螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因分析与控制实践.pdf

第45卷第4期2023年8 月四川冶金Sichuan MetallurgyVol.45No.4Aug.,2023文章编号：10 0 1510 8(2 0 2 3)0 40 0 47 0 5螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因分析与控制实践寇雨成，张，潘军，王磊（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山2 430 0 0）摘要：针对国内某钢厂电炉流程生产的HRB400E螺纹钢，生产过程中出现屈服强度波动大、产品表面存在“黑线”缺陷等问题，选取问题严重的18mm规格螺纹钢筋试样，开展了金相显微组织和电镜扫描分析，发现存在外来的硅铝酸盐类复合夹杂物以及采用二切分轧制，是造成螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的主要原因，再结合生产工艺提出了改进措施，有效降低了螺纹钢中夹杂物含量水平，从而改善了螺纹钢力学性能波动，且未发现“黑线”缺陷。关键词：螺纹钢；电炉；夹杂物；显微组织；强度波动中图分类号：TF741Cause analysis and control practice of surface defects and unstableAbstract:In view of the problems such as large yield strength fluctuation and black line defect on the surface in theHRB400E rebar which produced by electric furnace in a domestic steel mill,the samples of 18 mm thread barswith serious problems were selected and analyzed by metallographic microstructure and electron microscop.It isfound that the existence of foreign silico-aluminate composite inclusions and the use of double split rolling are themain causes of surface defects and unstable microstructure properties of the thread bars.Combined with the produc-tion technology,the improvement measures are put forward to effectively reduce the content of inclusions in the barsteel,thus improving the fluctuation of mechanical properties of the bar steel,and no black line defects are found.Key words:rebar steel;electric furnace;inclusion;microstructure;yield strength fluctuation螺纹钢是房屋、交通、水利等土建工程中不可或缺的建筑材料之一，近年来随着中国城镇化率的不断提高，国家在交通设施、水利工程等基础建设持续投入，螺纹钢需求强烈，也是国内钢铁企业的主要产品类型原因之一1.2 。电炉流程生产螺纹钢也是国内常见方式之一3-5,电炉流程较转炉长流程具有明显优势，不需要高炉、炼焦、烧结、球团等铁前系统，碳排放低，能够较多地使用周边的废钢资源，在生产组织上也可以根据市场需求、电价和原料等因素进行间断生产6 。针对国内某钢厂电炉流程生产的螺纹钢HRB400E,生产过程中出现屈服强度波动第一作者：寇雨成（19 8 3一），男，硕士，工程师，从事冶金工艺研究，E-mail:。文献标识码：Amicrostructure properties ofrebar steelKOU Yucheng,ZHANG Hao,PAN Jun,WANG Lei(Maanshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Maanshan243000,Anhui,China)大、产品表面存在“黑线”缺陷等问题，通过金相显微组织和电镜扫描分析等手段，进行了螺纹钢质量缺陷和性能不稳定性原因调查，并结合生产工艺提出改进措施，以进一步提升螺纹钢产品质量和组织性能稳定性。