1、技术应用452024,Vol.62,No.2452024,Vol.62,No.2收稿日期：2023-11-08作者简介：华福波（1992），男，工程师。E-mail：铌微合金化HRB400E钢铸坯裂纹研究与控制华福波，王劼，周玉杭，魏福龙，谢祥（首钢水城钢铁集团公司 贵州 六盘水 553028）摘要：铌是热轧带肋钢筋常用微合金化元素，具有细化奥氏体晶粒、沉淀硬化作用，且与钒相比价格较低具有较好的性价比。但因其元素特性，在铸坯冷却过程中易形成贯穿性裂纹，轧制时钢材开裂而导致堆钢。本文通过研究铌微合金化铸坯裂纹形成机理，采取优化钢水成分、低过热度浇注、二次冷却工艺优化等措施，有效解决了铸坯裂纹问题
2、，轧制过程因铸坯裂纹导致的万吨堆钢率由 1.32 支降低至 0.04 支。关键词：铌微合金化；裂纹；机理；堆钢中图分类号：TF704文献标识码：B文章编号：1003-0514(2024)02-0045-04Study and practice of BOF less-slag steelmaking technology with high-titanium hot metalHua Fubo，Wang Jie，Zhou Yuhang，Wei Fulong，Xie Xiang（Shougang Shuicheng Iron&Steel(Group)Co.，Ltd.，Liupanshui 553
3、028，China）Abstract：Niobium is a commonly used microalloying element for hot-rolled ridged steel bars,which has the effect of refining austenite grains and precipitation hardening.Compared with vanadium,niobium has a lower price and a better cost performance.However,due to its element characteristics
4、,it is easy to form penetrating cracks in the cooling process of the billet,and the steel cracking during rolling leads to the piling-up of steel.In this paper,the crack formation mechanism of niobium microalloying casting billet is studied,and the crack problem of casting billet is effectively solv
5、ed due to the results of optimizing the composition of molten steel,low superheat casting,secondary cooling process optimization,etc.The rate of 10 thousand tons of pile steel caused by the crack of casting billet is reduced from 1.32 to 0.Key words：minor Nb alloying；crack；mechanism；piling-up of ste
6、el铌和钒的物理特性相近，作为微合金化元素具有沉淀硬化作用，并在一定程度上可细化奥氏体晶粒，改善钢的韧性和抗疲劳性能。且对应原料铌铁供应量充足、价格稳定，与使用钒相比合金成本较低。因此被多家钢厂作为替代钒强化的首选元素。但 A 钢厂 160 mm160 mm 小方坯连铸机在使用铌铁配铌生产 HRB400E 钢筋时，连铸坯频繁出现横裂纹，轧制过程钢材开裂导致堆钢问题，直接影响生产效率和产品质量。针对上述问题，本文从铌微合金化机理分析、裂纹产生机理分析、控制裂纹等几方面开展研究和实践，解决铌微合金化 HRB400E钢坯裂纹问题，促进生产成本降低。1生产现状A 钢厂 HRB400E 化学成分如表 1
