提高不过精炼的低碳钢顶锻性能工艺探讨

提高不过精炼的低碳钢顶锻性能工艺探讨

韩伦杰  杨仁强

(芜湖新兴铸管有限责任公司, 安徽 芜湖)

摘  要：为提高不过精炼的低碳钢的顶锻性能，从炼钢工序分析了造成顶锻开裂的原因，通过减少皮下针孔、强化脱氧、严格保护浇注操作、控制外来夹杂物、减少连铸坯外观划伤、优化成分控制等措施，提高低碳钢的顶锻性能。

关键词：低碳钢  顶锻  皮下针孔  脱氧  保护浇注

1 前言

冷镦钢是用冷镦成型工艺生产紧固件用钢，因冷成型性能良好，在机械加工行业用冷拔代替热轧材冷切削机加工，这种工艺节约大量工时、金属消耗，而且产品尺寸精度高，表面光洁度好，生产率高，是近年来兴起的较先进的机加工工艺。随着钢铁行业的技术进步，普通碳素结构钢的质量稳步提高。越来越多的机械加工企业在利益的驱使下，采用廉价的普通碳素结构钢，取代部分铆螺钢，生产一些对机械强度要求不高的紧固件。

许多钢厂生产普通碳素结构钢时，虽用户要求冷镦性能，由于成本压力的增加，仍采用不经过LF炉精炼处理，冷墩开裂的现象经常出现。而随着用途的变化，材料的冶炼、浇注工艺必须进行相应的调整，以适应用户的需求。

2 材料性能要求的变化

随着材料用途的改变，钢材的使用性能主要由以下变化：

（1）屈服强度σs及变形抗力尽可能的小，这样可使单位变形力相应减小，以延长模具寿命。

（2）钢材的冷变形性能要好，即材料应有较好的塑性，较低的硬度，能在较大的变形程度下不致引起产品开裂。

（3）钢材的加工硬化敏感性尽可能的低，这样不致使冷镦变形过程中的变形力太大。

3 生产工艺路线

转炉——吹氩站——连铸——轧制

4 试验与分析

通过在转炉吹氩后进行定氧，跟踪轧钢轧制后的顶锻性能，详见下表：

从上表可以看出：氧含量较高的炉次冷顶锻易于出现开裂。

铸坯的皮下针孔，是在连铸坯皮下1～3mm以下的缺陷，冷却后的铸坯表面基本找不到这种缺陷。在连铸坯加热，氧化铁皮剥落后，方可发现这种缺陷。同一支铸坯在加热前后的外观质量见下图：

这种连铸坯经过轧制后，钢材的表面在没有经过顶锻的情况下，与没有针孔的连铸坯轧制的钢材外观没有明显的区别，但顶锻后，易出现发纹，这种缺陷不会造成大裂口型的开裂。

4.2.1 造成皮下针孔的机理与解决措施

4.2.1.1 造成连续性皮下针孔机理

整炉连续性皮下针孔，这种针孔小，且弥散，基本均匀分布在连铸坯四周，内弧面多余其他弧面，主要是由于钢水中气体含量高，主要是氧含量较高，在钢水凝固时，析出CO气泡没能够及时上浮，被连铸坯刚凝固内表面所吸附造成的。造成这一问题机理为：

在低碳钢的固、液相线温度下，钢水中的C—O平衡，由公式 △Go＝RTln K            

得：ln K＝(－22365－39.63T)/RT  钢水中的脱碳反应：

经过计算不同成分的Q235、Q195在：

从上表可以看出：冶炼这种钢，Q195、Q235钢种只有将钢水中的氧含量分别降到102ppm、86ppm以下时，且钢水充分均匀，才能够避免这一缺陷的产生。同一钢种碳含量较低时，氧含量的允许含量较高，这一缺陷的产生几率低。