1HRB400E螺纹钢生产流程和目前存在的问题国内某厂HRB400E螺纹钢主要生产工艺流程为：电炉炉外精炼方坏连铸钢坏(连铸直轧)双高棒轧钢生产线，具体情况如表1所示。在不48增加产能情况下，对原有冶炼和连铸生产线进行升级改造，升级改造后的电炉为Consteel电弧炉，该电路从冷启动后每次出钢时留钢操作，使炉内始终保持有大量钢液形成的熔池，固体炉料不再是直接被电弧加热熔化，而是被液态钢水熔化。由于有液态熔池的存在，炉内物质、能量的传输是以液态分子的扩散迁移为基础进行的，大大改善了固体炉料熔化的动力学条件。由于这种化钢方式，炉料可以连续均匀地加入熔池中熔化、冶炼，熔池的温度、化学成分等更加均匀和谐，冶炼效果更好。另外升级改在后的Consteel电弧炉还应用了三项新技术，分别为废钢使用连续加料操作、高效水冷自动碳氧枪技术和烟气预热废钢技术。其中废钢使用连续加料操作是废钢由连接小车从电弧炉炉壁孔加人熔池，加料时无需开启炉盖，实现电炉冶炼过程中无需频繁停炉和开启炉盖，减少了热量向空气中的耗散损失，采用炉壁孔加料可以避免顶装料时的塌料现象与电极的机械折断。留钢操作和连续加料使电炉加料熔化、冶炼的过程可持续进行，不必频繁停炉。配备的高效水冷自动碳氧枪向炉内大量喷碳吹氧，炉内进行碳氧反应，一部分能量用于加热废钢，作为电弧加热的能量补充，而且产生的CO气体随废气进人预热装置中，并在其中发生CO的二次燃烧，放出大量的热，这部分潜热以及废气所带的大量显热，被用来预热水平输料道上与废气逆向而行的废钢，从而达到预热废钢的目的。LF精炼主要是合金元素进行微调及调整钢水温度，冶炼周期在2 0 30 min左右，LF精炼过程保持全程吹氩，其中合金、调温废钢加入后提高吹氩强度进行钢水搅拌，均匀钢水温度与成分，精炼期间根据生产节奏和钢水温度添加废钢量，调温废钢主要以钢筋切粒为主。连铸工序采用恒拉速，根据后道工序的每个规格的轧机能力，拉速控制在2.53.5m/min范围,连铸过程为避免钢水二次氧化，钢水保护浇注采用浸人式水口十结晶器保护渣。双高棒轧钢生产线工艺流程为来料粗轧剪切中轧剪切预精轧剪切精轧剪切上冷床冷却打包收集、修剪取样、称重挂样。双高棒轧钢生产线主要生产工艺和过程控制有：因采用连铸直轧工艺，热钢坏来源于现有厂区内连铸机生产线的出料，对钢坏表面、外形尺寸按照热轧钢筋用钢坏表面、外观质量检查及判定标准进行检验，检验合格钢坏经热送辊道运往轧机进行四川冶金轧制；对于化学成分、外形尺寸等指标检验不合格的钢坏由剔除装置从出炉辊道上剔除；在轧机方面全线轧机共2 2 架，为全连续布置，钢坏在粗轧机组中轧制6 个道次，经粗轧机组后飞剪切头尾后，进人中轧机组继续轧制10 个道次切分后分双道，经飞剪切头尾后，再进入预、精轧机组中轧制2 6 道次，最后进入精轧机组轧制出成品。倍尺剪切采用高速连续运转的飞剪对轧件进行倍尺剪切，飞剪剪切的轧件最大速度可达到45m/s，剪机响应时间快，剪切精度高。打包收集、修剪取样、称重挂样：剪切后的成品棒材，在辊道上经人工目测检验剔除短尺，经过链式运输台架横移、计数、收集，并由成型辊道运送至打捆机处，快速完成打捆。再由辊道运送至成品收集卸料台架，经称重标记后，由天车将成捆的棒材吊人堆放场地。但在投产初期螺纹钢质量和组织性能稳定性存在问题，主要表现在产品拉伸试验中下屈服强度波动大以及产品表面存在数条不等、长度不等的连续“黑线,其中以18mm和20mm规格最为明显，如图1和表2 所示。为了使螺纹钢筋产品化学成分、力学性能、工艺性能等指标符合国标GB/T1499.2一2 0 18 及企业标准要求，以及产品表面、外观符合其热轧带肋钢筋表面、外观质量检查及判定标准中判定标准要求，搞清楚电炉流程生产HRB400E螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因，迫切而重要。表1生产HRB400E螺纹钢的电炉流程基本信息项目年产量电炉类型原料结构废钢预热方式废钢加人方式出钢方式留钢量炉外精炼方式铸机型号保护浇注方式铸坏断面(mmXmm)轧机机型产品规格2HRB400E螺纹钢表面缺陷和组织性能不稳定的原因分析为了能够调查清楚HRB400E螺纹钢筋表面第45卷数据50万t70t超高功率电弧炉100%废钢比例回收废气预热连续加料偏心炉底出钢1015 tLF炉精炼R10m5机5流方坏连铸机浸人式水口十中间包覆盖剂十保护渣165X165610mm双高棒轧机1232mm,其中1222mm采用切分轧制第4期“黑线”缺陷及屈服强度波动大的原因，选取问题严重的18mm规格产品试样,开展了金相显微组织分析和电镜扫描分析等，然后再结合生产工艺排查，明确原因并制定改进措施。