成晓举 于永业 向 华 刘伟云
（安阳钢铁集团有限责任公司）
优质碳素钢65Mn含碳量高，具有淬透性好、脱碳倾向少、价格低廉及切削性好等优点，可用于制造圆锯片，生产成钢丝、钢带，制造各种截面较小的扁、圆弹簧和弹簧片，在汽车、火车等交通运输行业和电子行业的用量也很大，是优质碳素钢中要求较严的优质高级钢，同时在钢材总产量中也占有很大比例[1]。安钢1 780 mm热连轧生产线自投产以来，进行了管线钢、汽车大梁钢、硅钢、冷轧基料等产品研发，生产工艺成熟，产品质量良好，为开发生产高碳钢打下了良好的基础。笔者主要通过强化炼钢过程的质量控制，全程保护浇注，结晶器和二冷采用强冷，低温加热、高温终轧和高温卷取等措施，成功研发了优质碳素钢65Mn热轧卷板。
安钢优质碳素钢65Mn化学成分根据GB/T711《优质碳素结构钢热轧钢板和钢带》的规定制定，具体成分见表1。为了满足用户使用要求，在力学性能方面，按照屈服强度在350 MPa以上，抗拉强度在735 MPa以上，断后延伸率在9%以上控制，总脱碳层深度每面不大于钢带实际厚度的2%。
表1 65Mn化学成分 /%
2.1 装备条件
安钢1 780 mm热连轧产线配套的主要设备：2套铁水预处理，2座150 t顶底复吹转炉，2座170 tLF精炼炉，2座RH真空精炼炉，2台常规双流板坯连铸机，1条七机架1 780 mm热连轧生产线。
2.2 工艺路线
安钢优质碳素钢65Mn热轧卷板采用的工艺路线：铁水预处理—150 t 顶底复吹转炉—LF 炉—常规板坯连铸机—1 780 mm热连轧机组。
3.1 转炉冶炼生产
为减少LF炉脱硫压力，铁水预脱硫至0.005%入炉，采用洁净废钢，吹炼过程早化渣，化好渣。终点碳影响钢的成分控制和钢的质量，终点碳含量越低，钢中氧含量越高，脱氧剂、增碳剂消耗量越大，夹杂物含量增加。由于转炉冶炼低碳钢较多，高碳钢生产经验较少，考虑到最终产品质量将终点碳控制在0.15%～0.25%，出钢温度控制在1 630～1 680 ℃，氩站硫控制在0.020%以下，并采用滑板挡渣，严格控制下渣量。另外，采用铝铁、硅锰和高碳锰进行脱氧合金化。
3.2 LF精炼生产
LF精炼炉的主要目的是控制钢水的纯净度。为缓解LF精炼压力，对铁水进行预脱硫，转炉采用高温出钢并使用周转钢包，此工艺条件下LF精炼送电较少，且能尽可能减少送电升温过程的吸氮，从而提高钢水质量。钢包到站后升温至1 540～1 560 ℃，为防止钢水吸氮氧化，钢包吹氩搅拌强度以钢水液面不裸露、电弧稳定为原则。采用石灰和精炼剂尽快造渣，并进行成分微调，白渣的保持时间不小于15 min。炉内控制微正压气氛，同时可避免后期喂线后再次送电加热。为确保夹杂物上浮，喂纯钙线后，软吹氩时间不小于8 min，软吹氩流量以使钢液面微微波动又不漏出钢液面为原则。
3.3 连铸生产
浇注过程应做好保护浇注，防止钢水二次氧化，大包采用喇叭形长水口+密封垫+氩气保护，并浸入式开浇，将增氮量控制在0.000 3%范围内，中包内添加中碳钢覆盖剂，确保钢水不裸露。采用高碳钢保护渣，在浇注时，严格按照保护渣操作规范，保证液面活跃，尽量避免周边结冷钢或渣条。为防止结晶器液面波动造成结晶器卷渣，用结晶器液面自动控制系统，将结晶器液面波动控制在±3 mm以内。铸坯的中心偏析、疏松及内部裂纹、夹杂物含量高是影响其内在质量的主要缺陷[2]。为减少连铸板坯中心偏析和疏松，提高内部质量，将过热度控制在15～30 ℃之间，结晶器冷却和二次冷却均采用强冷，二冷电磁搅拌电流强度在450～480 A之间，频率为5 Hz。将浇注拉速控制在0.7～1.0 m/min，并采用恒速浇注。
3.4 热轧生产
热轧工艺参数会对钢卷的表面脱碳、力学性能和加工使用性能有较大的影响。
3.4.1 加热工艺
高碳钢在加热炉加热过程中发生脱碳，将会严重影响其奥氏体组织的均匀性，不仅使其在后续冷变形时强度达不到要求，而且影响其耐磨性，还可能由于变形不均匀产生裂纹[3]。因此，连铸板坯采用热装入炉，考虑到高碳钢变形抗力大，也为了防止脱碳倾向，将高碳钢65Mn在炉时间控制到120～180 min，采用低温出钢，温度控制在1 190～1 220 ℃。在生产过程中，避免板坯长时间在炉待温。
