​圆坯连铸机工艺分析

2022-11-26  来自: 安阳市金龙冶金机械有限责任公司 浏览次数:58

圆坯连铸机工艺分析

在本人多年的技术经验的基础上,结合钢铁工业现场,总结出一份综述文章来阐述圆坯连铸一些关键性的问题,供有关的公司领导和工程技术人员作为决策和组织生产的参考之用。


1  大圆连铸机的发展

大圆连铸机的发展是从无缝钢管需求而来的,上个世纪70年代次石油危机后,各国大力开发节能产品,推动了近终形连铸技术发展,大规格圆坯就是近终形连铸的产品之一。采用连铸圆坯直接生产无缝钢管主要鉴于:


(1) 成本优势:显而易见的是采用轧钢的方式获得的圆坯,虽然表面和内在质量较高,但是轧钢工序至少需要30KWh/耗和1.2吉焦/t的加热能耗,按照当前的轧制费用至少吨钢需要150圆加工费用,直接采用连铸圆坯来生产无缝钢管,完全节约了轧制费用,对节能减排国策有利,对企业的成本控制有利;


(2) 大规格产品的需要:无缝钢管发展逐渐从小规格向大规格发展,目前生产的无缝钢管从Φ0.6mm一直可达到Φ450mm,国内的一些厂家甚至可以达到1000m直径的无缝钢管。这么大的无缝钢管需要的原料也是巨大的,使用钢锭或者大型连铸坯来轧制往往就不可能,或者是代价高昂,市场必然选择了铸造圆坯,而且相对说来,大直径的圆坯连铸比小直径圆坯要好控制一些;


(3) 认识上的提高:几十年前人们的认识停留在锻造和轧钢的压缩比要达到5以上,才能给无缝钢管提供合格的管坯,这样就的限制了圆坯连铸的发展。经过科学工作者和工程技术人员的不断努力,认识到连铸圆坯形成的缩孔和疏松在无缝钢管穿孔和轧制过程中能够得到有效的焊合,合理和必然存在别的疏松和缩孔对于钢管的内在质量没有负面的影响,穿孔过程实质就是在斜轧旋向相反轧辊和顶头共同作用下,螺旋前进的圆管坯内部产生撕裂和焊合的过程,在无缝钢管芯棒和轧辊的作用下,能够达到相当大的压缩比,将铸坯的疏松给予焊合,达到无缝钢管的使用条件。理论的支持促进了圆坯连铸的发展。

无缝钢管穿孔解剖实验


时代是在前进的,大圆连铸机问世30多年,很多技术业已成熟,只不过国内还没有掌握到位,公司大胆吸取国外成熟公开的技术,集众家所长,发挥中国人的聪明才智,大胆创新,设计了大圆连铸机。


这套连铸机的设计建成,开创了我国大型圆坯连铸机设计制造的先河,中国人在这个技术领域内和欧洲站在了同一水平上了。这套连铸的投产非常顺利,次热负荷试车就连续生产,经过钢铁公司和工程技术人员不断的努力,产品质量逐步提高,成为国内流的管坯钢供应商,圆坯良好的内外在质量得到用户的高度评价,所有来参观、学习、培训的国内外同行和领导为这套连铸机而感叹和震撼,国内很多领导和技术人员看过这个连铸机。客观地说,她代表了中国大圆连铸机高水平,至今生产出来的产品品质也是中国流的,见图3。要生产的圆坯,就有流的连铸设备,根据的理论和实践完全能够承接圆坯和方坯兼容的连铸机。

设计制造的无锡钢铁公司大圆连铸机在生产

圆坯离开结晶器进入二冷


反映的是直径380mm圆坯二冷零段冷却,这个区域一般称为足辊段冷却,注意这里是没有足辊的,作者始终认为圆坯不用足辊加持,因为离开铜管约束后的圆坯具有厚度固态坯壳,固态坯壳圆环具有的刚度远远大于方坯和矩形坯薄弱之处,不会被钢水被钢水静压造成鼓肚缺陷的,唐工在设计所有的圆坯连铸机上都不要足辊来支撑铸坯,仅仅在外弧上设置一个足辊,目的仅仅是给送引锭杆扶正之用,而且这个足辊至少离开外弧1mm的距离。没有足辊的限制,零段喷嘴可以覆盖铸坯表面,给二冷创造了有利条件,同时大大减轻了结晶器维护的压力,也避免了由于足辊卡死造成的铸坯表面划伤。