4.2.1.2 降低氧含量的措施

1）终点碳、终点温度对钢水中氧含量的影响

由于生产低碳钢，钢水的终点碳含量较低，转炉一次倒炉双命中显得尤为重要。在不同温度下，终点定氧与碳含量、温度的检测详见下表：

从上表可以看出：适当提高钢水中终点碳含量，降低终点温度，能够降低钢水中的自由氧含量，降低脱氧难度。生产低碳钢种主要是降低系统温度，来降低钢水中的氧含量。

2）终点底吹对钢水中氧含量的影响

对有顶底复吹的转炉，终点提枪后，通过底吹不同时间，钢水氧含量与终点碳均有一定的变化，见下表；

从上表可以看出：转炉终点提枪后，随着底吹时间的延长，钢中的自由氧含量随着降低，但终点碳达到一定程度，降低的幅度不大。这是由于在底吹过程中，气泡的真空效果，使钢水中的CO能够降低一定的氧含量。这种方式降低氧含量，由于影响生产节奏与家具炉衬侵蚀，不提倡采取。

1） 出钢后补脱氧降低钢水中的氧含量

由于转炉终点温度，终点碳含量的变化，脱氧也有一定的变化，特别是转炉出钢后氧含量高时，可以采取补脱氧的方式，将钢水中的氧含量降低到理想值，通过延长软吹时间，促使氧化产物上浮，达到净化钢液的目的。

1） 强化连铸保护浇注，降低钢水中的氧含量

主要是通过严格控制钢水与空气接触，选择优质的耐材、保温剂、保护渣、三大件材料，减少钢水的二次氧化。

4.2.1.3 间断性皮下针孔

间断性皮下针孔主要是由于钢水在中包浇注过程中，吸入空气，钢水来不及上浮，或在钢水与保护渣界面，部分被刚凝固的钢水吸附形成的缺陷，这种针孔较大、有2mm左右的深度，一般在铸坯上呈簇状缺陷。主要是中包保护浇注密封不合适造成的，两种中包密封垫见图3。图3左侧为中包原来密封垫，右侧为采取专用密封垫后的状况，通过改进中包密封垫，避免因保护浇注不良而吸气造成连铸坯的间断性针孔，质量缺陷得以解决。

经过多次检验，微观夹杂物的级别，并没有直接导致钢材的顶锻开裂。

4.3.2 宏观夹杂对性能的影响

造成顶锻产生较大裂口（见图4），有部分原因（部分原因是由于钢材组织应力与严重表面缺陷造成）是由于外来夹杂物造成的，这种夹杂物一般达到100μm以上，主要是在浇注过程中造成的。特别是结晶器卷渣形成大型夹杂，破坏了钢的连续性，进而影响钢材的顶锻性能。

连铸使用镁质的耐火材料，采用中间包挡渣墙、挡渣坝，保持中包满液面浇注，结晶器采用液面自动控制系统，同时采取小振幅、高振频的参数，避免结晶器内液面的波动裹渣，切除更换中包水口阶段生产的连铸坯等措施，可以大幅度减少宏观夹杂物的带入。

4.3.3 铸坯与棒材表面对顶锻性能的影响

顶锻小裂纹(见图5),与连铸坯的表面有一定的关系,较深的表面缺陷（见图6），在轧钢加热与轧制后，仍没有消除的缺陷，对顶锻的性能有一定的影响，这主要靠强化设备维护，提高设备可靠性上予以解决。

4.3.4 化学成份的优化

钢中含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低，碳含量一般按中下限控制为宜。钢中硅含量超过0.15%，随硅含量增加，钢的抗拉强度、硬度有所提高，但延伸率低，断面收缩率下降更显著，不利于冷变形，且非金属夹杂物急剧增加，冷镦钢尽量要求减少硅的含量。钢中锰含量适中，可改善钢中硫的存在形态和分布，有利于提高钢的冷成型性。钢中的硫在冷镦时会使金属的结晶颗粒彼此分离引起裂纹；磷会恶化冷塑性变形能力，在拉拔时会使线材断裂，冷镦时使产品开裂，钢中的硫、磷含量应控制在0.025%以下。

（1）降低钢水氧含量，能够提高顶锻性能。

（2）连铸坯皮下针孔主要是由于脱氧与保护浇注不良造成的，对低碳钢的顶锻性能有影响。

（3）微观夹杂对顶锻性能影响较小，宏观夹杂影响较大。

参考文献：

[1] 蔡开科，陈士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1999