20Cr1Mo1VTiB钢发纹缺陷分析与改善

安 杰,巴帅智,柳 军,刘桂江,李润霞

(1.抚顺特殊钢股份有限公司 总工办,辽宁 抚顺 113001;2.抚顺特殊钢股份有限公司第一炼钢厂,辽宁 抚顺 113001)

20Cr1Mo1VTiB耐热钢具有良好的综合性能,是制造火力发电厂高温螺栓和工作在570 ℃以下的超高压机制螺栓或阀杆的材料,属于我国自行研发的低合金高强度钢。20Cr1Mo1VTiB除了含有Cr、Mo、V 等用来弥散强化和固溶强化的合金元素外,还添加了具有细晶强化作用的Nb、Ti、B 等元素[1-6],具体化学成分见表1。

表1 20Cr1Mo1VTiB钢的化学成分 %

某钢厂冶炼20Cr1Mo1VTiB钢的工艺路线:60 t电炉→LF精炼→VD脱气→模铸→加热→轧制→缓冷→矫直→探伤→成材。钢材在车光后,在表面发现发纹缺陷。本文对钢材内部发纹缺陷的产生原因进行分析,之后采取针对性措施予以改善。

1 发纹缺陷定性及产生原因分析

20Cr1Mo1VTiB钢经车光后,表面检查时肉眼发现类似于表面裂纹的外观缺陷,典型宏观形貌如图1所示。

图1 发纹缺陷宏观形貌

另有一些较轻微的缺陷肉眼难以辨别,需要通过荧光磁粉探伤的方式加以确认,如图2所示。

图2 发纹缺陷荧光磁粉探伤形貌

在图1所示缺陷位置将钢棒横向切开磨制金相试样,经高倍显微镜确定裂纹处及附近存在非金属夹杂物,然后使用扫描电镜进一步分析夹杂物的横向形貌,如图3所示。图3中夹杂物主体位置的扫描电镜分析结果,如图4和表2所示。

图3 夹杂横向形貌

图4 图3夹杂物扫描电镜分析

表2 图4夹杂物成分 %

由表2可知,夹杂物化学成分中含有K、Na、F等保护渣特征元素,即夹杂物由保护渣和块状氧化钛组成,因20Cr1Mo1VTiB为钛含量较高的品种,所以夹杂物产生原因为模铸保护渣卷入后与钢液中的Ti发生反应,未及时上浮去除而残留在钢中。

在图2所示缺陷位置将钢棒横向切开磨制金相试样,经高倍显微镜确定缺陷附近存在非金属夹杂物,然后使用扫描电镜进一步分析夹杂物的横向形貌,如图5所示。图5中随机选取位置进行扫描电镜分析,结果如图6和表3所示。

图5 夹杂横向形貌

图6 图5夹杂物扫描电镜分析

表3 图6夹杂物成分 %

由表3可知,夹杂物化学成分以Al-Mg-Ca-O为主,同时含有少量TiO2和TiN,是电炉炉后预脱氧和LF炉初期沉淀脱氧产生的大量氧化铝夹杂物,在整个冶炼过程中逐渐进行渣钢反应的产物,直至浇铸钢液凝固未上浮去除,属于典型的钢液洁净度不良所致[7]。冶炼过程钛合金化是在VD真空处理之后通过喂入钛铁线来完成的,因Ti和Al的氧化性相近,所以夹杂物的化学成分中出现了氧化钛,同时伴随TiN析出。

经过上述分析发现,20Cr1Mo1VTiB钢车光后在表面发现的裂纹为发纹缺陷,是由模铸卷渣和氧化物夹杂两种非金属夹杂物引起的。

2 发纹缺陷的改善措施

2.1 保护渣成分发纹缺陷的改进

经扫描电镜分析为保护渣成分非金属夹杂引发的发纹缺陷,其产生原因在实际冶炼生产中被称为模铸卷渣,属于开浇操作不当导致的偶发问题,一般发生在钢锭尾部。一方面开发适合20Cr1Mo1VTiB钢使用的模铸保护渣,改进模铸钢锭的内外部质量,另一方面通过推行模铸开浇标准化操作来提高稳定性。

2.2 脱氧产物成分发纹缺陷的改进

钢液洁净度问题是贯穿整体冶炼过程的系统问题,从电炉配料到浇铸的每一个工艺操作环节均与夹杂物控制有关,以下展示了部分重点工艺改进环节。

1)降低电炉钢水过氧化程度

某钢厂电弧炉采用全废钢顶装料的熔炼工艺,电弧炉负责熔化钢铁料、钢液脱磷和脱碳。熔炼末期使用炉门氧枪和炉壁氧枪强供氧方式会导致钢水严重过氧化,后续采用铝锭和铝线沉淀脱氧会产生大量脱氧产物Al2O3(非金属夹杂物)污染钢液[8-10]。所以降低电炉钢水过氧化是提高精炼钢液洁净度的首要任务。

该钢厂钢通过优化配料结构、优化供氧方式、强化喷粉造泡沫渣等电弧炉常规改进措施,将电炉出钢钢液氧含量由700×10-6降至500×10-6以下,大幅改善了钢水的过氧化程度。

2)优化脱氧剂使用

电炉炉后预脱氧采用单一的铝锭沉淀脱氧,是集中生成氧化铝夹杂物的关键环节。除降低电炉钢水过氧化,减少整体铝脱氧产物生成量外,还引入电石、硅钙合金等非铝质脱氧剂辅助预脱氧,进一步减少氧化铝夹杂物产生量,亦可达到理想的脱氧效果。另外,LF炉取消了铝粒扩散脱氧剂,全部使用碳化硅扩散脱氧,保证LF炉白渣精炼。

3)VD真空处理后的夹杂物去除

采用VD真空处理工艺,在钢包底吹氩气状态下,钢液面剧烈翻滚,将钢包顶渣卷入钢水中,渣钢充分混冲,使钢液受到严重污染。VD脱气后必须经过足够时间的软吹处理(喂入钛铁线后软吹≥20 min),使夹杂集中上浮,方能保证钢包顶渣和钢水中夹杂物充分上浮去除。

经过上述措施,精炼钢液脱氧良好,洁净度控制满足20Cr1Mo1VTiB的质量要求。同时VD后喂钛铁线合金化的钛收得率由80%提升至95%以上,侧面证明钢液洁净度质量得到大幅提升。

3 结 论

(1)通过扫描电镜分析,确定20Cr1Mo1VTiB钢发纹缺陷产生原因可分为两类,即模铸卷渣和精炼铝脱氧产物;

(2)模铸卷渣引起的发纹缺陷,可通过开发20Cr1Mo1VTiB专用模铸保护渣,执行模铸开浇标准化操作等方式予以解决;

(3)脱氧产物引起的发纹缺陷,通过降低电炉钢水过氧化程度、优化脱氧剂使用等工艺改进措施,大幅提高钢液洁净度,进而改善发纹缺陷。