磨球钢产品质量分析与控制

磨球钢产品质量分析与控制

陈子坤  王忠英  施  枫

（钢铁研究总院华东分院，江苏 淮安 223002 ）

摘  要：针对高碳含铬钢的钢种特性，通过生产实践，对磨球钢的内部质量和表面质量进行了分析，对影响质量的因素进行了改进优化，解决了钢材缩孔残余、疏松、钢水洁净度差等内部质量问题和表面裂纹等质量问题。

关键词：磨球钢；高碳含铬钢；内部质量；表面裂纹

1 引言

随着矿山开采业的飞速发展，对耐磨球用钢的质量提出了更高的要求，要求耐磨球具有良好的内部质量及耐磨性，整体硬度的均匀性和良好的韧性，以降低在矿料破碎中耐磨材料的消耗。与国外耐磨球行业相比，我国耐磨球制造行业起步较晚，但发展十分迅速。自90年代后铬系列耐磨球迅速地占领市场，淘汰了几乎大部分其他品种球，目前已形成低铬、中铬和高铬球等系列产品，规格齐全，产品性能逐渐赶超国外同类产品，已实现了替代进口。

目前国内很多钢厂都先后进行了磨球钢的开发生产，在开发过程中，都面临一些共性的质量问题。一是钢材存在缩孔残余、疏松级别高，钢水洁净度差等内部质量问题；二是钢材存在表面裂纹、划伤等外部质量问题。本文以国内某特钢企业所具有的特钢转炉-大棒材典型特钢生产线为研究对象，对高碳含铬磨球钢生产过程中存在的内、外部质量问题进行分析、控制，成功解决了磨球钢生产过程中存在的各项质量问题。

2 磨球钢材料性能要求

磨球材料主要有高碳钢和高铬合金钢两种，所生产的磨球表面光滑，内部致密、晶粒度高，球的抗跌落性和冲击韧性较强，球的破碎率低等特点。是随着连铸特殊钢冶炼生产技术日趋成熟，以轧代铸、所生产磨球钢棒材，已成为当今轧球和锻球两种磨球加工工艺的原料供应来源。

现国内磨球厂家需要的耐磨球用钢，一般采用C含量为0.58～1.05%的高碳钢，添加适量的Si、Mn、Cr等强化元素，以改善材料性能[1]；根据耐磨球的加工工艺和用户的不同使用要求，要求在不同使用环境下，磨球要具有较高的硬度、耐磨性和良好的韧性，进而要求磨球钢具有钢水洁净度高，钢材致密度高、化学成分窄带范围控制且均匀等质量要求。

3 生产工艺路线

100吨LD转炉→100吨LF精炼炉→CCM连铸( 310×360 mm) →铸坯缓冷→空气煤气双蓄热式步进加热炉→15架连轧机组→热锯切定尺（4台热锯）→冷床→缓冷（入坑缓冷）→检验、修磨。

4 质量问题分析与控制

生产实践中，影响磨球钢产品性能的质量问题主要有：一是钢材钢水洁净度差，存在缩孔残余、疏松级别高等内部质量问题；二是钢材存在表面裂纹、划伤等外部质量问题。

4.1 内部质量问题

4.1.1 非金属夹杂物超标分析及控制

1）转炉出钢碳过低，钢水过氧化现象严重；出钢温度偏低，LF精炼透气塞搅拌效果差，精炼前期脱氧产生的大颗粒夹杂物上浮困难，化渣困难，精炼成渣速度慢，造渣不良（见图   1），影响夹杂物的去除，精炼升温时间长，渣线砖受高温辐射侵蚀严重，易污染钢水；合金在精炼炉加入，影响精炼效果；炉后的脱氧操作、渣料调整不到位等问题，影响精炼效果。

2）精炼渣吸附夹杂物的能力差，不能完全去除已经产生的B类夹杂物。

3）钢水真空处理结束后，在软吹、连铸浇注过程中二次氧化严重。

4）在冶炼过程前期加铝较少，真空处理结束后补铝严重，达到补铝线160m左右，补铝过程存在钢水裸露、氧化现象，而且没有充足时间保证夹杂物上浮。

5）钢包及中间包耐火材料侵蚀严重（见图2），导致外来夹杂物产生。

6）原辅材料质量不稳定和生产组织及节奏控制上不到位，对钢水纯净度产生影响。

措施：通过工艺优化和技能提升，控制出钢碳≥0.12%，出钢温度≥1630℃，保证精炼效果；优化精炼渣系，保证白渣保持实践；成份调整在精炼前期完成，后期杜绝破钢水操作，做好保护浇注，防止钢水二次氧化；优化中包流场设计和耐材控制，防止外来夹杂物的产生和保证非金属夹杂物在浇注过程中的有效上浮。