天钢联合6流圆坯连铸机全景

联合6流连铸机投产照片,其产品规格一直到φ350mm圆坯。


2  圆坯连铸钢种和要求

2.1  连铸圆坯的钢种

大圆坯连铸机主要面对的市场是无缝钢管和锻造用坯:


(1) 无缝钢管生产用管坯钢:无缝钢管生产量大,相对说批量较大,冶炼和连铸容易组织工业化生产,可以达到相应的批量来组织规模经济生产,无缝钢管管坯钢生产量约占大圆连铸机产能的80%;


(2) 锻造用材:主要是面对小断面锻造用钢。比如小断面轴类用材,中小规格的齿轮用钢和齿轮轴用钢;直径范围在1-5米的齿圈用钢等。锻造坯料生产特点是批量较小,但钢种相应简单。从铸坯的内在质量来看,锻造发展的方向是尽可能使用圆连铸坯,这是因为圆坯几何尺寸的优越性形成了均匀的一维传热,结晶凝固过程中的内在质量明显高于大方坯和大矩形坯,给锻造工序创造了高质量的先决条件。


无缝钢管穿管使用的管坯钢面对下游各家客户群,规范的用户在使用外购来的管坯钢都需要进行低倍检验。在轧制无缝钢管之后,需要对材料进行各种力学性能、金相组织、耐腐蚀性能、成形性能等进行检验。虽说管坯钢在冶炼厂生产检验的项目不多,但是其轧制成形后的各项性能是需要冶炼厂方需要保证的。对材料化学成分和钢水洁净度的控制是根据不同使用工况而变化的,需要过硬的质量保证体系来保证。


无缝钢管用钢主要分为油井管用钢、输油输气用管、高压锅炉管、高压液压管路、气瓶钢管、化学耐腐蚀条件用管和一般流体介质用管和结构用管,这些钢管对应的标准不同,用户使用条件不同,造成了无缝钢管用钢千差万别。


2.2  油井管用钢

油井管用钢主要涉及的标准为美国的API标准,其它标准都是API的翻版和变种,掌握了API标准基本上就可以涉及世界主要的油井管。


(1) J55和K55系列:对应的钢种有37Mn5,30Mn2等;


(2) N80系列:主要是非调钢,33Mn2V、36Mn2V等;


(3) P110系列:生产过程中一般在J55系列钢种中加入铌、钒、钛微合金化元素,通过调质处理达到需要的强度和韧度指标。但用户和协作,使用30Mn2钢种,通过热处理调质处理达到P110各项指标要求,减少了合金使用量,降低了使用成本,这个钢种的量是比较大的;


(4) C90、Q125系列:这些都是在特定条件下使用的套管,要求耐大气、硫化氢和二氧化碳等酸性和碱性介质的腐蚀,主要钢种是30CrMo、28CrMo等系列的钢种;


(5) 输油输气无缝钢管:这就是大家熟悉的X42、X50、X60、X65、X70系列的钢种,这个钢种对于板坯连铸机来说生产比较成熟,但对于大圆坯生产来说难度较大。主要的钢种有14Mn、16Mn、20Mn、27CrMo4s、28CrMo44、30CrMo4s、14MnV、14MnVNb、08MnVNbTi等;


(6) 钻杆用钢管:代表钢种为2Cr3Mo;


(7) 油管:这是等级高的钢,都是企业制订的标准,比如生产的FT-2,FT-3等。


在地质条件复杂油田的油井管中,由于二氧化碳、硫化氢、氯离子等酸性介质的腐蚀,加上原油黏度大,需要反复使用高温高压蒸气加热降低原油的黏度,所以对热冲击和特殊扣都提出了很高的要求。需要的套管就是超级13Cr的钢种了,这就是不锈钢的范畴了,需要有RH真空脱碳设备,生产超低碳的不锈钢才能满足需要,这些钢种和超超临界的高压管相近。


