浙江至德钢业有限公司工人人员介绍了某钢厂炉卷轧机生产321不锈钢管的化学成分设计、生产工艺控制和成品板的力学性能,并利用光学显微镜、扫描电镜对生产的321不锈钢管夹杂物形貌及成品板表面缺陷进行了观察与分析。结果表明:炉卷轧机生产的321不锈钢管力学性能优良,表面质量较好,其主要的表面缺陷为线鳞,是由于连铸坯中TiN夹杂物大量聚集造成的??刂朴跋旒性游锊腡i、Al、N、O等元素含量,设置合理的LF炉吹氩搅拌参数,控制浇注时的过热度等措施可有效改善321不锈钢成品管的表面质量。


 321不锈钢管属于铬镍型奥氏体不锈钢管,被广泛应用于化工、航天等领域。其性能与304钢管非常相似,但由于加入了稳定化元素钛,使其能有效地控制碳化铬的形成,因此具有更好的耐晶间腐蚀性能和高温性能。321不锈钢管在实际生产过程中,其成品板表面出现了大量的线鳞缺陷。雷锐戈、毕洪运等人的研究结果表明,不锈钢管表面线鳞缺陷是由于钢中夹杂物含量较高引起的。笔者通过对现场采集的缺陷样品进行分析,以确定线鳞缺陷产生的原因,并提出线鳞缺陷产生的基本机制及其解决措施,为实际生产提供理论依据。


一、321不锈钢管的生产工艺


 1. 321不锈钢管的冶炼工艺


  浙江至德钢业有限公司炉卷轧机生产的321不锈钢管采用电炉→AOD转炉→LF炉→连铸的生产工艺,AOD炉的主要任务有脱碳、脱硫及加入硅、锰和铬。硅和锰分别以低碳硅铁和低碳锰铁的形式加入,铬以高碳铬铁的形式加入。LF炉添加硅钙线进行进一步脱硫。最终铸坯成分如表所示。


 2. 321不锈钢管的轧制和酸洗退火工艺


   321不锈钢管热轧工艺流程为:加热→粗轧→精轧→层流冷却→卷取。铸坯加热温度是321不锈钢管轧制工艺的主要控制参数之一。铸坯加热温度及在炉时间制定是否合理,将直接影响不锈钢的初始奥氏体晶粒尺寸和微合金元素固溶程度,从而也影响轧制过程中奥氏体的再结晶过程、变形后的奥氏体晶粒状态以及碳氮化物的析出状态等,这些因素都会最终影响不锈钢卷的综合力学性能。综合考虑各方面影响,321不锈钢铸坯加热制度为:均热温度为1200~1250℃,在炉时间约为240分钟。粗轧在四辊可逆式轧机上进行,轧制7个道次,开轧温度约为1100~1150℃,终轧温度约为1080~1130℃,粗轧总道次压下率为86%,所得中间坯厚约为30mm。精轧在炉卷轧机上进行,轧制7道次,终轧温度控制为950~1050℃,总道次压下率约80%,卷取温度为720~770℃左右。退火温度为1050~1150℃。


 3. 321不锈钢管的性能及表面缺陷


  321不锈钢管热轧退火的拉伸性能测定结果及国标《不锈钢热轧钢板和钢带》(GB/T4237-2007)中321不锈钢性能标准如表所示。从表可以看出,炉卷轧机生产的321不锈钢管拉伸性能符合国标要求。但321不锈钢管热轧退火酸洗板表面出现了大量线鳞缺陷。线鳞沿轧制方向呈线形剥落状态,宽约1~5 mm,长约100~200 mm。缺陷部位有的被黑色氧化铁皮覆盖,有的则未被覆盖。线鳞缺陷将直接导致产品的降级使用,甚至报废,造成大量的经济损失。


