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无缝不锈钢管外折、发纹的成因及解决措施

    无缝不锈钢管表面裂纹,开口较宽者称为外折,开较窄、细如发丝者称为发纹。这种缺陷主要是管坯表面裂纹遗传所致,也是影响无缝不锈钢管产品合格率的主要原因。

    不锈钢管坯表面裂纹的成因,随工艺(连铸、模铸)不同而异。这里仅对鞍钢大生产模铸法生产的管坯谈一谈看法。

1内因

    内因是指钢锭自身质量的影响。为防止或避免钢坯表面裂纹的产生,国内外的冶金工作者一直进行着探索,力图找出钢坯表面裂纹的成因,已取得以下几点共识:

1.1化学成分的影响

    (1)含Al的钢比沸腾钢和硅镇静钢裂纹敏感性高,含Nb的低合金钢裂纹敏感性进一步增大。这是AlN ,Nb (C.N ).N bC等沿原始γ相晶界析出,使晶界脆化而易J几开裂。

    (2)硫化物沿晶界偏析,形成低熔点的液相膜或沿晶析出,导致晶界脆化,使之易于开裂。

    (3)先共析铁素体在γ相界形成薄膜,也促使裂纹产生和扩展。

    鞍钢于1984年4月份对16Mn钢系列加Al量由600g/t减为400g/t,结果16MnR钢的裂纹废品率由1983年的5 28%下降到0.14%。

    为防止低碳不锈钢管产生裂纹,建议Als限制在0.010%-0.015%范围内,N含量<0.006%。碱性平炉N含量一般为0 001%-0.008%,转炉钢N含量<0.007%,如果使其与Al化合,完全形成AN,按最高N含量计,需Al是0.015%,折300g/t钢。当然还要考虑到与氧化合部分,以及其它脱氧剂的加入量,来确定脱氧剂中Al的加入量。

    一般认为,钢中加Al,除了脱氧以外,还利用AlN对晶界的钉轧作用来细化晶粒。实际上,这方面存在误解。作者查阅大量资料证实,Al对晶粒的细化作用,对于断面尺寸较小,在热轧态交货和使用的钢种来说,是无效的,原因是AlN的析出需要一定的孕育期,这对于断面尺寸较小的成品材,像不锈钢管、角钢、线材、薄板等,轧钢加热时溶入钢坯中的AlN,在随后的轧制过程中,因为冷却速度较快,来不及析出,不能起到细化晶粒的作用。

    但是,对于调质钢又当别论,因为调质钢在轧后需要重新加热,AlN会在加热保温过程中重新析出,起到细化晶粒的作用。

    因此,为减少钢坯的裂纹,对非调质钢,应尽量降低钢中Al含量。据此观点,鞍钢第一、第二炼钢厂的20管钢脱氧剂中的Al含量应加以调整。

    分析证明,硫在晶界的偏析比在晶内高几十倍,这是因为硫化物是在钢水凝固时产生的,总是沉淀在枝晶间。因此,只要有少量的硫就能大大降低钢的热塑性,导致钢在轧制变形时开裂。

    为降低硫的危害,除尽量降低钢中的S含量外(过多降低S含量会增加成本),还可以用Ca, Re,Ti等对钢水进行处理,提高硫化物的形成温度,减少其危害。

    日本学者研究认为:α相形成元素能增加溶质元素在枝晶间的固溶度,减少偏析。用α形成元素处理,同样会减少硫在枝晶间的偏析,而降低其对钢的危害性。利用少量的Ti(不大于0.005%)就可以起这样的作用。

    与日本同行的推论相反,笔者查阅大量资料并经试验数据证明:作为α相形成元素的Si却促进偏析。

    关于共析铁素体沿晶析出问题,是一个难以控制的问题,只能通过优化轧钢工艺来减少其危害。

1.2气泡的影响

    皮下气泡轧露也会在管坯表面产生裂纹。因此,以往多把轧制裂纹判成了气泡裂纹。其实气泡裂纹与轧制裂纹有着明显的不同。

    (1)脱氧不良或钢水包、合金料烘烤不良在钢锭上产生的气泡,会出现在整罐钢水浇铸的钢锭上。这样,经开坯后,气泡暴露,在坯子的四面都会有裂纹,但每条裂纹都很短,在坯子的四角会有“张嘴”状撕裂。

