30MnSi的生产实践及主要质量缺陷分析.doc

PC钢棒30MnSi生产实践及主要质量缺陷分析赵 进 （本钢北营钢铁（集团）股份有限公司炼钢厂 辽宁 本溪 117017）摘 要：介绍了本钢北营公司PC钢棒30MnSi热轧盘条的生产实践，对冶炼及轧制工艺控制进行了简要描述。对PC钢棒最常见的质量缺陷进行了分析，并制定了相应的对策。关键词：PC钢棒 生产实践 工艺控制 分析预应力混凝土用钢棒（Steel Bar for Prestressed Concrete ，简称PC钢棒）是由日本高周波热炼株式会社于20世纪60年代开发的一种技术含量很高的预应力钢材，属于预应力强度级别中的中间强度级。由于它具有高强度韧性、低松弛性、与混凝土握裹力强，良好的可焊接性、镦锻性、节省材料（如11mmPC钢棒可代替20mm热轧钢筋）等特点，在国外已被广泛应用于高强的与应力或凝土离心管桩、电杆、高架桥墩、铁路轨枕等预应力构件中，在国际、尤其是亚洲具有十分广阔的市场。在我国，PC棒，主要用于管桩厂制作港口混凝土管桩，高层建筑地基混凝土管桩，桥墩混凝土管桩等。本钢北营炼钢厂从2010年开始生产PC钢棒，随着预应力钢棒市场需求量越来越大以及产品质量的不断提高，进入2011年北营公司PC钢棒产量大幅度提高。 1本钢北营炼钢厂30MnSi冶炼工艺流程及化学成分设计1.1冶炼工艺流程为了满足PC钢棒的质量要求，结合炼钢厂设备条件，确定30MnSi冶炼工艺流程：900吨混铁炉铁水预处理（脱S、扒渣）120吨转炉（顶底复吹）钢包底吹氩LF炉精炼小方坯连铸（结晶器电磁搅拌，R9）高速线材轧机检验入库。1.2 30MnSi力学性能要求及化学成分设计预应力钢棒属于中碳低合金钢，热轧盘条经拉拔强化和调质热处理后使用，根据预应力钢棒性能要求，参考国内其他厂家同类产品，结合北营公司生成实际，制定PC钢棒力学性能要求及化学成分，见表1和表2。表1 预应力钢棒力学性能要求屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断面收缩率/%400650-75050表2 预应力钢棒化学成分牌号化学成分/%30MnSiCSiMnPS0.28-0.330.70-1.100.90-1.300.0250.0252.生产实践2.1转炉冶炼PC钢棒30MnSi要求磷、硫含量低，终点碳的控制增加了冶炼难度。吹炼终点碳的高低对于钢的质量至关重要：终点碳越低，钢中溶解氧含量越高，不仅降低了脱氧元素的收得率和钢水成分合格率，且增加了钢的脱氧产物，钢中非金属夹杂物含量越高，降低了钢的性能，同时对钢中气体含量的控制也十分不利。为此，采用终点高拉碳工艺，一般控制在0.15%以上，且终点温度控制也不宜过高，初期生成转炉终点控制情况见表3。表3 30MnSi转炉冶炼终点控制炉号钢种C/%P/%S/%T/1E2-563030MnSi0.27 0.009 0.021 16421E2-563630MnSi0.25 0.006 0.017 16391E2-565330MnSi0.21 0.017 0.023 16701E2-565830MnSi0.17 0.004 0.020 16481E2-566030MnSi0.21 0.005 0.021 16221E2-566130MnSi0.18 0.015 0.027 16512.2 LF炉精炼LF炉进站进行正常的造渣吹氩操作，渣中脱氧采用硅铁粉等，采用造白渣工艺， 尽量降低钢中的氧含量及硫含量，LF炉离站进行软吹氩操作，进一步促进非金属夹杂物上浮，软吹时间大于12分钟。对于中高碳钢而言，低碱度渣易于吸收钢中夹杂物，使得钢中夹杂物减少，且其形态和性质也得到有效控制，对消除钢中点状夹杂物十分有利，对于30MnSi而言，LF炉离站炉渣碱度R一般控制在1.5左右。2.3小方坯连铸连铸钢包到中间包采用长水口保护浇注，防止钢水二次氧化。对于含Mn量较高的钢种，为防止产生硅酸锰类的复合夹杂物，一般采用镁质绝热板中间包，可以降低耐材对钢水的污染。同时从以下几方面强化结晶器稳态操作：拉速控制平稳；水口插入深度符合工艺要求；水口插入位置必须在结晶器正中心，防止偏流导致流场不稳卷渣；保护渣均匀加入，添加时机得当，防止保护渣未溶化卷渣。2.4轧制工艺30MnSi盘条只是作为原材料，用户在加工成预应力钢棒时还要对其进行拉拔、淬火、回火处理后还要达到所要求的力学性能，根据上述要求，制定了30MnSi的轧制工艺。开轧温度开轧温度对于盘条强度的影响不大，而对于韧性作用明显，所以一般采用降低开轧温度提高盘条的韧性。