改善含铜、锑耐候钢表面质量的生产实践①

高宇波，万文华, 吴　炜，王日红，滕力宏

(中天钢铁集团有限公司， 江苏 常州　213011)



改善含铜、锑耐候钢表面质量的生产实践①

高宇波，万文华, 吴炜，王日红，滕力宏

(中天钢铁集团有限公司， 江苏 常州213011)

对含铜、锑低碳耐候钢轧材表面裂纹的形成原因进行了分析，并提出了钢液成分优化、连铸工艺的调整措施，以及加热炉内的温度及气氛的优化控制方法，从而实现了该耐候钢轧材表面质量的显著改善。

耐候钢； 表面质量控制； 成分优化; 连铸工艺

引　言

含铜、锑耐候钢广泛用于制造在高含硫烟气中服役的省煤器、空气预热器、热交换器和蒸发器等装置设备，用于抵御含硫烟气结露腐蚀。经过长期实践应用，含铜、锑耐候钢种被普遍认为是国内理想的“耐硫酸低温腐蚀”用钢材之一，且其对于盐酸(HCl)、氢氟酸(HF)、苛性钠(NaOH)、氯化钠(NaCl)都有较强的耐腐蚀性能。此外，为了保持良好的焊接性能，碳含量不宜过高。目前该耐候钢种市场需求好，然而，该钢种的生产技术要求较高，特别是表面缺陷较为严重且分布普遍的问题已成为大家研究的一个重要课题。

Chen R Y[1]报道称，通过加入与铜含量成1∶1或更高比例含量的镍，可达到抑制铜脆的效果，然而，大量镍元素的加入，不仅增加了生产成本，而且也加大了该钢种耐腐蚀性能劣化的倾向；梁文[2]等则尝试在耐候钢中加入一定量的稀土，通过稀土镧、铈、钇对低熔点元素的固定作用降低了镍的加入量，但是稀土在钢中的应用尚不成熟，一方面稀土价格较贵，另一方面稀土处理不当反而会增加钢中的夹杂，恶化钢的性能，该方法的适用性有限且存有增加钢液夹杂物的风险；Chihiro Nagasaki等[3]则通过加入元素硼起到了抑制含铜钢中的铜在晶界富集的效果，但该控制方法仅停留在实验室阶段，适用性较为有限，难以向工业化生产广泛推广。

同样值得注意的是，当前的研究大都仅针对炼钢或轧制过程中的单一生产环节进行控制，而未有从成分设计开始到炼钢铸坯、铸坯转运、轧制成材的全流程过程控制，且鲜有涉及较高含量的锑对表面质量的影响，而本文将从生产该耐候钢时炼钢及轧钢过程中的关键环节入手，在增强各控制流程兼容性的同时，使得实际生产该钢种的过程中对表面质量的控制更具缜密性，且对于其它耐候钢种同样具有参考价值。

1　生产现状

采用EAF-CONVERTER电转炉冶炼+LF+VD+CCM+热送+热轧的工艺路线生产含铜、锑低碳耐候钢。所生产耐候钢的化学成分要求范围如表1所示。

对该钢种热轧材进行酸洗检查，发现该钢种轧材表面通常存在呈密集分布的树皮状裂纹，裂纹深度颇深，其典型形貌及深度如图1所示。

该钢种表面缺陷较为严重且分布普遍的问题不仅对产品质量的稳定性存在较大程度的影响，而且增加了后续轧材的表面精整工作量，既降低了成材率又增加了生产成本。

表1　化学成分/%

图1　轧材表面裂纹典型形貌及深度

2　裂纹形成原因分析

首先，从表1可以看出，该钢种碳含量正好处于包晶反应区，在结晶器内发生δ-Fe 向γ-Fe的转变，该相变体积收缩大，坯壳线收缩量大，这使得结晶器壁与坯壳间空隙增大，因而极易引起热流不均现象，从而导致铸坯表面出现凹陷，进而产生裂纹等缺陷。

更重要的是，将连铸坯表面扒皮后进行观察检测，发现存在晶界裂纹，其宏观形貌如图2所示。在扫描电子显微镜下观察发现晶界裂纹处存在黑色物质和亮色的物质，如表2所示，进一步通过能谱分析发现黑色物质主要为铁的氧化物，而亮色物质处的铜、锑含量明显要高，且远高于表1中所示的该钢种基体的铜、锑浓度，这表明铸坯晶界位置存在严重的铜、锑富集现象，Cu(熔点为1083 ℃)、Sb(熔点为630 ℃)均为低熔点元素，这些元素的富集将导致热脆性[4-5]。铜、锑等低熔点合金元素不仅使得铸坯在浇注过程中晶界易出现裂纹，导致后续所得轧材表面质量恶化，而且铸坯在加热炉内加热时也存在铜、锑等低熔点元素的二次富集问题，从而进一步增加后续轧制过程出现裂纹的几率。

图3　铸坯晶界裂纹的扫描电镜能谱分析图

表2　各谱图化学成分/%

3　改进措施及控制效果

3.1冶炼成分优化及控制

综合考虑与耐候钢使用性能相关的耐大气腐蚀性、强度和韧性、焊接性能，对具体冶炼成分进行如下控制：

1) 废钢及铁水要求Sn,As等低熔点元素含量<0.010%，降低其对热脆性能的影响；

2)成品C含量按成分要求中下限控制，保证良好焊接性能的同时降低热变形抗力，减少轧制过程中裂纹的形成；

3)Cu是提高钢的耐腐蚀性能最主要、最普遍使用的合金元素，Cu一般控制在0.35%以上，但是Cu元素容易在晶界产生富集，因此其含量不宜超过0.45%，进一步提高Cu的含量不仅对耐候性贡献不大，反而极易引起铜脆；