    (2)如果是由于保护渣潮湿造成的气泡,一般只出现在钢锭的头部和头部的角部,露后会在坯子上产生与(1)相同的特征。

    (3)钢锭一旦产生气泡,不会只集中在皮下。因此,在酸浸后的低倍试样上,除了轧露气泡外,肯定还存在着没轧露的气泡。用这种方法也可以区分是气泡轧裂还是轧制裂纹。

    (4)轧制裂纹多成簇状,单对称或双对称沿纵向分布在坯子四面的中间部位,气泡裂纹多在角部分布,没有轧制裂纹那样的规律性。

    据上述几点来判断,管坯上的裂纹主要是轧制裂纹,即使有气泡裂纹,也是极少。这在以后的论述中也会进一步证明。

1.3操作因素的影响

    (1) Jc.Jb模的影响。1990年鞍钢曾组织力虽对不锈钢管质量进行跟踪调研,总结资料(以下简称资料)介绍:共检查3罐32个钢锭,其中Jb锭18个,有14个锭表面质量良好,占78% , Jc锭有14个,有4个锭表面良好,占29%. 18个Jb锭中有12个锭接口下50-150mm处有50-20mm长的裂纹,切头难以切掉。该种裂纹的产生是因为保温帽与钢锭模接缝处进入钢水,造成钢锭悬挂而拉裂。现在保护渣质量好了,这种缺陷己不多见。

    (2)结疤。钢锭表面的结疤,也会造成不锈钢管表面裂纹。据资料介绍,检查26支管坯,22支有结疤,占85%,整体看结疤多出现在钢锭头、尾1m以内,同时锭头补缩良好,钢锭表面光滑的结疤也少。金相分析表明,结疤周围有增碳现象,说明结疤与保护渣有关。由粒状改为粉状保护浩,结疤明显减少。可见,保护渣的质量是影响钢锭质童的重要因素。

    目前鞍钢各厂的轧后退料中,结疤的比例有增加的趋势,无缝厂成品管上也有结疤缺陷。可见保护渣的质量、钢锭的清理等环节还有潜力可挖。

2外因

    外因是指钢锭脱模后直至成品材的各个环节对不锈钢管质量的影响。

    钢锭质量是内因,轧钢工艺是外因,如钢锭质量差,但轧钢工艺好,即使产生裂纹也会浅一些,达到先天不足后天补的目的。下述事例足以证明这一点。

    1978年前后,鞍钢第三炼钢厂下注沸腾钢,因钢液浸蚀汤道,造成钢板因夹杂多而分层,用户在冲件时开裂。为此,改为上注,但坚壳带又过薄,造成轧钢时,在第二逆次以后,板坯大面就出现闪光和响声,气泡暴露,废品大增。经批准与本溪钢厂联系,运去部分钢锭与鞍钢第二初轧厂作轧制对比试验。结果本钢轧制的合格率是90.4%,鞍钢第二初轧厂轧制的合格率是75.3%,7者的合格率差别竞高达15.1%。当年参加过试验的有关技术人员在资料中对当时两个轧钢厂的均热、轧钢情况都做了论述。

    (1)均热情况

    本钢的均热工艺最高加热温度在1360℃左右,从入炉到出炉约6-7h,加热升温均匀,仪表准确。

    鞍钢采取的是高温快烧(生产任务重,抢产影工艺,最高加热温度达1390℃左右,实际常常高出1400℃,从入炉到出炉约4h左右,有时加热时问稍长,部分钢锭局部熔化,气泡暴露。

