高强度锚杆钢质量缺陷分析及工艺优化

杨凯峰，贾培刚，张利武

（石横特钢集团有限公司 炼钢厂，山东 肥城271612）

1 前言

锚杆钢主要用于煤炭巷道支护使用，但随着煤炭开采深度的不断增加，巷道断面尺寸也逐渐扩大，使得巷道支护承受的压力增加，采煤安全生产问题越来越突出，加上国内锚杆市场的竞争越来越激烈，因此催生了更高强度级别的矿用支护锚杆的更新换代。石横特钢作为国内锚杆钢的龙头企业，为进一步占有锚杆钢高端市场，开发了MG600系列高强度锚杆钢。但其因该钢种在高强度、低屈强比、高韧塑性的基础上有较高的表面及内部质量要求，虽然开发成功，但产品质量稳定性较差，时常在锚杆钢筋表面出现轻微的发纹、结疤、裂纹等表面质量缺陷，轻则经人工挑选后可以供用户使用，重则产生废品，导致成本居高不下，严重影响了市场占有率。为保证600级别锚杆钢质量稳定，彻底消除质量问题，石横特钢炼钢厂对MG600钢进行生产过程分析，找到了制约质量稳定性的因素，保证了高强度MG600钢筋用坯质量稳定控制，使得MG600钢筋质量稳定性得到大幅提高。

2 质量缺陷原因分析

通过显微镜观察，锚杆钢筋表面裂纹在钢筋基圆面上有1条或多条裂纹，沿轧制方向断断续续，呈线状分布。经对存在质量问题的钢材取样，观察钢材纵截面，裂纹深度一般距离表面0.3 mm以内。有与表面贯通的，也有不贯通的，呈现不规则性。高倍镜观察试样横截面，发现裂纹内部有明显的大型夹杂物，如图1所示，高倍试验报告如表1所示。

图1 横截面裂纹及夹杂物形态

由图1以及表1可以判定，MG600钢筋裂纹来源于钢坯缺陷，查阅相关资料，初步判定造成钢材质量缺陷的主要原因是外来夹杂物超标。外来夹杂物多为钢包浇注料使用的耐火材料和辅料卷入钢水造成，该类夹杂物一般情况下尺寸大、变形能力差，在轧制过程中容易诱发裂纹缺陷。

表1 高倍试验报告

为准确查找外来夹杂物来源于哪一方面，对锚杆钢筋表面裂纹的样品进行能谱分析，通过分析可以发现，探针打出来的元素种类较多，能谱峰值以Ca、O、Si3个元素为主，见表2。

表2 夹杂物能谱分析%

3 高强度MG600生产工艺优化

3.1 优化转炉操作制度

3.1.1 提高终点碳合格率

根据钢水碳-氧反应的平衡常数与温度之间的关系碳氧浓度积，它在一定温度和压力下是一个常数，对于一定的操作工艺，若已知钢中的［C］，便可估算钢中的［O］。提高转炉终点碳，在温度和压力一定的情况下钢水［O］含量就低［1］，因此提高转炉终点碳对降低钢水氧化性有积极作用，当碳含量在0.07%及以上时，钢中自由氧含量在514×10-6以下。具体碳氧平衡关系和钢中自由氧含量与终点碳含量关系，如图2所示。

图2 钢中碳氧平衡图［2］

1）采用高拉补吹新工艺。由于该钢材性能以及成本影响设计成分时，钢种碳含量较高，因此采用高拉补吹工艺。高拉补吹是指终点按钢种所要求的碳含量稍高一些进行拉碳，待测温取样后按分析结果与钢种要求的碳含量差值以及终点磷含量决定补吹时间。为保证生产的连续性、稳定性及最大限度保证钢水质量，为此制定了工艺要求:严格执行700～800 mm的拉碳枪位，且拉碳时间不低于20 s；终点碳含量在0.13%～0.17%，提枪测温取样然后确定补吹时间，补吹枪位不得低于800 mm，补吹时间根据目标终点碳含量确定。在确保以上工艺要求的基础上，补吹后直接出钢，最终碳在0.08%以上（部分炉次达到0.13%），其终点氧化铁在9%～11%。高拉补吹关键是提枪时机既要保证温度、终点磷又要保证碳含量。高拉补吹可以将渣中氧化铁中的铁元素通过钢水中较高的残余碳还原到钢水中，从而降低钢水的氧化性。

2）加强技术交流以及培训。一方面通过技术比武和先进企业技术交流，另一方面通过炼钢厂内部技术培训，提高炉长和摇炉在不同时期的判碳能力。终点控制水平得到有效提高，不仅使终点碳≥0.08%炉次合格率达到90%及以上，而且拉后吹的比例由原先的20%降低到现在的10%以内，从而降低了钢水的氧化性，提高了增碳材料和合金的回收率。

3.1.2 出钢口的及时维护

转炉出钢口在使用过程中除了受高温钢水和高氧化性炉渣的直接冲刷和侵蚀外，还受温度急冷急热的影响，随着使用时间的延长，镁碳砖出钢口由于气相氧化-组织结构恶化-磨损侵蚀被蚀损［2］，导致出钢口使用后期的挡渣效率降低，因此需要不断地进行修补或更换，保证尽可能减少因出钢口内径增大引起的下渣。出钢口在使用过程中出现的堵不严、散流、下渣、堵不住、控钢时间长、出钢卷渣等情况，表明出钢口出现问题，此时要及时进行修补，改变以往单纯依靠连铸更换中间包间停时间修补的模式，做到适时修补、及时修补，修补料能够与残余的耐火材料连接在一起，形成一个新的出钢口。出钢口的及时维护，既提高了出钢口寿命，又有效减少了下渣炉次及下渣量，降低了钢水的二次污染。