2.1金相显微组织分析结果对18mm规格的钢筋截取金相试样2 支，并取对照组2 5mm规格钢筋截取金相试样1支，试样分析面为垂直轧制方向，试样通过截取、镶嵌、试样分析面通过磨制及抛光后（见图2、6），使用光学显微镜利用直接观察法对试样进行检测，结果发现18mm规格的钢筋试样中存在很多非金属夹杂物，其中在试样芯部的非金属夹杂物呈弥散分布，非金属夹杂物的形貌呈短条状为主，少量呈圆形或长条形，仔细观察非金属夹杂物还可以发现非金属夹杂物在长度方向具一定的方向性，并发现试样分析规格项目控制水平企标标准差采用直接观察法检验后，再次对试样表面进行清洗、抛光，并对18mm、2 5m m 规格的钢筋试样截面在3%硝酸酒精腐蚀之后采用光学显微镜观察了晶粒度和显微组织,18mm、2 5m m 规格的钢筋边部和芯部的显微组织均为正常的铁素体十珠光体，实际晶粒度的评级均为10.5级，如图4、8 所示。另外，18mm规格的钢筋分析面经在3%硝酸酒精腐蚀之后采用光学显微镜进行高倍检验时还发现其显微组织存在条带组织，如图5所示，25mm规格的钢筋分析面无此现象，如图5所示。对照图3和图5,还可以看出18mm规格的钢筋分析面中裂纹、非金属夹杂物向钢筋内部延伸的路线与条带组织方向较为一致。2.2电镜扫描分析结果用扫描电镜观察试样中夹杂物的形貌，找出了两类较为典型的非金属夹杂物进行了能谱分析，结果如图9 所示，从该图中可以看出，非金属夹杂物主要为硅铝酸盐类复合夹杂物，其中还含有少量的Ti.Na元素。2.3结果讨论Sichuan Metallurgy面周边某个区域内有数条深约0.10 mm裂纹，部分裂纹内部填满了非金属夹杂物，如图3所示。对照组25mm规格的钢筋试样分析面也发现了少量的非金属夹杂物，如图7 所示，但试样分析面周边正常，未发现裂纹缺陷。图1HRB400E螺纹钢表面“黑线”缺陷表2 HRB400E螺纹钢化学成分与屈服强度特征值18 mm直螺化学成分(%)CSi0.2150.4150.170.250.300.500.010.024925 mm直螺ReL/化学成分MnMPa1.343465.231.201.604200.0510和芯部的显微组织为铁素体十珠光体，符合国标GB/T1499.2一2 0 18 及企业标准要求。但同时发现，因双高棒轧钢生产线生产的122 2 m m 规格钢筋采用切分轧制,导致在18mm规格钢筋试样中发现存在条带组织。(2)通过光学显微镜进行直接观测以及对试样中非金属夹杂物使用扫描电镜进行能谱分析，发现试样中存在大规模的硅铝酸盐类复合夹杂物以及少量的Ti、Na 元素。从夹杂物的类型及尺寸进行分析，推测为外来夹杂物。44ReL/CSi0.2200.4500.170.250.300.500.010.02Mn1.4031.301.600.0645MPa455.6142055000（1)通过试样的金相显微组织分析，发现其边部图2 18mm规格钢筋试样截面宏观照片四川冶金50第45卷100m(100X)20(500X)图3Q18mm规格钢筋试样高倍照片（芯部10 0 X）(边部50 0)图418mm规格钢筋试样显微组织照片100m2DHm(100X)(500X)图518mm规格钢筋试样中的条带组织形貌mm0.5mmt1234568（芯部50 0 X）图6 25mm规格试样截面宏观照片图(边部50 0)图7 25mm规格试样高倍照片（10 0）第4期Sichuan Metallurgy51(芯部50 0 X)(边部50 0 X）图8 25mm规格试样显微组织照片进量2 241禁座2 220.814.08302A6.00.1Mg5.61201a1An25um进屋18wt%42102Mg3.60.60.30.1Ti25um(3)这些夹杂物的存在对钢筋基体的连续性有着较大的影响，钢筋在拉伸试验的过程中，夹杂物作为裂纹的发源地，会大大降低检测的力学性能，是造成18 mm规格力学性能波动的主要原因。(4)某钢厂因钢水中存在大量的外来非金属夹杂物，在精炼、连铸过程中未及时上浮去除，非金属夹杂物在连铸过程中随着钢水凝固而保留在铸坏之中,加之双高棒轧钢生产线生产的122 2 m m 规格钢筋采用二切分轧制，非金属夹杂物在轧制过程中随着钢基体的流变被轧到钢筋次表面或暴露在钢筋表面，是造成表面“黑线”缺陷的主要原因。HUAWEIP4OSG!