    (2)轧钢情况

    本钢的初轧机有立辊,鞍钢第二初轧厂的轧机没有立辊;同时轧制制度也与鞍钢的不同。

    如140mmX 1050m m的板坯,鞍钢是先平轧8道次,再立轧2道次,最后再平轧3道次;而本钢是先立轧2道次,然后再平轧13道次。

    本钢在轧制板坯时,不限于规程规定,可根据具体情况增加轧制道次。另外,本钢先立轧2逆次,使铸态组织轧合,降低了气泡暴露倾向。

    从上述结染可以看出,质量相同的钢锭,采用不同的均热制度和轧制制度,板坯的合格率差别高达15.1%。当然,本钢的轧机有立辊,轧制效果好。但是,加热温度偏高,升温速度偏快,部分钢锭局部熔化,使气泡暴露,道次压下量又过大,把钢锭大面的气泡轧露,确是粗放操作的结果,是完全可以改进的。可见,优化初轧均热和轧制制度是何等重要。

2.1均热

    采用避开相变区入炉的KJT工艺,尽星抢温装炉,使入炉钢锭的温度>950℃或待到<600℃装炉,以减少钢锭在均热过程中产生热应力裂纹。

    翻钢和轧钢道次增多后,道次压下量变小,轧制负荷也相应减轻,应适当降低均热温度,以避免或减少因过热、过烧及气泡暴露造成的轧制裂纹。

2.2初轧制度的影响

    初轧制度对钢坯表面裂纹影响较大。前苏联某厂曾就不同轧制制度对初轧坯表面裂纹的影响作了对比试验,结果表明,采用2X2X4X2X1轧钢制度,初轧坯表面产生的裂纹最浅,平均1.8mm。采用6X4X2X1轧钢制度,裂纹最深,平均8mm。造成这种结染的原因是轧钢时单向多道次轧制不翻钢,将钢锭轧的过扁,立起来后,其高度与宽度的比值H/B过大。大冶钢厂试验表明,H/B>1. 5时,在其高度的两侧面就会产生对称成簇分布的裂纹。

    鞍钢现行的初轧方、矩形坯工艺中,H/B值最小者为1.89,最大者达2 1。这远比大冶钢厂试验得出的产生轧制裂纹的临界值1. 5大,因而,按现行工艺开坯,产生裂纹是确定无疑的了。

    据资料介绍,鞍钢制管用初轧坯26支,双对称(四面全有)成簇裂纹占46%,单对称成簇裂纹占35%,合计81%。值得一提的是这些初轧坯在酸洗前95%无裂纹,峻洗后全有裂纹。

    1980年后,公司专门组织力星作了不同初轧制度对不锈钢管坯表面裂纹影响的对比试验,最后确定用15道次4次翻钢(2X6X4X2X1)取代原来的13道次3次翻钢(6X4X2X1)。现在的工艺是鞍钢二次系统优质工艺规程的一个重要组成部分,对油管、高压锅炉管、车轴坯等重要钢种均采用这个工艺。

2.3一、二初轧厂坯质量比较

    据资料介绍,同是二炼钢的37个锭,一初轧轧21个,产225 X 198坯63根,好坯44根,占70%,二初轧厂轧16个锭,产196方坯48根,好坯43根,占93%。

    由于一初轧轧制的管用钢坯断面是225X 198,二初轧是196方坯,初轧工艺制度上差异较大,可比性不强。但从连轧机组来看,二初轧有立辊,一初轧没有。一初轧厂轧钢时需扭转翻钢。轧管坯时走一组连轧的1, 2, 3,6组孔型。坯子咬入第一孔后,速度很慢,冷却的轧辊及其冷却水使坯子表面降温较快。从现场观察,由于机架等挡着视线,只能看到离轧辊有一定距离并且温度已经回升的钢坯,有时还发黑。出一孔后钢坯要被扭转90°,这时降温变硬的钢坯表面,将会被扭出裂纹。问时由于连轧1,2孔坯子变形速率较低,也易造成开裂。

