浙江宏盛特钢有限公司将304不锈钢管的试样加工成标准的热塑性拉伸试样,放置在Gleeble2000热模拟试验机工作室内,抽真空后采用氩气保护。先将试样分别以20℃/s的加热速度加热到1350℃保温180s,再以10℃/s的冷却速度分别冷却至1300、1200、1100、1050、1000、950、900、850、800、750、700℃这11个温度进行热模拟拉伸实验,应变速率为10-3/s。测量各试样在不同温度下的拉伸断面的收缩率(Z),并得出断面收缩率温度曲线,作出钢的热塑性曲线如图。

  不锈钢的强度总的趋势是随着温度的升高而降低,但在950℃强度出现一个峰值,这个峰值是碳化物或氮化物的析出产生沉淀强化导致的。钢的热塑性曲线明显分为3个阶段: 第1阶段是温度大于1200℃,此时出现的塑性低谷是钢的晶界发生熔化引起的; 第2阶段是950~1200℃,该阶段在1050℃出现的塑性谷底是P、S的作用导致的; 第3阶段是750~950℃范围,此阶段谷槽很宽,若按Z=40%作为热裂纹敏感性的临界值,则谷槽的温度范围为730~920℃,就是说,连铸矫直点的温度一定要避开这个温度范围。这个谷槽主要由两个原因引起的,一个原因是在奥氏体的低温区钢水中铝的氮化物沿着奥氏体晶界析出,容易产生沿晶断裂导致热塑性降低,另一个原因是钢水刚刚冷却进入双相区时,沿着奥氏体晶界析出铁素体薄膜，也容易降低晶界的内聚力产生沿晶界断裂使钢的热塑性降低。总之,该钢的最低面缩率为28.0%,热塑性低谷槽很宽,达到200℃的温度范围。因此,该钢在连铸时,降低二冷区的冷却强度,使连铸矫直点的温度超过920℃,Z>40%,这样就可以基本避免连铸矫直裂纹的产生。

一、电炉冶炼工艺改进
 
  1. 原工艺在熔化期未加入类石墨,电极加热时在冲击点处造成一个凹坑,出现裸露的钢液面,而这部分裸露的钢液较其它部位的钢液温度高,极易吸氮;另外,电弧强大的射流会将四周大量的气体吸入弧柱中,为氮在钢液中的溶解提供条件。炉内熔清95%时,才开启3支碳枪造泡沫渣,单炉碳粉消耗平均为900kg。终点碳控制在0.05%以上。

  2. 改进后工艺在一次料、二次料送电时均加入300~500kg类石墨,提前造泡沫渣,防止钢液前期吸气;特别是熔清后,泡沫渣渣层厚度应高于冲击凹坑深度。炉内熔清80%时,先开启1号、2号碳枪造泡沫渣,防止钢液吸氮,炉门口废钢化开,熔池形成后,开启3号碳枪造渣,保证泡沫渣屏蔽效果,防止弧光裸露。单炉平均消耗在1500kg以上。终点碳质量分数要求在0.07%以上。

二、精炼工艺改进

  1. 原工艺采用铝脱氧工艺,出钢脱氧剂及渣料加入顺序为:铝粒#合金#石灰、精炼剂#增碳剂。加铝脱氧,随钢液中的铝含量的增加,钢液增氮量有增大的趋势。在钢液中的氮达饱和之前,钢液中的铝促进了钢液的吸氮;同时钢液中的溶解氧大幅度降低,也为吸氮创造了良好条件。304不锈钢不进真空炉进行抽气处理。

  2. 改进后工艺取消铝脱氧,并对脱氧剂及渣料加入顺序进行改进:增碳剂#合金#石灰、精炼渣。在电炉出钢时先用增碳剂代替部分铁等脱氧,因碳与氧反应生成的产物形成一氧化碳气泡直接排至炉渣中,不污染钢液,能减少钢中脱氧产物对钢水的污染,降低钢中夹杂物含量。304不锈钢必须进行VD处理,且要求极限真空度保持10分钟以上。

三、连铸工艺参数改进

 1. 过热度控制

  304不锈钢管中Si、Mn等为易氧化元素,钢水容易被氧化,同时Mn含量高的钢水流动性好,也容易侵蚀耐材造成铸坯夹杂。因此,钢水过热度控制由原来的25~40℃改为现在的20~30℃,既保证了适当的拉速防止铸坯产生矫直裂纹,又避免了铸坯柱状晶过于发达而出现低倍组织缺陷中心裂纹级别超标。

 2. 结晶器冷却控制

  保持原结晶器的冷却水量不变,但对冷却水的硬度和进水温度进行控制。冷却水总硬度由原来的60mg/L以下改为30mg/L以下,减少结晶器铜管结垢,保证结晶器冷却均匀。结晶器进水温度由原来40℃以下改为控制在25~35℃,减少水温波动对结晶器冷却效果的影响。

 3. 二次冷却控制

 将304不锈钢管的二次冷却比水量由0.50L/kg降低到0.45L/kg,铸坯进入拉矫机前的温度由880~980℃提高到950~1050℃,面缩率在60%以上,以避开产生连铸矫直裂纹的温度区间。

四、铸坯轧管质量情况

  浙江宏盛特钢有限公司一小时通过采取以上工艺措施后, 304不锈钢连铸坯表面质量明显改善,2008年1-4月平均产量4000吨，轧制钢管的外折缺陷消除、在线探伤合格率达到95.6%,连铸坯月平均退废率为1.05%。

五、结论

 1. 将304不锈钢管外折缺陷部位切取截面金相样品进行显微观察,试样有裂纹沿表层斜向伸入钢基,裂纹内嵌有氧化亚铁,其附近分布颗粒状的高温氧化产物。用3%硝酸酒精浸蚀后进行显微观察,钢中组织为珠光体+铁素体,裂纹附近有明显脱碳现象,初步分析认为与坯料表面存在的缺陷有关。

 2. 酸洗304不锈钢连铸坯,观察表面存在横裂纹、气孔等缺陷,说明横裂纹是引起钢管外折的主要原因。而横裂是由于铝的氮化物沿着奥氏体晶界析出,沿晶断裂导致热塑性降低,连铸矫直点的温度过低造成。

 3. 测试304不锈钢管热塑性曲线,第3阶段热塑性低谷槽达到200℃的温度范围,连铸时矫直点的温度必须超过920℃,才可以基本避免连铸矫直裂纹的产生。

 4. 通过采取电炉提前造泡沫渣、精炼炉取消铝脱氧、增加真空处理,控制钢水中,减少钢液凝固时铸坯中形成铝的氮化物,同时,控制钢水过热度在20~30℃、降低二次冷却比水量为0.45L/kg、铸坯进入拉矫机前的温度提高到950~1050℃(Z>60%)等措施后,消除了连铸坯矫直时产生的横裂纹。钢管外折缺陷得到控制,不锈钢管在线探伤合格率提高到95.6%、连铸坯退废率降低到1.05%。