4.1.2轧材低倍质量的分析与控制

通过对生产线工装能力、产品质量情况及结合磨球钢的品种特性进行调研分析，铸坯低倍疏松、缩孔残余、偏析是此类高碳钢连铸过程质量控制的重点，也是质量控制的难点。轧材低倍质量较差，主要是由于铸坯存在较严重的中心疏松、偏析、缩孔导致。通过热轧过程大压下量轧制，心部的轧制力渗透等措施可有效改善轧材内部质量。而导致连铸坯低倍质量问题的因素主要有钢水纯净度较差、连铸过热度较高，拉速较高，电磁搅拌参数不合理等。

4.1.2.1 钢水过热度的影响

浇注温度是影响柱状晶生长的重要因素。浇注温度高，铸坯柱状晶发达；浇注温度低，铸坯等轴晶发达。因此，在不造成水口凝结的情况下，尽可能采用低过热度浇注。对于此类高碳钢，应尽可能进行低过热度浇铸，中间包第一炉过热度控制≤40 ℃，连浇炉控制在20～30 ℃范围之内。

4.1.2.2 拉速的影响

拉速也是影响柱状晶生长的重要因素。原工艺的拉速偏大，铸坯在结晶器内停留时间短，铸坯液芯延长，推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，易产生中心疏松和中心缩孔。降低拉坯速度，利于减轻中心疏松和中心缩孔等缺陷，在中间包过热度合适的范围内采用恒拉速浇注，根据断面不同制定恒拉速浇铸工艺。

4.1.2.3 连铸工艺的影响

1）根据不同含碳量及合金量的特性，优化结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌工艺参数。如结晶器电磁搅拌电流过大，易产生卷渣和加重中心区域的偏析和疏松；末段电磁搅拌电流过小，不能起到良好的冶金效果，对柱状晶不能有效打碎，不能增大等轴晶的面积，导致铸坯疏松和缩孔残余严重。

2）适当降低二冷水比水量。冷却不均或冷却过强会导致中心疏松和中心偏析加剧。

3）结合过热度与拉速的变化，推算液芯长度，对轻压下参数进行优化、调整。

4.1.2.4 轧制工艺的影响与控制

1）加热制度的影响：鉴于高碳含铬钢导热性差，裂纹敏感性强、铸坯低倍质量差等特点，保证铸坯均匀透烧，其心部的严重偏析才可进行有效高温扩散，铸坯心部温度较高时，利于改善疏松、缩孔等缺陷。

2）轧制力心部渗透技术：为解决连铸坯低倍质量缺陷，改善钢材致密度，充分采用高温轧制和轧制力心部渗透技术的工艺思路，效果显著。首先利用粗轧道次单道次大压下量轧制和粗轧后轧件表面穿水冷却，中间轧件内部温度高于表面温度两种控制思路，使得轧制力向铸坯心部渗透，进行控制轧制，提高轧制力向心部渗透效果。实践中，控制单道次最大压下量达到95mm，进精轧表面温度在960℃以下，轧件内外温差在150℃以上；其次，根据艾克隆德轧制力公式，轧制速度降低10%以上，可提高轧制过程中粘度系数，进而提高轧制力，增加单位轧制力，使得轧制力在塑形变形过程中，有效向轧件心部渗透，进而有效地改善铸坯心部质量，压合疏松、缩孔质量缺陷，提高钢材致密度。

4.2 表面质量的分析与控制

铸坯表面的严重划伤、较深的裂纹缺陷是轧材表面产生裂纹的主要原因，其次是轧钢过程中轧制前期的压入痕、耳子、折叠、划伤，经后期轧制闭合后在轧材上呈现裂纹形态。因铸坯质量缺陷产生的轧材裂纹多呈现无规则性，有长有短，根本特点是裂纹处存在明显脱碳现象，且裂纹底部有分叉延展倾向；轧钢过程中所产生的表面缺陷具有一定的规则性，如因耳形产生的折叠裂纹缺陷多为单边或对称的通长缺陷，因划伤产生的裂纹具有短直线性，因前期压入痕产生的裂纹多具有短直性和周期性等特点，呈现为单条裂纹或簇状裂纹形态，其共性是裂纹底部圆度，底部无分叉延展倾向。

