浙江至德鋼業有限公司工人人員介紹了某鋼廠爐卷軋機生產321不銹鋼管的化學成分設計、生產工藝控制和成品板的力學性能,并利用光學顯微鏡、掃描電鏡對生產的321不銹鋼管夾雜物形貌及成品板表面缺陷進行了觀察與分析。結果表明:爐卷軋機生產的321不銹鋼管力學性能優良,表面質量較好,其主要的表面缺陷為線鱗,是由于連鑄坯中TiN夾雜物大量聚集造成的??刂朴绊憡A雜物產生的Ti、Al、N、O等元素含量,設置合理的LF爐吹氬攪拌參數,控制澆注時的過熱度等措施可有效改善321不銹鋼成品管的表面質量。


 321不銹鋼管屬于鉻鎳型奧氏體不銹鋼管,被廣泛應用于化工、航天等領域。其性能與304鋼管非常相似,但由于加入了穩定化元素鈦,使其能有效地控制碳化鉻的形成,因此具有更好的耐晶間腐蝕性能和高溫性能。321不銹鋼管在實際生產過程中,其成品板表面出現了大量的線鱗缺陷。雷銳戈、畢洪運等人的研究結果表明,不銹鋼管表面線鱗缺陷是由于鋼中夾雜物含量較高引起的。筆者通過對現場采集的缺陷樣品進行分析,以確定線鱗缺陷產生的原因,并提出線鱗缺陷產生的基本機制及其解決措施,為實際生產提供理論依據。


一、321不銹鋼管的生產工藝


 1. 321不銹鋼管的冶煉工藝


  浙江至德鋼業有限公司爐卷軋機生產的321不銹鋼管采用電爐→AOD轉爐→LF爐→連鑄的生產工藝,AOD爐的主要任務有脫碳、脫硫及加入硅、錳和鉻。硅和錳分別以低碳硅鐵和低碳錳鐵的形式加入,鉻以高碳鉻鐵的形式加入。LF爐添加硅鈣線進行進一步脫硫。最終鑄坯成分如表所示。


 2. 321不銹鋼管的軋制和酸洗退火工藝


   321不銹鋼管熱軋工藝流程為:加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取。鑄坯加熱溫度是321不銹鋼管軋制工藝的主要控制參數之一。鑄坯加熱溫度及在爐時間制定是否合理,將直接影響不銹鋼的初始奧氏體晶粒尺寸和微合金元素固溶程度,從而也影響軋制過程中奧氏體的再結晶過程、變形后的奧氏體晶粒狀態以及碳氮化物的析出狀態等,這些因素都會最終影響不銹鋼卷的綜合力學性能。綜合考慮各方面影響,321不銹鋼鑄坯加熱制度為:均熱溫度為1200~1250℃,在爐時間約為240分鐘。粗軋在四輥可逆式軋機上進行,軋制7個道次,開軋溫度約為1100~1150℃,終軋溫度約為1080~1130℃,粗軋總道次壓下率為86%,所得中間坯厚約為30mm。精軋在爐卷軋機上進行,軋制7道次,終軋溫度控制為950~1050℃,總道次壓下率約80%,卷取溫度為720~770℃左右。退火溫度為1050~1150℃。


 3. 321不銹鋼管的性能及表面缺陷


  321不銹鋼管熱軋退火的拉伸性能測定結果及國標《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》(GB/T4237-2007)中321不銹鋼性能標準如表所示。從表可以看出,爐卷軋機生產的321不銹鋼管拉伸性能符合國標要求。但321不銹鋼管熱軋退火酸洗板表面出現了大量線鱗缺陷。線鱗沿軋制方向呈線形剝落狀態,寬約1~5 mm,長約100~200 mm。缺陷部位有的被黑色氧化鐵皮覆蓋,有的則未被覆蓋。線鱗缺陷將直接導致產品的降級使用,甚至報廢,造成大量的經濟損失。