    因此应减少进入一组连轧的坯子断面尺寸,加大连轧的轧速,同时,对轧辊冷却水加以遮挡,将其分流到辊缝处或端头,以减少开裂倾向。

2.4初轧坯断面形状对管坯质量的影响

    一初轧厂轧制的管坯采用225 X 198初轧坯,二初轧采用196方坯。225 X 198矩形坯经大型厂用轧制196方坯的孔型轧制时,变形不合理,易产生折叠缺陷。

    据资料载,用一初轧厂225 X 198坯轧成150管坯198根,有61支需要清理,占32%,而用二初轧厂196方坯轧150管坯全部良好。

    不锈钢管坯轧后退废量,一炼钢大约为4%-5%,二炼钢大约为1.5%,三炼钢大约为1.3%。一炼钢由一初轧厂开坯,二、三炼钢厂由二初轧厂开坯,这也足以证明以上所讲的问题。

3清理

    制管用钢坯的清理工作十分重要。在国外,对管坯多采用火焰扒皮或机械扒皮处理。据资料载,鞍钢196方坯轧制159X6管,<1mm深的裂纹全部消失,>1mm深的裂纹形成了外折和发纹。

    德国某厂规定,必须消除1mm深以上的裂纹。

    苏联TO C T 14-21-77标准规定,180管坯裂纹深度必须<0.85mm,210mm管坯裂纹深度<1.05mm。

    实际上,真正对不锈钢管构成危害的管坯表面裂纹只占裂纹总数的5%-6%,其余裂纹均能在轧制过程中碾平、消失。虽然不能彻底避免裂纹的产生,但却可以通过改进工艺和操作,使裂纹的深度浅一些,再通过清理将危害裂纹消除。

3.1清理工作现状

3.1.1清理场地情况

    二初轧厂在5跨12万m2的钢坯库中设有两个大清理场地,很宽松。清理方式采用人工火焰清理,少数合金钢需抢温清理。

    大型厂有圆管坯清理台架共四个,总面积不足4m2,场地明显不足。

    方坯清理现场地一处约60m2,场地较小,清理能力受限制。

3.1.2清理任务的分配

    二初轧厂负责清理平炉管用钢坯的甲、乙罐及抢温清理的合金钢等。

    大型厂负责清理平炉管用钢坯的丙罐和转炉钢坯及由一初轧开坯的矩形管坯。同时还负责清理圆管坯。

    管用初轧坯的65%左右由二初轧厂清理,35%由大型厂清理。圆管坯80%以上由大型厂清理,余为无缝厂清理(无缝厂用砂轮、车床清理)。

3.2清理工作现存的问题

    除了大型厂方、圆坯清理场地不足之外,管坯质量也不好。主要是清理前的检查不认真,致使缺陷因漏检而得不到清理。甚至象结疤这样明显的缺陷也在成品管上出现.

    清理质量不好的根本原因是目前的管理模式不顺,没有经济利益制约。二初轧厂、大型厂负责清理,干得越多,成本越高(煤气、电费上升)。而管坯清理质量好了,获利的却是无缝厂。光凭奖金来制约,约束力太小了,如:在圆管坯清理工段,因管坏温度高,加之场地小有一定的危险性,在夏天天气热时,工人作业环境很艰苦。

4几点建议

    (1)对各炼钢厂制管用钢加铝量进行准确计算,对铝高的加以适当调整,使其不超过400g/t钢。

    (2)在尽景降低钢中硫含量的同时,应考虑加入适当的合金元素对制管用钢进行处理,以减轻硫的危害。对高压锅炉管和油管可加0.01%-0.005 % Ti处理。

    (3)尽最增大Jb模铸锭的比例。

    (4)对各厂现用保护渣质量进行考核、评估和筛选,以确保其质量。

    (5)脱模后抢温装炉,确保锭温大于950℃。适当降低均热温度,延长保温时间,以避免均热温度过高造成危害。

    (6)优化初轧工艺,增加翻钢和轧钢道次,减少轧制裂纹。

    (7)在一初轧厂一组连轧机轧辊上安装冷却水挡板,将轧辊冷却水分流到辊缝处,避免浇到钢坯上。

    (8)增大二初轧厂196方坯的开坯量,取代部分一初轧厂225 X 198矩形坯。

    (9)增加二初轧厂管坯清理量,强化初轧管坯清理是目前最紧迫而有效的措施。

    (10)成立独立的钢坯清理公司,建立市场制约机制,确保管坯清理质量,可以把全公司的钢坯清理工作统筹考虑。

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