3.4.2 轧制工艺
在粗轧时，要利用板坯出炉温度高、塑性好的有利条件，实现较大变形，减轻精轧机组的负荷。根据不同的厚度要求，将中间坯厚度控制在34～45 mm。为防止中间坯冷却过快，进精轧前，保温罩必须全部投用，确保进精轧时中间坯温度在1 100℃左右，精轧各道次间水尽量少使用，F1、F2、F3出水量15%～25%左右，其他道次所有水均关闭。精轧温度设定在860～890 ℃之间，层流冷却采取前段稀疏冷却方式，为防止热轧扁卷，优质碳素钢65Mn卷取温度高于奥氏体相变温度[4]。
3.4.3 缓冷工艺
65Mn属于高碳钢，在变形后连续冷却条件下，主要发生高温转变，相变产物为珠光体和少量的先共析铁素体；
中温阶段有极少量的贝氏体转变，但不构成贝氏体转变区；
快冷条件下主要发生马氏体转变，临界淬火速度为40 ℃/s[1]。在生产时，要求成品钢卷下线后尽快调至保温箱保温，缓冷72 h后再取样进行力学性能等检测。
4.1 化学成分
在冶炼时，转炉出钢碳含量稳定控制在0.018%～0.028%之间。由于增加了铁水预处理工序，入炉硫含量控制在0.018%以下，为LF精炼炉创造了有利条件。在LF精炼炉，主要进行硅锰合金化和促进夹杂物上浮，并实现化学成分的精确控制，同时钢中氮含量能够稳定控制在0.005 0%以下。其化学成分见表2。
4.2 板坯低倍
连铸浇注时，采用低过热度和低拉速、恒速浇注，改善了连铸板坯的凝固组织，提高了等轴晶比例，明显提高板坯的内部质量。结晶器和二次冷却采用强冷，表面未出现缺陷。经检验，优质碳素钢65Mn中心偏析C类小于0.5级，中心疏松小于0.5级，未发现明显中间裂纹，低倍组织如图1所示。
表2 优质碳素钢65Mn化学成分/ %
图1 优质碳素钢65Mn低倍组织
4.3 力学性能
优质碳素钢65Mn钢卷缓冷72 h，并切除两圈后，取样进行力学性能分析，见表3。检测结果表明，优质碳素钢65Mn的屈服强度在452～503 MPa之间，抗拉强度在888～981 MPa之间，伸长率在18%以上。
表3 优质碳素钢 65Mn力学性能
为进一步了解优质碳素钢65Mn钢卷头中尾性能差，在距钢卷尾部30 m、钢卷中间、距钢卷头部30 m取样进行力学性能分析，结果见表4。
表4 优质碳素钢 65Mn头、中、尾力学性能
从表4可以看出，优质碳素钢65Mn尾部位置由于冷轧速度稍快，强度水平明显高于中间和头部，而中间位置由于冷却速度最慢而强度水平最低。由于卷取后采用保温坑缓冷方式，优质碳素钢65Mn头、中、尾屈服强度最大差异仅24 MPa，抗拉强度最大差异仅16 MPa，降低了强度差异过大造成的后期加工难度。
4.4 金相检验
对工业生产的3.2 mm厚度规格65Mn进行金相组织分析，如图2所示。试样经4%的硝酸酒精溶液侵蚀，脱碳层厚度17.2 μm，满足总脱碳层深度每面不大于钢带实际厚度的2%的要求。金相显微组织边部和中间位置均为索氏体S、珠光体P和少量的铁素体F，而边部有轻微脱碳层。对夹杂物进行分析，结果为：A类夹杂物0.5～1.5级，B类夹杂物0.5～1.0级。
图2 优质碳素钢65Mn金相组织（500×）
4.5 硬度
对优质碳素钢65Mn不同位置的维氏硬度进行对比分析，结果见表5。
表5 优质碳素钢65Mn维氏硬度
从表5可以看出，65Mn热卷维氏硬度在245～276之间，钢卷头部和中心位置硬度值相对较小，尾部硬度值稍高，这主要与钢卷头部、中卷位置卷取温度偏高，尾部卷取温度偏低有关。
（1）在冶炼时，增加了铁水预处理，65Mn整个生产过程稳定，转炉出钢终点控制稳定，LF精炼炉将重点放在以夹杂物上浮为主，既保证了其各项成分均符合标准要求，也提高了钢水的洁净度。
（2）通过采用合理的低过热度、低拉速浇注，合理的电磁搅拌参数，其中心偏析控制在C类0.5级，中心疏松控制在0.5级，无明显的中间裂纹，提高了的内部质量。
（3）在热轧时采用低温加热、高温终轧和高温卷取，表面脱碳层得到了有效控制，其力学性能满足要求，卷形良好。
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