基于此，通过降低出炉温度可以降低开轧温度。30MnSi开轧温度控制在960-980。冷却工艺经验显示，30MnSi盘条奥氏体到珠光体的转变温度在700左右，可以制定处其冷却工艺：盘条吐丝温度控制在880-890，辊道速度0.3m/s左右。3.30MnSi盘条实物质量3.1化学成分采用以上工艺的30MnSi盘条化学成分控制稳定（见表4），特别是碳的控制，上下炉次波动范围小，为盘条轧制性能及下道工序拉拔创造了条件。表4 30MnSi成品化学成分炉号钢种C/%Si/%Mn/%P/%S/%1E2-563030MnSi0.300.821.060.0160.0131E2-563630MnSi0.310.751.050.0180.0161E2-565330MnSi0.320.791.020.0220.0151E2-565830MnSi0.300.761.090.0150.0171E2-566030MnSi0.280.741.060.0170.0061E2-566130MnSi0.290.781.080.0180.0053.2力学性能经过轧制过程工艺控制，30MnSi盘条力学性能控制良好，断面收缩率满足用户要求，见表5。表5 30MnSi成品化学成分轧制批号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断面收缩率/%W1013612345067556W1013611246067554W1013611044567566W1013613245568057W1013613044568054W10136147420680633.3金相组织金相检验显示，北营公司生产的30MnSi盘条非金属夹杂物能有效控制在2.0级以下，组织为铁素体（F）+珠光体（P），见表6。轧制批号显微组织晶粒度（级）非金属夹杂物（级）ABCDDSW10136123 F+P少10.01.02.01.50.50W10136112F+P9.51.51.51.000W10136110F+P10.51.01.01.000W10136132F+P10.01.51.01.00.50W10136130F+P10.51.00.51.00.50.5W10136147F+P10.01.51.00.50.50注：A-硫化物；B-氧化物；C-硅酸盐；D-球状氧化类；DS-单颗粒4.缺陷分析北营公司生产的30MnSi盘条有8mm、10mm、12mm三种规格,其中12mm规格盘条在用户加工成预应力钢棒后出现脆断缺陷，断裂多出现在每卷盘条头尾，见图1和图2。 图1 30MnSi脆断成品 图2 30MnSi脆断断口形貌4.1断口分析图3是图2试样断口断裂源显微形貌。从图中可以看出，两个脆断试样断裂源均在试样边缘，且为刻痕的凹槽处，断裂源成发射状分布。图4是断口试样裂纹扩展区显微形貌。从图4可以看出，裂纹扩展区存在明显的二次裂纹、解理断口、准解理断口以及部分韧窝，这种复杂断口有“氢脆”断口的明显特征。 相关资料显示1，延迟断裂是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化现象。根据氢侵入钢材渠道的不同，氢致延迟断裂可分为“内氢”延迟断裂及“外氢”延迟断裂。在钢材冶炼、轧制、热处理过程中侵入钢中且不能完全释放引起的断裂称为“内氢”延迟断裂，如PC钢棒在加工完毕静置过程中，经几小时或几天时间后发生的断裂大多为“内氢”所致；在经过相当长时间后在管桩中出现的断裂现象一般是“外氢”延迟断裂。电镜显微断口分析结果显示，30MnSi脆断是氢引起的断裂，根据30MnSi脆断的特征以及断裂时间，可以判定30MnSi质量缺陷的原因为“内氢”引起的延迟断裂。断裂裂多集中在每卷的头尾，这与盘条轧制后头尾冷却较快，氢逸出较少有关。 图3 30MnSi脆断断口断裂源 图4 30MnSi脆断断口裂纹扩展区显微形貌4.2采取的措施针对较大规格30MnSi热轧盘条氢不能及时溢出是导致延迟断裂的主要原因，北营公司对生产的12mm规格的30MnSi在原工艺基础上进行工艺改进，主要是：12mm规格的30MnSi方坯，必须缓冷48小时以上才能进行轧制，有利于铸坯中氢的溢出。轧制12mm规格的30MnSi时，应将风冷辊道速度适当降低，同时做好盘条在P-F线上的保温工作。 采用了以上工艺后，12mm规格的30MnSi热轧盘条断面收缩率明显提高，这也是盘条中氢及时溢出后的体现，杜绝了质量缺陷的再次发生。5. 结语