高碳钢内部偏析优化实践

赵文涛 ，朱晓雷 ，宁生龙 ，李超 ，马宁 ，田永久 ，李志刚

（1.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；3.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；4.鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁 朝阳 122000）

钢铁材料中的高碳钢产品如碳素工具钢、弹簧钢、合金工具钢等广泛应用于机械制造、航空航天、汽车制造等产业，其质量对相关制造产业整体品质的提升有重要意义。高碳钢由于碳含量高，合金成分复杂，凝固过程容易产生碳、硫、磷及部分合金元素的偏析，铸坯内部质量难以控制，直接影响产品组织性能的稳定性。与传统板坯连铸相比，采用薄板坯连铸生产高碳钢具有的优势为：冷却强度大，凝固速率高，铸态组织的二次、三次枝晶更短，晶粒更加细小、均匀，微观偏析得到改善，同时采用液芯压下技术可进一步减少铸坯的中心偏析。国内钢企采用薄板坯连铸试制生产高碳钢时出现过开裂问题，通过采取成分控制、工艺优化等一系列措施提高了铸坯的质量。例如，山东日照钢铁公司采取提高成分控制精度、降低中间包过热度、保持铸机恒速率等措施有效改善了上述问题［1-2］。鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司（以下简称“鲅鱼圈”）1450连铸机生产的高碳钢在进行深加工时，部分产品表面出现了开裂，因此对缺陷样品进行检验分析，确认产生原因，以便采取相应措施，有效改善上述问题，提高高碳钢产品质量。

1 主要设备情况

鲅鱼圈产线配备铁水预处理、260 t转炉、LF和RH炉外精炼及具有动态轻压下和在线调宽功能的1450连铸机，主要设备情况如表1所示。

表1 主要设备情况Table 1 Main Equipment State

2 存在的问题及原因分析

对出现开裂的高碳钢产品取样观察，试样宏观缺陷形貌见图1。由图1可见，裂纹缺陷存在于钢板厚度方向中心部位。在裂纹处取样，经镶嵌、磨制、抛光、腐蚀后，在ZEISS Axiovert 200 MAT光学显微镜下观察。图2为裂纹处微观形貌，由图2（a）可见，抛光态结果显示裂纹处未观察到氧化和脱碳；由图2（b）可见，腐蚀态结果可见中心偏析带。进一步放大观察腐蚀态试样，图3为试样基体处和裂纹处组织形貌。由图3（a）可见，基体处组织为珠光体+少量铁素体；由图3（b）可见，裂纹处组织为马氏体+少量贝氏体。这说明成分的偏析导致了组织的不同形态。

图1 试样宏观缺陷形貌Fig.1 Appearance for Macroscopic Defect of Samples

图2 裂纹处微观形貌Fig.2 Microstructures in Location of Cracks

图3 试样基体处和裂纹处组织形貌Fig.3 Microstructures in Matrix and Location of Cracks on Samples

为了确认各元素在钢板中的偏析情况，使用电子探针对试样进行微区成分分析，结果见图4。由图4可以看出，钢板中C、Mn、P元素偏析非常严重，S元素存在局部偏聚，Si元素基本无偏析。

图4 试样成分电子探针分析结果Fig.4 Analysis Results of Compositions in Samples by Electron Probe

基于以上分析可以判断，由于热轧板试样厚度方向的中心部位存在较严重的C、Mn、P元素偏析，造成局部成分变化，进一步导致组织变化使该处延伸率差，加工受力时造成钢板开裂。

3 采取的措施

3.1 提高铸机设备精度

由于铸机投产时间长，受备品备件不足、维护欠缺等各种因素影响，铸机辊缝合格率不断下降，不仅增大铸坯内部裂纹的风险，还会造成动态轻压下的压下量与目标值不符，对铸坯偏析控制有较大影响。通过分析枝晶检验结果与辊缝合格率的关系可以发现，辊缝合格率的下降基本都伴随着枝晶检验结果的恶化，这说明了辊缝控制精度对铸坯内部质量影响较大。因此，经过多次跟踪评价铸机辊缝状态，结合辊缝测量结果，对每个扇形段状态进行评价并制定调整或更换计划，将铸机辊缝合格率由85.38%稳步提高到90.42%。

3.2 优化生产工艺

若铸机浇铸速度和中间包浇铸温度波动，连铸坯凝固末端位置会随之变化，动态轻压下位置必然随之调整，造成轻压下位置不准且压下量不足，严重影响轻压下效果，加重铸坯偏析。为了保证铸机恒速、低温、恒温浇铸，采取了以下优化工艺措施。

3.2.1 优化成分检验工艺

高碳钢成分检验一直存在碳含量波动大问题，导致检验结果不稳定，严重影响精炼处理时间和成品成分控制精度。为了提高成品成分检验可靠性，组织评价了不同铣磨深度对碳含量检验精度的影响。选取同一批中间包样品，每个样品的铣磨深度均设置为A、B、C、D 4个组距，每个组距检验两点，统计所有样品同一铣磨深度下碳含量偏差的平均值，得到不同铣磨深度对碳含量偏差的影响如图5所示。