图9 典型非金属夹杂物显微照片和能谱图3结论及改进措施(1)存在外来的硅铝酸盐类复合夹杂物以及采用二切分轧制工艺是导致某厂18mm规格HRB400E螺纹钢产品屈服强度波动大和存在表面“黑线”缺陷的主要原因。(2)经生产过程调查发现，7 0 t电炉钢水出钢过程中采用高锰生铁按照电炉成分目标中下限初调钢水中Mn含量；LF精炼存在先提温、再用钢筋切粒进行调温的习惯，给钢水带来了大量氧化物，在加上LF精炼过程中吹氩时间短，外来夹杂未充分上浮，部分夹杂物滞留于钢水中。（下转第7 0 页）.703侯娟奇.铜电解电耗因素影响分析及研究 J.铜业工程，2 0 2 0(3)：2 7 30.4曾箐雨.铜电解精炼极间短路行为研究 D.北京：北方工业大学，2 0 2 0.5占焕武，魏涛，叶栋，等.双向平行流铜电解生产实践J.有色金属（冶炼部分），2 0 2 2（1 0）：43一47.6方亚超，潘明熙，黄惠，等.铜电解沉积过程中添加剂的影响研究现状及展望 J.矿冶，2 0 2 1，30（5）：6 1 一6 9.7朱朱红，后洁琼，李中建，等.铜酸比例对铜电解阴极铜质量的影响机理分析 J.中国有色冶金，2 0 2 1，5 0（4）：2 9一35.四川冶金8方支灵.高电流密度铜电解工业化试验研究 J.广州化工,2 0 2 1,49(1 6):7 47 6.9徐鑫，范翔，程艮艮.30 万吨铜电解系统的工艺技术优化 J.有色冶金节能，2 0 2 1，37（2）：2 4一2 6.10孔德颂，罗劲松，王有维，等.铜电解阳极钝化及漂浮阳极泥控制技术研究进展 J.中国有色冶金，2 0 2 1，5 0(1):1-8.11李鸿程，李继元，刘商海.浅谈永久阴极铜电解生产管理.中国有色冶金，2 0 2 0，49（5）：5 3一5 6 十7 4.1 2 程鹏.无机物填充聚丙烯复合材料自增强机理及实验研究 D.北京：北京化工大学，2 0 2 0.第45 卷(上接第 5 1 页）另外，连铸过程中结晶器钢液面波动相对较大，甚至卷入了保护渣。根据原因分析并结合实际工艺，提出如下改进措施：在电炉出钢过程中,将电炉调整Mn元素的原料改为LF炉精炼的锰硅合金和高碳锰铁，避免高锰生铁中氧化物污染钢水。在LF精炼过程中,精炼岗位应注重操作,严格执行作业指导书中LF终点温度的规定范围，避免一次升高温，再加废钢降温操作，如确实LF终点温度高于规程要求，需加入调温废钢，应相应延长LF过程吹氩时间。在连铸过程中，通过优化结晶器浸人式水口插入深度，降低结晶器钢液面波动，避免卷渣。在轧钢红检过程中，首先将“黑线”缺陷维护到热轧带肋钢筋表面、外观质量检查及判定标准中,其次对红检人员进行针对性培训、增加产品红检过程表面检查频次，来加强产品表面质量检验。(3)通过上述措施后，某厂7 0 t电炉生产的HRB400E螺纹钢在高倍显微镜的直读法观测下未发现夹杂物,且18mm规格的钢筋力学性能明显提升、稳定，产品表面未发现“黑线”缺陷，改进效果显著。参考文献：1杨才福.高强度建筑钢筋的最新技术进展 J钢铁，2010,45(11):1-11.2刘朋飞.HRB400E螺纹钢冷弯断裂原因分析及改进措施J.山西冶金，2 0 2 3，46（1）：37 39.3李维华，林致明.耐海洋腐蚀螺纹钢HRB400cE电炉冶炼生产实践 J.中国高新科技，2 0 2 0（2 0）：33一34.4全太钦.淮钢短流程生产线生产高强度螺纹钢的工艺实践 J.现代冶金，2 0 0 1，2 9（6）：30 33.5涂传江，林晏民.CONSTEEL电炉生产的螺纹钢屈服强度不确定性的研究 J.钢铁研究，2 0 0 2，30（4）：3942.6上官方钦，殷瑞钰，李煜，等.论中国发展全废钢电炉流程的战略意义 J.钢铁，2 0 2 1，5 6（8）：8 6 一9 2.信息欧委会宣布向41 个大型绿色低碳项目资助超36 亿欧元近日，欧盟委员会宣布通过欧盟创新基金向该地区41 个大型绿色低碳项目资助超36 亿欧元，该项目范围涵盖了水泥、钢铁、先进生物燃料、可持续航空燃料、风能和太阳能等领域。据悉，上述项目地点分布在欧盟的1 5 个成员国，包括奥地利、比利时、克罗地亚、丹麦、芬兰、法国、德国等。受资助的项目将在2 0 30 年前全部投入运营，投用后的1 0 年之内，可帮助欧盟减排2.2 1 亿吨二氧化碳。具体来看，上述41 个项目中包括：1 3个工业电气化和氢能项目，资助金额近1 2 亿欧元；清洁生产技术项目1 1 个（包括4个电解槽制造项目、4个电池回收项目、3个光伏电池板及模块项目），资助金额近8 亿欧元；一般性脱碳项目8 个（包括3个炼油厂项目和5 个水泥和石灰行业项目），资助金额为1 4亿欧元；中型中试项目9 个，资助金额为2.5 亿欧元。（来源：中国钢铁新闻网）