終點碳均有一定的變化，見下表；

從上表可以看出：轉爐終點提槍后，隨著底吹時間的延長，鋼中的自由氧含量隨著降低，但終點碳達到一定程度，降低的幅度不大。這是由于在底吹過程中，氣泡的真空效果，使鋼水中的CO能夠降低一定的氧含量。這種方式降低氧含量，由于影響生產節奏與家具爐襯侵蝕，不提倡采取。

1） 出鋼后補脫氧降低鋼水中的氧含量

由于轉爐終點溫度，終點碳含量的變化，脫氧也有一定的變化，特別是轉爐出鋼后氧含量高時，可以采取補脫氧的方式，將鋼水中的氧含量降低到理想值，通過延長軟吹時間，促使氧化產物上浮，達到凈化鋼液的目的。

1） 強化連鑄保護澆注，降低鋼水中的氧含量

主要是通過嚴格控制鋼水與空氣接觸，選擇優質的耐材、保溫劑、保護渣、三大件材料，減少鋼水的二次氧化。

4.2.1.3 間斷性皮下針孔

間斷性皮下針孔主要是由于鋼水在中包澆注過程中，吸入空氣，鋼水來不及上浮，或在鋼水與保護渣界面，部分被剛凝固的鋼水吸附形成的缺陷，這種針孔較大、有2mm左右的深度，一般在鑄坯上呈簇狀缺陷。主要是中包保護澆注密封不合適造成的，兩種中包密封墊見圖3。圖3左側為中包原來密封墊，右側為采取專用密封墊后的狀況，通過改進中包密封墊，避免因保護澆注不良而吸氣造成連鑄坯的間斷性針孔，質量缺陷得以解決。

經過多次檢驗，微觀夾雜物的級別，并沒有直接導致鋼材的頂鍛開裂。

4.3.2 宏觀夾雜對性能的影響

造成頂鍛產生較大裂口（見圖4），有部分原因（部分原因是由于鋼材組織應力與嚴重表面缺陷造成）是由于外來夾雜物造成的，這種夾雜物一般達到100μm以上，主要是在澆注過程中造成的。特別是結晶器卷渣形成大型夾雜，破壞了鋼的連續性，進而影響鋼材的頂鍛性能。

連鑄使用鎂質的耐火材料，采用中間包擋渣墻、擋渣壩，保持中包滿液面澆注，結晶器采用液面自動控制系統，同時采取小振幅、高振頻的參數，避免結晶器內液面的波動裹渣，切除更換中包水口階段生產的連鑄坯等措施，可以大幅度減少宏觀夾雜物的帶入。

4.3.3 鑄坯與棒材表面對頂鍛性能的影響

頂鍛小裂紋(見圖5),與連鑄坯的表面有一定的關系,較深的表面缺陷（見圖6），在軋鋼加熱與軋制后，仍沒有消除的缺陷，對頂鍛的性能有一定的影響，這主要靠強化設備維護，提高設備可靠性上予以解決。

4.3.4 化學成份的優化

鋼中含碳量越高，鋼的強度越高，而塑性越低，碳含量一般按中下限控制為宜。鋼中硅含量超過0.15%，隨硅含量增加，鋼的抗拉強度、硬度有所提高，但延伸率低，斷面收縮率下降更顯著，不利于冷變形，且非金屬夾雜物急劇增加，冷鐓鋼盡量要求減少硅的含量。鋼中錳含量適中，可改善鋼中硫的存在形態和分布，有利于提高鋼的冷成型性。鋼中的硫在冷鐓時會使金屬的結晶顆粒彼此分離引起裂紋；磷會惡化冷塑性變形能力，在拉拔時會使線材斷裂，冷鐓時使產品開裂，鋼中的硫、磷含量應控制在0.025%以下。

（1）降低鋼水氧含量，能夠提高頂鍛性能。

（2）連鑄坯皮下針孔主要是由于脫氧與保護澆注不良造成的，對低碳鋼的頂鍛性能有影響。

（3）微觀夾雜對頂鍛性能影響較小，宏觀夾雜影響較大。

參考文獻：

[1] 蔡開科，陳士富.連續鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業出版社，1999