3.1.3 采用滑板挡渣技术

滑板挡渣技术，能很好地控制下渣量，为此生产MG600系列钢种时，采用滑板挡渣技术，并要求出钢操作人员要严格执行工艺要求，控制好转炉倾动速度及角度。出钢过程中，快速通过前、后下渣区，消除带渣出钢。在出钢过程中炉口不下渣的前提下，尽量使转炉向下倾动，保持炉内出钢口处钢液面最深，防止出钢卷渣。

3.1.4 降低出钢温度

钢水温度和钢中自由氧含量关系见图3［3］，可以看出，随着温度的升高，钢中自由氧含量也随之升高。降低出钢温度有利于降低钢中氧含量，随着温度的降低，钢中自由氧含量也随之降低。钢中自由氧含量降低也就代表钢水氧化性降低，既有利于提高钢水质量又有利于提高合金回收率。

图3 温度和钢中自由氧含量关系

通过理论计算得出MG600系列钢种的液相线温度在1 508℃左右，按照过热度15℃、钢包至中间包温降25～30℃控制，考虑钢包包况的影响，精炼炉吊包上连铸温度控制在1 550～1 560℃。

为尽量减少转炉出钢温度，充分考虑转炉、精炼炉、连铸生产节奏之间的匹配关系，精炼炉冶炼周期30 min，而转炉冶炼周期24 min左右。为降低钢水温降，降低转炉出钢温度，以精炼炉到站温度1 540℃为基准，控制转炉出钢温度在1 620～1 630℃即可。控制好节奏，转炉出钢即可直接吊包至精炼炉送电，节奏衔接无间隙。

3.2 采用硅钙钡及铝进行强脱氧

硅钙钡合金有较好的脱氧和净化钢质作用。关于钡系复合脱氧剂的研究，认为钡系合金脱氧能力强，能够形成低熔点化合物，减少非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态。增加硅钙钡脱氧同时，出钢后期适当采用硅铝铁进行强脱氧，进一步降低钢水自由氧含量。

3.3 精炼脱氧制度进一步优化

为保证精炼炉快速造渣，转炉炉后出钢过程中伴随合金加入部分石灰、萤石及高效精炼渣提前造渣，便于精炼炉快速调渣。钢水进入精炼炉，控制初期炉渣碱度≥2.5，渣中（FeO+MnO）≤0.5%，提高炉渣吸附夹杂物的能力。白渣形成后保持时间适当延长，由5 min延长到10 min以上，提高钢水脱氧效果，满足产品低硫含量的要求。氧含量要求低于20×10-6，并用定氧仪定氧，自由氧低于8×10-6可以出钢浇注，并依据定氧结果进行补充脱氧；精炼炉出钢前，采取钙线处理措施，不仅进行深度脱氧，同时对夹杂物进行变性处理，防止在浇注时发生水口堵塞现象。

3.4 连铸全程保护浇注

钢包和中间包内钢水的氧化受许多因素的影响，如钢包渣的卷入、钢水和中间包覆盖剂的反应、耐火材料的熔损、钢水和钢包堵塞物的反应、钢水因空气而产生的氧化等，其影响程度因浇铸钢种的不同而不同；因此，必须定量掌握各浇铸钢种因各种不同因素而产生钢水二次氧化的行为，研究相应的预防措施。

1）大包采用长水口保护浇注，避免钢水流入中间包时造成钢水二次氧化。

2）用盖子将中间包钢包上部覆盖，形成密闭，同时采用高碱度钢包覆盖剂和中间包覆盖剂。覆盖剂既能起到保温、保护耐火材料作用，还有吸收夹杂物的作用。覆盖剂的碱度越高，越能提高钢水的洁净度。当碱度升高时，SiO2的活度下降，可以防止钢水因中间包覆盖剂而产生氧化。

3.5 采用全镁碳砖钢包

砖料混砌钢包相对于镁碳砖包有成本优势，但浇注料钢包中的浇注料主要成分是镁铝尖晶石，在钢水精炼过程中钢包渣线部位的浇注料侵蚀相当严重。耐材侵蚀后很容易造成钢水再次污染，因此采用镁碳砖包生产MG600，既保证钢水质量又能保证安全生产，并且在生产MG600之前将镁碳砖包在其他钢种生产中提前使用，既能提高镁碳砖包投入时的钢包温度，避免温降不规律，又可以降低钢包带来的夹渣物，提高钢水纯净度。

3.6 优化结晶器保护渣的使用工艺

改变保护渣储存方式，使用前对保护渣进行烘烤去除水分。保护渣携带水分很容易增加钢水H含量影响钢坯质量，进而会导致钢坯出现质量波动以及缺陷。

4 工艺改进效果

经过工艺改进，钢坯的低倍组织明显改善，消除了角部和皮下裂纹，基本消除了中心裂纹（见表3、图4），彻底消除了表面结疤、裂纹、发纹缺陷。钢材性能达到了预定目标要求，屈服强达到630 MPa，抗拉强度≮800 MPa，伸长率25.5%，冲击功80 J。

表3 MG600铸坯低倍组织缺陷评级

5 结语

图4 钢坯低倍照片

通过对质量缺陷的深度分析，找到了改善质量的工艺方法，并通过对转炉操作制度、精炼脱氧制度、连铸全程保护浇注、钢包耐材材质、结晶器保护渣的使用工艺进行全面优化，实现了钢坯质量稳定，提高了铸坯内在质量，避免了钢坯在轧制时钢材表面裂纹、钢材劈裂、结疤、发纹等问题。钢坯经轧制后，各项性能指标均达到了预期要求，实现了高强度、低屈强比、高韧塑性以及高尺寸精度锚杆钢的稳定生产。