4.2.1 铸坯角部裂纹的分析与改进

矩形坯、方坯因其角部冷却较快，当冷却不均时，极易在角部产生纵裂纹[1]。纵裂纹是连铸坯上的常见缺陷，结晶器内初始凝固坯壳厚度不均匀，在坯壳薄弱处产生应力集中，会形成纵向裂纹；保证结晶器内初始凝固坯壳厚度的均匀性是控制纵向裂纹的关键[3]。连铸坯表面纵裂纹产生的条件，一是由于初生坯壳生长不均匀；二是由于传热速度快（温度梯度大和传热不均匀）。铸坯纵裂纹的影响因素有：结晶器内液面波动大，使弯月处传热不均匀，从而使初生坯壳生长不均匀引起纵裂纹产生；连铸机对中（或对弧）不良和夹持辊开口度过大，使连铸坯发生鼓肚现象，造成纵裂纹的产生；保护渣性能选择不当是表面纵裂纹产生的最重要原因；结晶器状况不良，如安装精度差、结晶器变形和结晶器锥度选择不当等都会引发表面纵裂纹；拉坯速度选择不当及变化频繁都会引起纵裂纹的产生。图3为磨球钢生产过程出现的角部纵裂纹，图4为质量改善后的连铸坯角部。

原因分析：

此类角部裂纹产生的原因主要有：连铸坯在结晶器内形成初生坯壳时冷却不均匀，出结晶器的足辊喷淋水不均匀；结晶器与零段对中欠佳；结晶器保护渣使用性能不稳定，有未形成良好润滑的渣膜，导致热传导不均匀，使连铸坯局部热应力集中；结晶器内液位波动大；钢水过热度控制不稳，在20~55℃间波动，虽执行恒拉速，也会促使初生坯壳薄厚不均，热应力集中。

控制措施：

铜管过钢量控制≤8000 t，镀层不能大面积脱落或划伤深度超过1 mm；铜管与水套组装，确保水缝均匀；保证结晶器与零段的对中精度；二冷室喷淋系统对中，喷嘴畅通；采用高精度水套；结晶器制作尺寸的检查验收，提升、稳固装配精度，确保水缝均匀；优化磨球钢保护渣，适量降低粘度，浇注过程中增加液渣层厚度。

4.2.2 轧制过程中表面裂纹的分析与控制

4.2.2.1 直长裂纹

与轧制方向相同，呈直线或锯齿状，较长，有的甚至与轧面等长，连续或断续分布在轧材局部或全长，一般分布面不广，宏观为直长裂纹。金相高倍观察时发现，周边基体组织正常，部分裂纹处有脱碳现象，但脱碳层不深。裂纹槽底平直，裂纹源与裂纹末端形状差别不大，裂纹中或裂纹源处往往含有氧化铁（皮）夹杂。由此可见，细、直、长深型裂纹实质上就是折叠。在排除坯料表面的严重划伤的情况下，当轧钢过程中在轧制前面道次出现了耳子或过充满时，在后面道次轧制时就会形成折叠；在轧制前期存在的一些纵向表面缺陷，如导轮凸起造成的压痕，经过轧制后也会产生折叠裂纹缺陷。折叠可能是单独的一个缺陷，也可能是互成180度分开的两个折叠缺陷，也可能是两条折叠缺陷线相邻，宏观上呈线性且缺陷较长，如图5。图6为折叠产生的裂纹缺陷的四种不同的形态。合理的轧制工艺和孔型设计，保证导卫的对中，是防止折叠类长直裂纹缺陷的关键。

4.2.2.1 簇状裂纹

通常在轧钢过程中，由于孔型老化、粘钢，滚到粘钢严重，或粗轧机不好咬入时，采取电焊等措施，导致孔型表面凹凸不平，轧制前期在钢材表面就会产生比较密集的凹坑压入痕，经后道次轧制后呈现簇状闭合裂纹或间断性段直裂纹，裂纹有的呈现脱碳，底部都为圆钝的的形态。如图7为粗轧辊上粘钢严重所产生的簇状裂纹，图8为簇状裂纹金相照片。解决此类裂纹缺陷的关键就是孔型、辊道、导轮表面要保持光洁。

5 结束语

1）对于高碳合铬磨球钢，良好的钢水洁净度和适宜的弱冷慢拉连铸工艺思路，才能有效保证铸坯低倍质量。

2）通过轧制力的心部渗透轧制工艺技术，可有效改善钢材致密度。

3）不规则短裂纹主要是铸坯纵裂纹引起，磨球钢铸坯的角部纵裂纹主要是连铸坯在结晶器内形成初生坯壳时冷却不均匀，出结晶器的足辊喷淋水不均匀所导致。

4）轧制过程中适宜的孔型设计和轧制工艺、良好的工装是控制轧材表面直长裂纹、簇状裂纹、短直裂纹的关键。

参考文献

[1] 吕纪永,陈子坤，王忠英. 高品质耐磨球用钢生产工艺优化[J].现代冶金，2016,第3期

[2] 田燕翔主编.现代连铸新工艺、新技术与铸坯质量控制[M].北京：当代中国音像出版社,2004 .

[3] 冯捷，贾艳主编.连续铸钢实训[M].北京：冶金工业出版社，2004.