二、321不锈钢管的表面缺陷原因及改善措施


 浙江至德钢业有限公司在生产车间现场取带有线鳞缺陷的热轧退火板试样。用酒精对缺陷部位进行清洗,用扫描电子显微镜对缺陷部位进行表面形貌观察及能谱分析。图为321不锈钢管热轧酸洗退火板上的线鳞缺陷表面SEM形貌。从图可以看出,缺陷由呈线形排列的不连续凹坑组成,凹坑直径约为50~100μm,部分凹坑被氧化铁皮覆盖。将缺陷部位沿轧制方向纵切,对纵截面进行SEM观察,如图所示。从图可以看出,在缺陷位置纵截面处有宽约20μm的裂纹,由能谱分析可知,裂纹内部为氧化皮。在裂纹周围聚集着大量方形夹杂物,通过能谱分析发现,这些方形夹杂物为TiN夹杂,Ti和N元素的原子比约为1∶1。其TiN夹杂主要分为两类:一类为复合TiN夹杂;一类为纯的TiN夹杂。复合TiN夹杂内部夹杂物主要呈球形。当钢液中存在这些固体夹杂物颗粒时,将使TiN的析出变得更加容易,因为这些固体颗粒物的存在,为TiN的析出提供了良好的异质形核核心。


 在所观察到的线鳞缺陷中,很多缺陷纵截面都可以观察到TiN夹杂的聚集现象。图为321不锈钢管连铸坯中的夹杂物形貌。从图可以看出,在连铸坯中也存在着较多TiN夹杂的聚集现象,约几十个TiN夹杂聚集在一起。这说明321不锈钢酸洗退火板表面出现的线鳞缺陷与连铸坯内TiN夹杂有关。由于线鳞缺陷尺寸较大,宽约1~5 mm,长约100~200 mm,所以单个TiN夹杂很难导致这样的缺陷产生。因此,只有大量的TiN夹杂聚集才有可能导致321成品板表面线鳞缺陷的产生。由于在连铸坯中存在较多TiN夹杂物的聚集现象,而这些夹杂难以在轧制过程中产生塑性变形。正是由于变形不协调,在基体与夹杂物的结合处容易产生裂纹,裂纹处随后生了氧化皮,从而导致了表层基体的剥落。在随后的酸洗工序中,由于表层脱落部位的氧化铁皮酸洗不完全而产生线鳞缺陷。321不锈钢成品板表面线鳞缺陷形成机制如图所示。


 线鳞缺陷的形成主要和炼钢过程控制有关,即主要和钢水的纯净度有关。因此对该类缺陷进行控制,主要应从夹杂物的数量和大小方面进行工艺控制。钢液中纯TiN夹杂的存在,是由钢液均质形核析出形成的,而如果钢液中已经存在TiO 2、CaO、MgO等夹杂,TiN将会在这些夹杂上形核以减少形核功,TiN的析出会更容易,从而增加TiN的形核率。所以,影响夹杂物生产的Ti、Al、N、O等元素都应控制在较低的范围。另外,要改进线鳞缺陷,不仅要尽量减少TiN夹杂的析出,还要尽量避免TiN夹杂的大量聚集。321不锈钢冶炼时Ti的微合金化操作是在LF炉进行的,TiN在LF炉和中间包内会发生析出。要减少321不锈钢管中TiN的析出及聚集,就要控制LF炉的冶炼,设置合理的LF炉吹氩搅拌的参数,保证钢液温度和成分的均匀分布,为TiN的均匀析出创造良好条件,以减少TiN的析出及聚集。最后,在浇注过程中,应控制浇注时的过热度,过热度偏低,TiN在浇注前就可能大量析出,最终析出的TiN尺寸大且甚至会连接成网状。


三、结论


 1. 炉卷轧机生产的321不锈钢管力学性能优良,横向平均屈服强度和抗拉强度分别为261 MPa和629 MPa,伸长率为59%;纵向平均屈服强度和抗拉强度分别为254 MPa和612 MPa,伸长率为61%。


 2. 321不锈钢管的主要表面缺陷为线鳞,其沿轧制方向呈线形剥落状,宽约1~5 mm,长约100~200 mm。


 3. 321不锈钢管表面线鳞缺陷主要是由于连铸坯内TiN夹杂物大量聚集造成的。TiN夹杂主要有两类,一类为含TiO x-CaO、TiO x-MgO,TiO x-CaO-MgO,TiO x-CaO-MgO-Al 2 O 3-SiO 2复合TiN夹杂;一类为不含芯的TiN夹杂。


 4. 严格控制影响夹杂物生产的Ti、Al、N、O等元素含量,设置合理的LF炉吹氩搅拌的参数,保证钢液温度和成分的均匀分布;在浇注过程中,控制浇注时的过热度等措施可有效改善321不锈钢管表面质量,减少线鳞缺陷。