二、321不銹鋼管的表面缺陷原因及改善措施


 浙江至德鋼業有限公司在生產車間現場取帶有線鱗缺陷的熱軋退火板試樣。用酒精對缺陷部位進行清洗,用掃描電子顯微鏡對缺陷部位進行表面形貌觀察及能譜分析。圖為321不銹鋼管熱軋酸洗退火板上的線鱗缺陷表面SEM形貌。從圖可以看出,缺陷由呈線形排列的不連續凹坑組成,凹坑直徑約為50~100μm,部分凹坑被氧化鐵皮覆蓋。將缺陷部位沿軋制方向縱切,對縱截面進行SEM觀察,如圖所示。從圖可以看出,在缺陷位置縱截面處有寬約20μm的裂紋,由能譜分析可知,裂紋內部為氧化皮。在裂紋周圍聚集著大量方形夾雜物,通過能譜分析發現,這些方形夾雜物為TiN夾雜,Ti和N元素的原子比約為1∶1。其TiN夾雜主要分為兩類:一類為復合TiN夾雜;一類為純的TiN夾雜。復合TiN夾雜內部夾雜物主要呈球形。當鋼液中存在這些固體夾雜物顆粒時,將使TiN的析出變得更加容易,因為這些固體顆粒物的存在,為TiN的析出提供了良好的異質形核核心。


 在所觀察到的線鱗缺陷中,很多缺陷縱截面都可以觀察到TiN夾雜的聚集現象。圖為321不銹鋼管連鑄坯中的夾雜物形貌。從圖可以看出,在連鑄坯中也存在著較多TiN夾雜的聚集現象,約幾十個TiN夾雜聚集在一起。這說明321不銹鋼酸洗退火板表面出現的線鱗缺陷與連鑄坯內TiN夾雜有關。由于線鱗缺陷尺寸較大,寬約1~5 mm,長約100~200 mm,所以單個TiN夾雜很難導致這樣的缺陷產生。因此,只有大量的TiN夾雜聚集才有可能導致321成品板表面線鱗缺陷的產生。由于在連鑄坯中存在較多TiN夾雜物的聚集現象,而這些夾雜難以在軋制過程中產生塑性變形。正是由于變形不協調,在基體與夾雜物的結合處容易產生裂紋,裂紋處隨后生了氧化皮,從而導致了表層基體的剝落。在隨后的酸洗工序中,由于表層脫落部位的氧化鐵皮酸洗不完全而產生線鱗缺陷。321不銹鋼成品板表面線鱗缺陷形成機制如圖所示。


 線鱗缺陷的形成主要和煉鋼過程控制有關,即主要和鋼水的純凈度有關。因此對該類缺陷進行控制,主要應從夾雜物的數量和大小方面進行工藝控制。鋼液中純TiN夾雜的存在,是由鋼液均質形核析出形成的,而如果鋼液中已經存在TiO 2、CaO、MgO等夾雜,TiN將會在這些夾雜上形核以減少形核功,TiN的析出會更容易,從而增加TiN的形核率。所以,影響夾雜物生產的Ti、Al、N、O等元素都應控制在較低的范圍。另外,要改進線鱗缺陷,不僅要盡量減少TiN夾雜的析出,還要盡量避免TiN夾雜的大量聚集。321不銹鋼冶煉時Ti的微合金化操作是在LF爐進行的,TiN在LF爐和中間包內會發生析出。要減少321不銹鋼管中TiN的析出及聚集,就要控制LF爐的冶煉,設置合理的LF爐吹氬攪拌的參數,保證鋼液溫度和成分的均勻分布,為TiN的均勻析出創造良好條件,以減少TiN的析出及聚集。最后,在澆注過程中,應控制澆注時的過熱度,過熱度偏低,TiN在澆注前就可能大量析出,最終析出的TiN尺寸大且甚至會連接成網狀。


三、結論


 1. 爐卷軋機生產的321不銹鋼管力學性能優良,橫向平均屈服強度和抗拉強度分別為261 MPa和629 MPa,伸長率為59%;縱向平均屈服強度和抗拉強度分別為254 MPa和612 MPa,伸長率為61%。


 2. 321不銹鋼管的主要表面缺陷為線鱗,其沿軋制方向呈線形剝落狀,寬約1~5 mm,長約100~200 mm。


 3. 321不銹鋼管表面線鱗缺陷主要是由于連鑄坯內TiN夾雜物大量聚集造成的。TiN夾雜主要有兩類,一類為含TiO x-CaO、TiO x-MgO,TiO x-CaO-MgO,TiO x-CaO-MgO-Al 2 O 3-SiO 2復合TiN夾雜;一類為不含芯的TiN夾雜。


 4. 嚴格控制影響夾雜物生產的Ti、Al、N、O等元素含量,設置合理的LF爐吹氬攪拌的參數,保證鋼液溫度和成分的均勻分布;在澆注過程中,控制澆注時的過熱度等措施可有效改善321不銹鋼管表面質量,減少線鱗缺陷。