图5 不同铣磨深度对碳含量偏差的影响Fig.5 Effect of Various Grinding Depths on Deviation of Carbon Content

实验结果表明，当铣磨深度达到B时，可以在基本不影响检验时间的前提下提高检验精度，使碳含量检验稳定性更好，更有利于控制精炼处理时间。

3.2.2 优化转炉配碳工艺

转炉碳成分一直按照成品上限的90%进行控制，造成精炼工序补碳量大。因为增碳剂密度小，精炼可处理时间短，所以精炼过程的碳收得率不高而且波动很大，补碳量越大，这种现象越明显，造成精炼处理时间不受控，严重影响铸机拉速的稳定。经过大量实践及理论分析发现，将转炉碳成分控制目标由内控上限的90%提高到100%，可以显著减少精炼补碳量，有效缩短并稳定精炼处理时间，进而稳定控制钢水成分。优化前后精炼补碳量及处理时间的对比见图6所示。

图6 优化前后精炼补碳量及处理时间的对比Fig.6 Comparison of Supplementary Carbon Quantity for Refining and Treatment Time before and after Optimization

3.2.3 优化铸机目标拉速和中间包过热度控制

（1）理论计算和现场模拟实验发现，铸机拉速每提高0.1 m/min，铸坯凝固末端会后延0.5～1.5 m。如果生产过程中铸机拉速波动范围较大，那么凝固末端位置波动范围也会较大，则动态轻压下位置调整时间随之延长，这期间生产的铸坯内部质量无法得到保证。为了保证动态轻压下效果，在保证拉速最高限定值不变的前提下，将拉速的允许波动范围差由0.55 m/min缩减为0.20 m/min。

（2）中间包过热度也会对凝固末端位置造成一定影响。中间包过热度控制过高或过低，不仅会造成铸机降速或升速，影响动态轻压下效果，严重的还会导致生产事故。对3年内高碳钢的中间包过热度实际控制情况进行分析发现，中间包过热度普遍控制在目标上限，还存在较多中间包温度高导致铸机降速的情况。据此将高碳钢中间包目标过热度在原来的基础上降低了5℃，不仅保证了铸机拉速的稳定，而且实现了低过热度浇铸，可有效改善铸坯偏析。

3.2.4 优化铸机轻压下工艺

对铸机动态轻压下工艺参数进行优化，将轻压下区间由40%～95%调整至50%～120%，平均压下量增加35%。

3.2.5 优化铸坯凝固模型

原铸坯凝固模型中，碳含量范围为0.2%～1.2%的钢种只划分了4组，且物性参数相同，同一钢种组涵盖的钢种范围大，导致模型与钢种匹配不佳，凝固末端位置计算偏差大，严重影响铸机轻压下效果。针对这一问题，结合现场实际品种情况，将4组钢种细分为20组，并对凝固模型内的物性参数进行修正完善，使模型的凝固末端位置与实际凝固位置更好符合。优化前后铸坯凝固模型的对比如表2。

表2 优化前后铸坯凝固模型的对比Table 2 Comparison of Casting Blank Solidification Models before and after Optimization

3.3 建立“关键点”控制体系

结合生产情况和现场实验数据，分析提炼出设备精度要求、成分和温度控制等17个质量控制关键节点，并建立“关键点”控制体系，以此为基础开展高碳钢关键点的日常监控并纠正执行过程中出现的偏差，为改善铸坯偏析提供重要的管理手段。

4 取得的效果

通过采取以上措施，有效地改善了高碳钢铸坯中心偏析缺陷，B0.5级以内的比例由72%提高到92%，高碳高锰钢碳偏析度由1.34降至1.10以下，锰偏析度由1.27降至1.08以下。优化前后铸坯形貌对比见图7。

图7 优化前后铸坯形貌对比Fig.7 Comparison of Casting Blank Appearances before and after Optimization

5 结论

（1）分析鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司生产的高碳钢产品表面开裂原因是热轧板厚度方向中心部位存在较严重的C、Mn、P元素偏析引起局部成分变化，进一步导致组织变化使该处延伸率变差，加工受力时造成。

（2）根据分析结果，采取了如下措施：加强铸机辊缝状态跟踪评价，铸机辊缝合格率由85.38%稳步提高到90.42%；优化钢水成分检验工艺，避免工序过程碳含量波动大；将转炉碳含量控制由内控上限的90%提高到100%，减少了精炼工序补碳量；优化铸机目标拉速和中间包过热度控制，将拉速的允许波动范围差值由0.55 m/min缩减为0.20 m/min，中间包目标过热度在原来的基础上降低了5℃，稳定了铸坯凝固末端的位置；优化铸机轻压下工艺，平均压下量增加35%；细化高碳钢钢种凝固模型，并对凝固模型内的物性参数进行修正完善；提出17个质量控制关键节点，并建立“关键点”控制体系，为改善铸坯偏析提供重要的管理手段。

（3）通过采取上述措施，有效地改善了高碳钢铸坯中心偏析缺陷，B0.5级比例由72%提高到92%，高碳高锰钢碳偏析度由1.34降至1.10以下，锰偏析度由1.27降至1.08以下，提高了高碳钢铸坯质量。