2.3  高压锅炉钢

高压锅炉钢主要使用美国的asme标准和我国的标准。


这些钢种代表了超临界高压锅炉管,如果用户能够高质量生产上述表格的高压无缝钢管,就能够进一步考虑生产超超临界的高压无缝钢管了,比如T91、P91、超级13Cr等更加高级的钢种。


2.4  气瓶用钢

主要是液压蓄能器,各种工业用和民用的氧气、氮气、氩气等气体用瓶,这些钢种虽然不是非常复杂,但是要求比较高,生产难度较大。主要钢种有37Mn,34CrMo44等。


2.5  煤矿支护液压缸用钢

典型钢种为27SiMn。


2.6  锻造用钢管

主要有S48C、45、40Cr、20CrMnTi、2Cr3Mo、20Mn、40Mn、Q345D、42CrMo等。


2.7  普通无缝钢管

主要的钢种有20、10、45等,其中20钢的产量较大。主要用于结构用管,结构用无缝钢管主要钢种分为碳素结构钢、低合金高强度结构钢和合金钢钢管。碳素和低合金高强度钢种主要为:10、20、35、45、20Mn、25Mn、Q275、Q345、Q420等。合金钢用管主要的钢种有:40Mn2、27SiMn、40Cr、12CrMo、15CrMo、20CrMo、42CrMo等等,很多钢种和油井管用钢和高压锅炉管用钢相同或相近。


无缝钢管用钢属于钢和合金钢系列,用户一般都是以协议的方式给出要求,标准仅仅作为未尽事宜项来执行。要记住标准是低要求,根据用户协议指定的工艺文件是高标准,企业在生产过程中就是根据这个工艺文件当作纪律来执行的。并且各家用户由于其轧制的方式不同,热处理设备和工艺不同,所以即使相同的钢种,也对应着不同的用户协议,比如37Mn5钢种,就要面对5家以上的用户协议。所以钢铁公司每一个炼钢厂的工艺文件都是几百页厚的大本子。开始进行圆坯生产的企业达到这个程度,需要相当长的时间,我估计至少需要2-3年的时间才能干出来这么多的钢种,而且要得到市场的肯定也是非常不容易的。


3  连铸圆坯规格和长度要求

从设计的圆坯连铸机生产的规格来看,目前国内的常用的圆坯规格为:Φ110mm、Φ120mm、Φ130mm、Φ140mm、Φ150mm、Φ160mm、Φ180mm、Φ200mm、Φ210mm、Φ230mm、Φ250mm、Φ270mm、Φ280mm、Φ310mm、Φ330mm、Φ350mm、Φ380mm、Φ410mm、Φ450mm、Φ500mm、Φ600mm等。


按照R11米半径连铸机的工艺装备和钢厂的要求,生产的规格为Φ220mm、Φ250mm、Φ280mm、Φ310mm、Φ330mm、Φ350mm六种。在长江中下游地区由于大圆坯的建成使用多年,形成了约定成俗规矩,基本上就是这些规格,在设计和生产上按照无缝钢管厂的要求来提供原料。在设计上对于无缝钢管使用的管坯钢外形尺寸就按照圆坯来确定,比如,生产的Φ280mm圆坯,冷却后的尺寸平均值为Φ278mm。


铸坯的长度根据用户协议和商务合同来制订,按照用户提出的单倍尺原料要求来组织合理的生产长度,按照我多年的生产和用户打交道的经验,要求大圆坯不能低于6米交货,长度不大于10米。


给出管坯钢下限要求是按照连铸机产能要求给定的,用户希望能够按照单倍尺交货,但是连铸机无法生产,吊运作业困难,特别是火车和轮船装船困难,难以固定大圆坯,容易形成翻车和翻船事故,所以我规定短定尺为6米,图6是船运圆坯照片,可以看出船舱摆放也是非常重要的,要防止圆坯倾斜滚动偏移到一侧。

 大圆坯装船


大圆坯长度不超过10米是根据精整厂房条件得出的,我的观点是每一根大圆坯都是需要检验,而且是翻滚检查,去掉切割渣。按照30米跨度的厂房计算,如果倍尺长度超过10米,坯场只能放置两排铸坯,大大减少了厂房的利用率,如果是9米长度就可以安放3堆铸坯,为缓冷和精整创造了有利的条件。