4)Sb元素的加入在提高钢的硬度和耐蚀性的同时也增加了钢的脆性，Sb含量按成分要求的中下限进行控制；

5)Ni能与钢液中的Cu、Sb等低熔点元素形成合金而有效抑制其在晶界的富集析出，通常Ni含量在0.10%以上才能起到缓解铜脆的作用，不过Ni元素是贵重金属，因此加入适量Ni以抑制钢的热脆性并兼顾冶炼成本的经济性；

6)Si，Mn，Cr分别按成分要求的中限控制，以实现良好的强韧性能及对耐蚀性的增补作用；

7)此外还加入适量Ti，进一步弥补碳含量低导致的强度不足；

8)P, S则分别控制在≤0.025%和≤0.015%范围内。

3.2连铸工艺优化及控制

1)连铸坯断面尺寸为220 mm×260 mm，连铸过热度稳定在15～25 ℃之间，这为后续采用较高拉速奠定工艺基础的同时，也有利于降低Cu, Sb等低熔点元素在浇铸过程中的偏析富集；

2)严格控制一冷水流量、进水温度，一冷水进出口温差范围7～9 ℃，以保证铸坯在结晶器内的弱冷及传热均匀性，同时使用包晶钢专用保护渣，加强铸坯与结晶壁间的润滑，防止铸坯表面出现凹陷及裂纹；

3)连铸采用高拉速弱冷，现场可根据钢液温度及生产节奏进行适当调节，确保在进拉矫机前铸坯表面及角部温度不低于950 ℃，从而降低矫直裂纹的出现几率；

4)相对提高出坯过程中铸坯的冷却速率，降低这个过程中低熔点元素，特别是Sb的析出速率，从而减轻其在铸坯表层的富集，同时通过调节出坯辊道转速，避免铸坯在出坯过程中过度冷却，确保铸坯装车温度控制在600 ℃以上；

5)改善热送车保温罩的密封性及保温性，减少热送过程中铸坯的温降，提高铸坯进入加热炉的温度，缩短铸坯在加热炉内所需的加热时间。

3.3加热制度及轧制工艺优化

将加热炉内最高加热温度提高至1250 ℃，避免铸坯在液态Cu相最强浸润性及渗透性的温度范围内(1100～1200 ℃)长时间停留；同时生产该钢种前后尽量安排热送钢种，提高出钢节奏，将铸坯在加热炉内的加热时间压缩至125 min以内，加热炉内控制弱还原性或中性气氛，进一步缓解加热过程中Cu, Sb等低熔点元素沿奥氏体晶界的二次富集。

3.4实施效果

采取上述控制措施后对铸坯晶界成分进行分析，铸坯晶界处出现亮色物质的频率得到有效控制(如图4所示)，Cu,Sb的富集浓度也较之前有了明显降低(如表3所示)。

图4　控制条件下铸坯晶界处的扫描电镜能谱分析图

表3　控制条件下各谱图化学成分

编号在状态w(Cu)/%w(Sb)/%谱图1是1.960.65谱图2是2.310.72谱图3是2.050.61

图5　控制条件下轧材表面典型裂纹形貌及深度

控制条件下生产所得轧材表面典型形貌由树皮状裂纹转变为少量断续分布的三角浅裂纹，裂纹分布密集程度显著改善，且裂纹深度也明显降低，这在提高表面质量的同时也大大降低了后续轧材精整工序的工作量，缩短了生产周期，并提高了钢材的成材率。

4　结　论

(1)本生产实践方法发挥Ni对铜脆抑制作用的同时，大大降低了Ni的加入量，从而实现了该耐候钢种表面质量的经济化有效控制；

(2)通过钢液成分设计、连铸工艺优化及铸坯出拉矫机后的冷却控制，提高了铸坯表面质量，并有效抑制了铸坯冷却过程中低熔点元素Cu，Sb在晶界的富集析出；

(3)采用铸坯热送和高温快烧工艺，降低加热成本的同时，减少炉内加热时间，控制加热温度，尽量避开Cu，Sb渗透力最强的温度区域，从而缓解了加热过程中Cu，Sb等低熔点元素沿奥氏体晶界的二次富集；

(4)通过上述措施大大改善了由于铸坯表面裂纹及晶界裂纹导致的轧材表面质量问题，有效提高了该含铜、锑低碳耐候钢轧材的表面质量。

[1]CHEN R Y, YUEN W Y D..Copper enrichment behaviors of copper containing steel in simulated thin slab casting processes[J]. ISIJ International, 2005, 45(6):807—816.

[2]Chihiro Nagasaki, Masashi Kaga, Koji Shibata, et al. Effect of boron on copper induced surface hot shortness of 0.1% carbon steel[J]. ISIJ International, 2002, 42(S):57—61.

[3]梁文, 陈吉清, 许竹桃，等.耐酸钢边部缺陷分析及改进措施[J]. 物理测试, 2011,(S1): 17—20.

[4]刘友荣, 穆海玲, 万兰凤，等. 耐腐蚀钢“铜脆”成因及防止措施[J]. 梅山科技, 2010,(1):27—30.

[5]耿明山, 王新华, 张炯明. 钢中残余元素在连铸坯和热轧板中的富集行为[J]. 北京科技大学学报, 2009，31(3):300—305.

2016-02-26

高宇波(1984—)，男，工程师。E-mail:gybcsu@163.com

TG142.7