浙江宏盛特鋼有限公司將304不銹鋼管的試樣加工成標準的熱塑性拉伸試樣,放置在Gleeble2000熱模擬試驗機工作室內,抽真空后采用氬氣保護。先將試樣分別以20℃/s的加熱速度加熱到1350℃保溫180s,再以10℃/s的冷卻速度分別冷卻至1300、1200、1100、1050、1000、950、900、850、800、750、700℃這11個溫度進行熱模擬拉伸實驗,應變速率為10-3/s。測量各試樣在不同溫度下的拉伸斷面的收縮率(Z),并得出斷面收縮率溫度曲線,作出鋼的熱塑性曲線如圖。

  不銹鋼的強度總的趨勢是隨著溫度的升高而降低,但在950℃強度出現一個峰值,這個峰值是碳化物或氮化物的析出產生沉淀強化導致的。鋼的熱塑性曲線明顯分為3個階段: 第1階段是溫度大于1200℃,此時出現的塑性低谷是鋼的晶界發生熔化引起的; 第2階段是950~1200℃,該階段在1050℃出現的塑性谷底是P、S的作用導致的; 第3階段是750~950℃范圍,此階段谷槽很寬,若按Z=40%作為熱裂紋敏感性的臨界值,則谷槽的溫度范圍為730~920℃,就是說,連鑄矯直點的溫度一定要避開這個溫度范圍。這個谷槽主要由兩個原因引起的,一個原因是在奧氏體的低溫區鋼水中鋁的氮化物沿著奧氏體晶界析出,容易產生沿晶斷裂導致熱塑性降低,另一個原因是鋼水剛剛冷卻進入雙相區時,沿著奧氏體晶界析出鐵素體薄膜，也容易降低晶界的內聚力產生沿晶界斷裂使鋼的熱塑性降低�？傊�,該鋼的最低面縮率為28.0%,熱塑性低谷槽很寬,達到200℃的溫度范圍。因此,該鋼在連鑄時,降低二冷區的冷卻強度,使連鑄矯直點的溫度超過920℃,Z>40%,這樣就可以基本避免連鑄矯直裂紋的產生。

一、電爐冶煉工藝改進
 
  1. 原工藝在熔化期未加入類石墨,電極加熱時在沖擊點處造成一個凹坑,出現裸露的鋼液面,而這部分裸露的鋼液較其它部位的鋼液溫度高,極易吸氮;另外,電弧強大的射流會將四周大量的氣體吸入弧柱中,為氮在鋼液中的溶解提供條件。爐內熔清95%時,才開啟3支碳槍造泡沫渣,單爐碳粉消耗平均為900kg。終點碳控制在0.05%以上。

  2. 改進后工藝在一次料、二次料送電時均加入300~500kg類石墨,提前造泡沫渣,防止鋼液前期吸氣;特別是熔清后,泡沫渣渣層厚度應高于沖擊凹坑深度。爐內熔清80%時,先開啟1號、2號碳槍造泡沫渣,防止鋼液吸氮,爐門口廢鋼化開,熔池形成后,開啟3號碳槍造渣,保證泡沫渣屏蔽效果,防止弧光裸露。單爐平均消耗在1500kg以上。終點碳質量分數要求在0.07%以上。

二、精煉工藝改進

  1. 原工藝采用鋁脫氧工藝,出鋼脫氧劑及渣料加入順序為:鋁粒#合金#石灰、精煉劑#增碳劑。加鋁脫氧,隨鋼液中的鋁含量的增加,鋼液增氮量有增大的趨勢。在鋼液中的氮達飽和之前,鋼液中的鋁促進了鋼液的吸氮;同時鋼液中的溶解氧大幅度降低,也為吸氮創造了良好條件。304不銹鋼不進真空爐進行抽氣處理。

  2. 改進后工藝取消鋁脫氧,并對脫氧劑及渣料加入順序進行改進:增碳劑#合金#石灰、精煉渣。在電爐出鋼時先用增碳劑代替部分鐵等脫氧,因碳與氧反應生成的產物形成一氧化碳氣泡直接排至爐渣中,不污染鋼液,能減少鋼中脫氧產物對鋼水的污染,降低鋼中夾雜物含量。304不銹鋼必須進行VD處理,且要求極限真空度保持10分鐘以上。

三、連鑄工藝參數改進

 1. 過熱度控制

  304不銹鋼管中Si、Mn等為易氧化元素,鋼水容易被氧化,同時Mn含量高的鋼水流動性好,也容易侵蝕耐材造成鑄坯夾雜。因此,鋼水過熱度控制由原來的25~40℃改為現在的20~30℃,既保證了適當的拉速防止鑄坯產生矯直裂紋,又避免了鑄坯柱狀晶過于發達而出現低倍組織缺陷中心裂紋級別超標。

 2. 結晶器冷卻控制

  保持原結晶器的冷卻水量不變,但對冷卻水的硬度和進水溫度進行控制。冷卻水總硬度由原來的60mg/L以下改為30mg/L以下,減少結晶器銅管結垢,保證結晶器冷卻均勻。結晶器進水溫度由原來40℃以下改為控制在25~35℃,減少水溫波動對結晶器冷卻效果的影響。

 3. 二次冷卻控制

 將304不銹鋼管的二次冷卻比水量由0.50L/kg降低到0.45L/kg,鑄坯進入拉矯機前的溫度由880~980℃提高到950~1050℃,面縮率在60%以上,以避開產生連鑄矯直裂紋的溫度區間。

四、鑄坯軋管質量情況

  浙江宏盛特鋼有限公司一小時通過采取以上工藝措施后, 304不銹鋼連鑄坯表面質量明顯改善,2008年1-4月平均產量4000噸，軋制鋼管的外折缺陷消除、在線探傷合格率達到95.6%,連鑄坯月平均退廢率為1.05%。

五、結論

 1. 將304不銹鋼管外折缺陷部位切取截面金相樣品進行顯微觀察,試樣有裂紋沿表層斜向伸入鋼基,裂紋內嵌有氧化亞鐵,其附近分布顆粒狀的高溫氧化產物。用3%硝酸酒精浸蝕后進行顯微觀察,鋼中組織為珠光體+鐵素體,裂紋附近有明顯脫碳現象,初步分析認為與坯料表面存在的缺陷有關。

 2. 酸洗304不銹鋼連鑄坯,觀察表面存在橫裂紋、氣孔等缺陷,說明橫裂紋是引起鋼管外折的主要原因。而橫裂是由于鋁的氮化物沿著奧氏體晶界析出,沿晶斷裂導致熱塑性降低,連鑄矯直點的溫度過低造成。

 3. 測試304不銹鋼管熱塑性曲線,第3階段熱塑性低谷槽達到200℃的溫度范圍,連鑄時矯直點的溫度必須超過920℃,才可以基本避免連鑄矯直裂紋的產生。

 4. 通過采取電爐提前造泡沫渣、精煉爐取消鋁脫氧、增加真空處理,控制鋼水中,減少鋼液凝固時鑄坯中形成鋁的氮化物,同時,控制鋼水過熱度在20~30℃、降低二次冷卻比水量為0.45L/kg、鑄坯進入拉矯機前的溫度提高到950~1050℃(Z>60%)等措施后,消除了連鑄坯矯直時產生的橫裂紋。鋼管外折缺陷得到控制,不銹鋼管在線探傷合格率提高到95.6%、連鑄坯退廢率降低到1.05%。