管坯钢的长度是下游无缝钢管用户来制订的,每一个标准、每个用户、每个规格要求的长度都是不一样的,要具体情况具体对待。特别是大截面的铸坯,用户对长度偏差要求是非常高的。江南很多用户是根据生产的规格来确定下料的长度的,所以新的管坯钢供应厂家应当参考当前的成熟设计,避免生产出来的铸坯尺寸偏离约定的数值,给用户带来麻烦。


4  连铸圆坯的精整

连铸过程特别是一冷过程极为复杂,多方面因素的存在和干扰使得坯壳在形成和发展中极为艰难,要掌握一冷过程理论问题目前看来还不具备,100%的合格产品是我们的追求目标,但是要清醒地认识到当代技术还不能保证所有的铸坯表无缺,所以需要对成品圆坯进行精整检查,将不合格品挑拣出来,或者修磨成为出厂。圆坯的精整和修磨是这个时代的产物,暂时不能避免。为什么有的国营钢铁公司不检查修磨呢,这是体制问题,不在讨论范围。


有的公司没有自己的轧管机组,生产的连铸圆坯都是外卖。这就对产品质量严格把关,特别是表面质量。根据我长期生产圆坯的经验,绝大部分出现的质量异议都是表面问题。这是因为:


(1)包晶反应严重:当代无缝钢管用钢向着高强高韧方向发展,低碳、超低碳是钢种发展的方向,含碳量的降低造成的强度上面的损失由合金来弥补。无缝钢管大量的低碳合金钢的碳含量大多落在了20个碳以下,钢水凝固生成初生坯壳时候包晶反应严重,造成了铸坯坯壳凹陷等缺陷,这些缺陷找到,清理表面和亚表面,将其存在和可能存在的表面裂纹和皮下裂纹修磨处理。以包晶钢生产为主的管坯钢需要认真检查铸坯表面,发现问题及时修磨,减少企业的损失,不能将缺陷坯混入到成品中,在用户轧制时候出现质量问题,就是废品了;


(2)打掉挂渣:火焰切割产生的铸坯外弧挂渣对无缝钢管生产是不利的,好将其去除,在我是个打挂渣的人,而且坚持这样做,目的是保证完好的铸坯表面质量给用户,使得无缝钢管在穿孔过程中能够对中,同时正是因为人工打掉挂渣,所以就可以翻动铸坯仔细检查铸坯表面,如果想生产流的圆连铸坯,这个工作要坚持。


(3)圆坯精整:高强度钢的大圆坯需要缓冷,现场一般采用堆冷方式缓冷,见图7和图8。

大圆坯缓冷堆放和精整修磨

 大圆坯集中堆放缓冷方式


要进入到无缝钢管大圆坯供应商的行列之中,坚持高质量政策,流的产品销售给用户,铸坯精整是质量保证有力的措施,也是钢厂外观形象体现。我在外地看用户看铸坯,一眼就可以看出来和其它工厂铸坯的差别,希望钢厂能够坚持高标准要求,生产的管坯钢。


5  是否需要酸洗和抛丸处理

无缝钢管开始使用轧钢圆棒,如果不经过酸洗或者抛丸修磨交货就称为黑皮交货。回顾20年前大多数棒材抵达无缝钢管厂家后,都需经过酸洗修磨,才能保证无缝钢管轧机生产的质量。我当时看到无锡和苏州地区每一条内河都是臭水沟,尤其是钱桥地区无缝钢管轧机多,酸洗量大,所有河流都是臭气熏天。我当时就下定决心,要生产无缺陷的棒材交给用户,不让用户酸洗而直接下料穿孔轧制,即成为黑皮交货和黑皮轧制。在当时是不可想象的,遭到了众多反对,随着管坯钢的质量不断提高,用户逐渐认识到了可以使用的产品而不用酸洗修磨,不仅仅节约了生产成本,重要的是改善了环境,为祖国的蓝天白云和青山绿水做了实际性的工作。