7、 所示，因高炉使用部分钒钛球原料，其铁水磷、硫含量均偏高（铁水成分如表 2 所示），且受钛元素影响，转炉脱磷效果不好导致冶炼终点钢水磷含量偏高。受轧制bz2402正文.indd 45bz2402正文.indd 452024/4/17 9:35:442024/4/17 9:35:44冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.246表 1A 钢厂 HRB400E 化学成分元素CSiMnPSNb含量0.23%0.45%1.45%0.038%0.036%0.025%表 2A 钢厂铁水化学成分元素CSiMnPSTi范围3.98%5.12%0.08%1.01%0.32%0.78%0.100%0.180
8、%0.028%0.102%0.15%0.40%均值4.32%0.35%0.46%0.140%0.037%0.24%厚的低倍试样，经打磨抛光横截面进行酸洗和检验分析，结果如图 2 所示。由图 2 可知，铸坯出现严重的横裂纹，贯穿铸坯断面的三分之二，低倍分析数据如表 3 所示，其中心裂纹等级达到 1.5 级。图 1生产过程钢材开花及烂钢情况2铸坯裂纹分析2.1宏观分析对 A 钢厂轧制过程出现钢材开花炉次铌微合金化 HRB400E 钢坯进行随机切割成段，制成 15 mm表 3HRB400E 钢坯低倍分析数据非金属夹杂/级缩孔/级中心疏松/级皮下气泡/级角部裂纹/级边部裂纹/级中心裂纹/级等级0.50
9、.50.51.5图 2HRB400E 钢坯横截面低倍宏观形貌2.2理论分析连铸坯凝固过程中，一方面柱状枝晶的间隙因S、P 元素的偏析而形成低熔点液相薄膜，使枝晶间隙更为薄弱;另一方面，在矫直过程中，铸坯受到各种拉应力的作用，当拉应力超过枝晶间的抗拉强度或应变超过应变速率极限时，就会产生凝固裂纹。此外，沿奥氏体晶界析出的 Nb(C、N)等沉淀相会导致钢的塑性降低2。二冷区因冷却不均匀产生的热应力也会促进裂纹扩展3。如钢水过热度大，则柱状晶更为发达甚至形成穿晶组织，加剧了贯穿性中心裂纹的产生。3优化措施3.1控制钢水磷含量含 Ti 熔渣与普通熔渣结构具有较大差异，其含量的高低对熔渣熔化性温度具有重
10、大影响，进而影响熔渣脱磷效果。含 Ti 渣比普通渣无论是开始熔化温度还是完全熔化温度都要低，且高碱度、高 FeO含量下钛氧化物降低熔渣熔化性温度的能力更强，作为 TiO2主要赋存物相的 CaOTiO2活度降低，熔渣过稀而脱磷效果较差，渣中 P2O5与 TiO2关系如图 3 所示4。因此，为使含 Ti 熔渣达到较好的脱磷效果，应控制终渣 FeO 含量较低，碱度为中等碱度。为此，对相关工艺、技术进行了以下优化：1）冶炼含 Ti 铁水时，冶炼前期应根据热量情况适宜降低吊枪时间，适宜降低熔渣 FeO 含量；工艺条件影响，为确保钢材力学性能、金相等指标合格，整体合金成本较高，其中铌含量达到 0.025%
11、。生产过程中，钢材频繁出现裂纹、开花或烂钢问题，如图 1 所示。bz2402正文.indd 46bz2402正文.indd 462024/4/17 9:35:442024/4/17 9:35:44技术应用472024,Vol.62,No.22）冶炼前期先降低熔渣 FeO 含量后，再增大其MgO 含量以达到稠渣，利用 MgO 与 TiO2反应降低渣中自由 TiO2，避免 TiO2消耗大量 CaO 而降低石灰利用率进而影响脱磷；3）根据铁水含 Si、Ti 情况，冶炼前期加入适宜石灰，将熔渣碱度 R 控制在 3 左右，保障 TiO2主要赋存相 CaOTiO2活度处于较高水平的同时，保证脱磷效果。表
12、4优化前后 HRB400E 化学成分对比CSiMnPSNb优化前0.22%0.45%1.45%0.038%0.036%0.025%优化后0.24%0.46%1.46%0.030%0.029%0.015%差值0.02%0.01%0.01%-0.008%0.007%0.01%表 5优化前后 HRB400E 产品性能对比规格/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa强屈比优化前224355651.30优化后224385551.27差值3-10-0.03图 3转炉渣中 P2O5与 TiO2关系通过上述工艺优化，转炉冶炼终点脱磷率均值从 82%上升至 85%。3.2提碳降铌Nb 易与钢中 C、N 结合形成