有两种理念:一个是经过酸洗或者抛丸,找出铸坯表面的缺陷进行修磨,将合格的管坯钢交给用户;另一个是将工作放在连铸机的设备和工艺上,精心操作来生产无缺陷的坯料,仅仅在精整工序上检查,发现问题后修磨。我觉得后者应该是今后的道路,将主要精力放在生产过程的控制上。


根据无锡大圆坯生产的经验,在生产一般钢种的情况下,基本上都是无缺陷坯,修磨工作量是很小的。


如果生产新的钢种和新的产品,还是要安排做酸洗查看铸坯的表面质量,为制订正确的工艺做准备。


圆坯连铸的工艺控制难度要比矩形坯和方坯大得多,在很大的程度上,铸坯表面质量决定了铸坯的整体质量。在长期的设计和现场工作中,积累了大量的经验,形成一冷和二冷的思路,根据提出来的理论和实践经验指导了、金安、邯郸、天钢联合和意大利等厂大圆坯连铸,收到了非常好的效果,成为的关键技术诀窍,也是生产高质量圆坯的保证技术。


6  圆坯连铸的标准

生产大圆坯的冶金工厂,应该一只队伍来研究标准,要分析美国、德国、日本、英国、中国等标准,同时对于用户提出来特殊条件都是需要加以正确的分析研究,然后根据自己工厂的实际条件和用户交流,从而制订出合理的技术协议和工艺。各种标准我都有电子版,我这里是比较齐全的,我是一个有心人,收集这些资料。


管坯钢生产的特点之一就是面对世界,国内无缝钢管的订单来源于世界各地,无缝钢管生产厂家拿到没有生产过的订单后,往往来征求管坯钢供应商,看看是否能够生产这个钢种,生产成本多少,这样才能确定是否拿下这个订单。这样就需要公司有人来研究熟悉各国标准,这样的人才要有,如果没有马上就培养。对这些人才的要求为:


l  要求熟悉冶炼、精练和连铸;


l  轧钢也要有的了解;


l  具备金属材料的基本功;


l  了解和懂得金属材料的检验手段和方法;


l  要能够看懂英文的技术协议和文献。


当年在公司这些工作都是我在那里做,的市场反响速度是非常快的,往往我接到技术协议后,很短时间看好,马上就可以确定是否生产,价格多少,通知销售部门立即办理。往往半个小时时间敲定订单。这个工作看似简单,但是需要多年学习和实践的功夫。


7  是否需要真空脱气

一般低碳钢种不需要真空脱气处理钢水,但是对于大断面高强度钢则是需要真空脱气处理的。对于氢的行为我很久前在《世界金属导报》上看过一篇文章,这里引用此文来回答是否需要真空脱气的问题:


质疑“白点”


“白点”也称“发纹”,作为钢中尤其是含Mn、Cr、Ni等合金元素钢中的主要缺陷之一,一直困扰着钢的质量。经过长期的科研工作,人们提出了“白点”成因的一些解释。


依据现有理论以及钢铁冶金人士普遍接受的观点,只要将钢液中氢降至2ppm以下,又防止了浇铸过程中的吸气,钢材上是不应产生“白点”的,因此有了VD以及RH这样的设备,进行了保护浇注,钢材中是不应产生“白点”的,但是今天合金钢连铸生产迅速发展,真空处理手段十分完善时,“白点”问题比以往任何时候都更加困扰当今轴承钢生产:


(1) 某西部企业进行模铸生产时,几乎没有遇见“白点”问题,但自进行轴承钢的连铸生产后,“白点”出现机率大幅度增加,尽管模铸与连铸同样是未进行真空处理,


(2) 轴承集团总工程师李师傅曾问笔者,为什么用经过真空处理的某企业生产的轴承钢的发裂比该厂未经过真空处理的发裂要多,


(3) 某国内企业检验连铸轴承钢,检验缺陷中时近50%是“白点”,


(4) 某企业为减少轴承钢的“白点”,其连铸大方坯轧制前需经近10小时保温,


(5) 两企业功能很好的VD不能解决“白点”困扰,领导决定投入巨额资金建设RH,


而另一些事实也值得注意:


(1) 电渣钢生产过程是在非真空状态下进行的,少有“白点”困扰,


(2) 郑州钢厂采用直流电弧电渣钢包炉精炼,小方坯连铸生产轴承钢,且钢坯未缓冷,钢材未缓冷,钢材几乎未见“白点”,


上述事实说明,尽管“白点”理论已经提出几十年,但很多问题仍未解决,它迫使我们考虑如下问题:


(1) 为什么电渣钢及小方坯连铸流程未经过真空处理却不产生“白点”,


(2) 为什么连铸轴承钢经过精良的真空处理,“白点”却比未经过真空处理的多,


(3) 为什么在西部某厂连铸时产生“白点”,模铸时几乎就不见“白点”,


(4) “白点”的成因究竟是什么,


(5) “白点”为什么是白的。


电渣钢几乎不产生“白点”,这一事实说明:H是产生“白点”主要原因这一假说应当受到质疑。同行承认真空精炼使H含量达2ppm以下未使连铸钢“白点”问题变的轻松。


真空处理钢比非真空处理钢有更多“白点”,这个事实对降低钢中H是消除“白点”的主要方法提出质疑。


模铸、电渣及连铸过程,在铸钢及随后的轧制过程中,其组织应力基本相同,为什么产生“白点”的概率不同,这样就可以质疑原子氢-组织应力假说。


“白点”有时与其它裂纹难以区分,所以有些单位就将一些细裂纹划入“白点”。这样长时间的混淆也许说明本来就不应当单独将“白点”从裂纹中分开,统称发裂即可。如果将“白点”看成是一种应力裂纹,围绕“白点”成因的一些问题就可以得到合适的解释。


可以这样认为:在一些情况下,钢中存在很大的应力,这些应力包括热应力、组织应力和加工应力。这些应力共同或单独作用,不同条件下起主导作用的应力可能不同。当应力达到限度时,以钢内部的一些薄弱区作为裂纹源形成裂纹,当钢中氢含量比较高的时候,H向这些裂纹处扩散,当H在位错移动区时,促进这些裂纹的发展。总之,应力是这些裂纹或“白点”的动因,否则我们无法解释那么容易扩散的H何以形成向1400MPa压力区扩散的驱动力。


冶金工作者在无真空精炼的模铸时代,积累了很多处理类似于“白点”这类裂纹的经验,从浇注控制到钢锭和钢材尤其是大规格钢锭和钢材的保温,其主要目的之一就是使钢锭与钢坯钢材中的H向外扩散,以减少形成“白点”的几率。如果从压力作用的思路去考虑问题,这些保温过程松弛压力,减少裂纹的功能是根本性的,是主要的。


顺理推论,只要钢中应力存在,各种去应力的保温措施就不能取消。电渣过程是一个缓慢的结晶过程,因此,结晶时形成的组织应力较小。该过程是非真空处理过程,人们普遍注意其后续工艺过程的保温措施,因而基本不会出现“白点”。模铸时代,无真空精炼炉,人们认识到“白点”的危害,因此也普遍注意钢锭缓冷与退火。只要工艺把握得当,并无“白点”之忧。那个时代,西宁特钢的轴承钢几乎不出“白点”,有人将西宁特钢不出“白点”的问题归结为西宁气压低,如果西宁的气压就可以消除“白点”,那真空设备的真空度为0.8倍大气压就可以了,这显然是不能成立的。

实践证明:没有真空,保温、缓冷工艺合理也是可以生产出没有“白点”的轴承钢,只要做好缓冷、保温措施即可。


过去,人们对于热应力与组织应力给予了充分的注意,但是对加工应力考虑的较少,而连铸技术出现以后,对连铸过程所出现的应力特点未给于充分注意,我国合金钢连铸从上世纪80年代中期展开,进展一直比较缓慢,在很大程度上与钢的内裂有关,其中也包括类似“白点”裂纹。