13、Nb(C、N)化合物，并在晶界析出，导致晶界塑性降低并引发裂纹。A钢厂受铁水条件影响影响，其 H B400E 钢的 C、N、P、S 含量较高，为避免形成 Nb(C、N)化合物而使铸坯开裂5-6，同时确保产品力学性能受控，采取了提碳降铌思路。通过利用 TCO 等手段提高冶炼终点命中率，钢水配碳稳定性得到提高，钢水成品碳含量提高至0.24%。通过减少铌铁合金用量加入量，将钢水铌质量分数控制在 0.012%0.016%范围，优化前后钢水成分、产品力学性能对比分别如表 4和表 5 所示，通过调整铌含量后轧制过程开花比例得到降低。3.3采取低过热度浇注钢水过热度高导致凝固过程钢坯柱状晶发达，加之铌的影响
14、，极易导致形成铸坯横裂纹。A 钢厂通过从降低出钢温度、提高浇注过程钢水保温效果两个方面着手，实现低温快拉浇注，以降低钢水过热度。通过利用 TCO 投弹提高冶炼终点命中率、炉下渣罐车改造等方式，实现了转炉不倒炉出钢技术，转炉一次倒炉+不倒炉出钢率达到 85%以上，出钢温度降低 12 ；其次，通过采取中间包钢水全覆盖保温，中间包包壁增加绝热层、保温层，改进耐火材料质量等，中间包浇注温降降低 4，过热度30 合格率提高至 88%。3.4优化二冷配水工艺铸坯出结晶器进入二次冷却段时，因中心温度高而外层温度低，导致其中心向表面传递热量，如冷却不均匀，将导致表面回温，坯壳受热膨胀，凝固前沿引起张力应变。当
15、张力超过临界值时，便产生中心裂纹7。如果二冷配水不合理，铸坯表面将明显回温，裂纹发生率也明显升高。因此，对二次配水工艺进行优化，因钢水过热度合格率提高，将总比水量降低；为控制铸坯在二冷区逐步凝固过程中产生明显的回温，对二冷水分配比进行优化，将段、段分配比减小，提高段分配比，以提升铸坯均匀冷却效果，具体如表 6 所示。表 6优化前后 HRB400E 产品性能对比拉速/(mmin-1)结晶器水流量/（m3h-1）二冷比水量/（Lkg-1）二冷分配比优化前3.01211.2839:43:18优化后3.01201.2636:40:24bz2402正文.indd 47bz2402正文.indd 4720
16、24/4/17 9:35:442024/4/17 9:35:44冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.2484优化效果4.1铸坯低倍对 A 钢厂优化后 HRB400E 钢铸坯随机进行低倍分析，其低倍宏观形貌和分析数据如图 4 和表 7所示。优化后，铸坯中心疏松、中心裂纹问题得到明显解决，中心裂纹等级从 1.5 优化为无，大幅提升了铸坯铸坯质量。表 7优化后 HRB400E 钢坯低倍分析数据非金属夹杂/级缩孔/级中心疏松/级皮下气泡/级角部裂纹/级边部裂纹/级中心裂纹/级等级0.5图 4HRB400E 钢坯横截面低倍宏观形貌5结论铌元素可改善钢的韧性和提升其性能，但增加铸坯裂纹敏感性，轧
17、制过程极易出现开花导致堆冲钢。通过提高脱磷率降低钢水磷含量、提碳降铌、低过热度浇注、优化连铸二冷配水等工艺优化，有效解决了铌微合金化 HRB400E 钢因铸坯裂纹导致轧制过程频繁开花问题，因铸坯裂纹原因导致的万吨堆钢率由 1.32 支降低至 0.04 支，有效支撑了轧线高效化生产。参考文献1 陈建民，张志杰Nb 微合金化 HRB400 螺纹钢筋的金相组织与力学性能分析 J.河北冶金，2006（5）：41-432 胡德红，杜明山Nb 微合金化的控制技术研究 J.冶金标准化与质量，2016（3）：29-333 许庆太，魏伯，赵晓飞，等钢板表面纵向裂纹的金相检验和分析J.理化检验(物理分册)，200
18、6，42（12）：634-6364 华福波,伍从应,曾圣明,等.100t 转炉冶炼钒钛铁水高效脱磷机理分析与生产实践 J.炼钢,2021,37（1）：13-22.5 王璞，韩庚维，孙福龙，等影响连铸板坯中间裂纹的设备与工艺因素 J.连铸，2018，43（4）：77-826 张朝晖，金波，巨建涛，等新临钢连铸板坯中间裂纹的成因分析与改进措施 J.上海金属，2006，28（5）：21-247 钟群鹏，赵子华断口学 M.北京：高等教育出版社，2006.图 5优化后粗轧机组铸坯切头形貌图 6优化后产品钢材形貌4.2轧制情况通过现场实际跟踪，取粗轧机组铸坯切头和产品钢材分别如图 5、图 6 所示，由图可知，粗轧钢坯切头表面光滑无裂纹现象，成品钢材表面和断面均正常未出现裂纹，符合螺纹钢质量控制要求。优化后，HRB400 钢铸坯在轧制过程中未出现开花现象，轧制过程因铸坯裂纹导致的万吨堆钢率由 1.32 支降低至 0.04 支。bz2402正文.indd 48bz2402正文.indd 482024/4/17 9:35:442024/4/17 9:35:44