由于连铸过程与电渣与模铸过程相比,浇注速度较快,补缩不易、外表强制水冷,形成极致密的等轴晶区,而其中心内部较小的区域内是较疏松的较粗大的等轴晶区,这种致密与疏松的对比,也就造成较大的组织应力差,铸坯表面水冷下的低温和内部的高温也是造成内外相区差别的原因,从而造成组织应力差别,这种组织应力差别比模铸也要大的多,与电渣过程相比差别更大。连铸与模铸及电渣过程更大的不同在于矫直应力,由于矫直过程造成内弧拉应力状态与外弧的压应力状态,因拉矫机的作用所产生的一系列裂纹,在生产中已经有较多的注意,但是在没有裂纹时的应力状态没有给予应有的关注,在一些工厂,从消除碳偏析出发,对连铸钢坯进行保温处理,有的达到10小时以上,因此可以获得系统消除缺陷的结果,其中包括微裂纹及碳偏析。


合金钢中对“白点”比较敏感的元素是Cr、Mn、V等,这些元素都是第四周期与铁晶格尺寸相近的元素,与Fe的半径相近,形成置换固溶体,合金元素周边的晶格发生畸变,产生短程应力区,通过这种畸变使钢的强度增加,也使塑性降低,因此Cr、Mn、Ni和V是“白点”敏感钢种,实际上也是应力裂纹敏感钢种,当这些合金钢中有薄弱环节时,在各种应力的作用下,裂纹倾向变的显著,在连铸这些钢种,如轴承钢时,在矫直应力,有时也有液芯压下的加工应力,使钢坯处于严重的应力不均匀状态,如果没有缓冷等技术措施以松弛应力,那么在钢中的薄弱区,如夹杂物或空洞及枝晶间隙处,爱拉应力作用下形成裂纹,这样的裂纹貌同“白点”。


回顾十几年合金钢尤其是轴承钢连铸的历史,尽管通过展开精炼已经将H降至很低,但对保温、缓冷这些可以松弛应力的手段不重视,因而出现的裂纹更多了,出现这种情况的根本原因在于“白点”理论将因果颠倒所至,可以说,由于对应力的不重视,使中国的合金钢连铸进展缓慢,早期进口的几台合金钢连铸机几乎全部拆除,这些问题的产生是与基本概念模糊是有关的。因为人们接受钢中H含量高引起“白点”这样一个理论,仍未只要降低钢中H就会减少或消除”白点”,因此普遍重视控制设备的建设,在模铸时代,由于真空炉外精炼的发展,夹杂物的减少,裂纹源自然减少,因而“白点”减少了,连铸出现后尽管钢液的纯净度提高,但由于连铸时的加工应力大幅度增加与组织应力的增加,加之以为经过真空处理,保温这些可以松弛应力的手段忽视,因而出现的裂纹更多了。


关于“白点”至今人们仍有两个疑问:


“白点”为什么是白的,依据本文作者之见解,所谓“白点”,是短程区域内在拉应力下的微小断口,对于含引起晶格畸变强化的合金,含碳也比较高的低应变能力钢易于出现,当这种情况发生在的薄弱区时即出现。


至此,总结本文观点如下:


(1) 钢中“白点”是一种应力裂纹,是应力作用的微小断口,H能促进这种断口的增多,


(2) 对于结晶过程缓慢的钢应力比较小,裂纹倾向也比较小:


(3) 传统的去氢缓冷、保温措施本质上是一种去应力的措施,同时也达到去氢效果,所以可以消除“白点”,


(4) 连铸钢有许多类“白点”裂纹的原因是连铸坯还有更高的组织应力与加工应力,不管钢液中氢多低,只要没有钢锭与钢材的缓冷,这种倾向必然出现,与是否经过严格的控制精炼过程无关,


(5) 现代特钢生产四位一体工艺中“白点”更敏感,对于大型钢材的生产、流程缓冷、保温措施不可以省略,


(6) 未经真空处理的钢、钢锭与钢材缓冷保温做好,不会出现“白点”,经过真空处理氢含量很低的钢,不注意含量与保温同样出“白点”。


正确的基础理论是正确的设备布置与工艺制定的基础,由于本文作者从金属物理到钢铁冶金跨的学习与特殊的实践环境,对上述问题有所思考,并向有关专家进行了有益的讨论。


由于自己知识水平限制,观点错误在所难免,只要国内钢铁冶金尤其是特殊钢生产同行能够注意到应力的问题,注意使用缓冷、保温等工艺过程即是万幸了。


 


引用《质疑白点》文章的目的是阐述真空的作用,我本人也非常欣赏作者的观点。20多年前,中国的钢铁生产基本上都是转炉出钢后经过简单的合金化处理后就直接上连铸平台浇铸,很少有精炼炉和真空炉装备。如果有真空炉就可以在真空条件下实现渣洗,将钢种的氧势降低,并且将非金属夹杂物从钢中分离达到渣中,从而提高了钢的洁净度,这个时候的真空脱气工艺对脱氧提高钢的洁净度是有帮助的。


随着时代的发展,中国的钢厂逐步推广了精炼设备,在生产钢和合金钢的企业中,精炼炉和真空炉都成为了必要的工艺装备。工艺路线主要就是转炉或电炉-精炼炉-真空炉-连铸。装备有精炼炉的工厂,就能够在精练冶炼过程中将钢水中的自由氧控制在很低的水平,比如控制在5ppm以下的水平上,此时钢的洁净度是非常高的,不需要再经过真空脱气来脱氧了。


有了精炼炉工艺之后,真空炉的任务就是脱氢和脱氮,对脱氧倒是没有多大的贡献,有时候反而是适得其反。在真空条件下钢水上下翻腾交换相互位置,对耐材的冲刷比较严重,如果冲刷下来的耐材夹杂物保留在钢中,将构成大的非金属夹杂物,从而提高了钢中的全氧含量。


无缝钢管属于薄壁构件,钢管一般的厚度不大于30mm,所以说白点氢脆对其影响应该来说是不大的,在无缝钢管穿孔和轧制后,氢原子从内外两个方向逸出金属表面,从而降低钢中的氢含量,大大减轻了氢在钢的危害。


我始终强调缓冷,其中之一就是在有温度的条件下让氢原子跃出金属表面,降低钢中的氢含量,从而减轻氢聚集的机会。对于锻造性用材就考虑使用真空脱气,因为构件的厚度往往大于40mm,氢的破坏作用往往就可以表现出来了。


无缝钢管相当一部分是需要真空脱气的,一般来说较高的含碳量钢种,比如45钢以上的钢种,铬钼系列的钢种,特别是防腐性能要求高的钢种就要真空脱气,比如27CrMo44等。就真空脱气来说主要是看标准要求,用户要求,既然用户确定使用真空工艺就坚持。一般来说高等级的钢种都是需要经过真空脱气处理的。


按照我国的《高压锅炉用无缝钢管》GB5310-2008中6.2.1条款要求:“应采用电弧炉加炉外精炼并经真空精炼处理,或氧气转炉加炉外精炼并经真空精炼处理,或电渣重溶法冶炼。”生产的高压锅炉管都经过了真空脱气。我不说都经过真空脱气是否合理,但是一旦标准制订下来就要严格按照标准要求进行。有些钢厂生产高压锅炉管用钢没有使用真空脱气工序,我觉得不妥。


在高强度钢生产中,对于连铸较大规格的圆坯和矩形坯还是需要真空脱气处理的。


就HIC氢致断裂,SSC硫化物应力腐蚀断裂来说,硫是管线钢中为有害的元素之一,它严重恶化管线钢的抗HIC和SCC的性能。法国D.Schawwinhold等人经研究发现:随着钢中硫含量的增加,裂纹敏感率显著增加;只有当〔S〕≤0.0012%时,HIC才明显降低,甚至可以忽略。


硫还影响管线钢的冲击韧性,硫含量升高冲击韧性值急剧下降。另外,硫还可导致管线钢各向异性,在横向和厚度方向上韧性恶化。因此,硫含量是管线钢要求为苛刻的指标,某些管线钢要求硫含量小于0.005%,甚至0.001%。


所以我觉得如果氢致断裂根本是硫在钢服役期间起到了坏的作用,这也是氢脆问题,其实质是环境、材质和应力的共同作用的结果,这个氢的破坏作用是环境氢沿着晶界进入到钢中导致的破坏,不是钢中氢含量高导致的失效。


简简单单写这些,都是工艺和质量控制上面的一些常见问题,作者从事多年的圆坯生产,具有一点轧钢方面的知识和经验,这里写出来给大家参考。水平有限,不对之处请大家给予指正。

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