曾勇刚

(攀钢集团成都钢钒有限公司科技规划部)

C-Mn钢晶粒长大趋势的影响因素分析

曾勇刚

(攀钢集团成都钢钒有限公司科技规划部)

选取转炉、电弧炉生产的C-Mn石油套管钢轧成的管材试样,进行了成分检测、不同加热温度和不同保温时间的热处理及金相检验,分析了不同合金元素、加热温度及钢中气体含量对其本质晶粒度的影响。结果表明,控制C含量、降低钢中P含量、实施微钛处理、适当增加钢中的N含量,可以起到细化C-Mn石油套管钢奥氏体晶粒度的作用。

C-Mn钢;晶粒长大;影响因素

1 引言

由于炼钢所用原材料及炼钢方式的不同,操作控制水平的差异,生产出钢坯的化学成分、残余元素及钢中气体含量也会不同,它将导致钢坯轧制后力学性能上的差异。

我公司在生产C-Mn石油套管的过程中,在主要化学成分基本相当的情况下,出现了转炉钢轧成管材的性能一次合格率低于电弧炉钢的现象。金相检验表明,晶粒度大小是影响管材性能差异的主要原因。

晶粒度大小及其长大趋势主要表现为晶界的移动。它不仅受钢本质晶粒度的影响,还受加热温度、加热时间、化学成分、残余元素含量、气体含量及组织的影响。

根据从大生产中两种冶炼方式生产的同一钢种轧出的管材上取样所作的试验结果来讨论合金元素、加热温度及钢中气体含量对C-Mn石油套管钢本质晶粒度的影响,并提出细化晶粒的建议。

2 试验程序

(1)采用电弧炉、转炉方式冶炼的钢坯轧制成钢管后,各选取同规格同钢种C-Mn石油套管管材钢4个炉号,按要求加工成化学成分分析试样、气体分析试样和金相分析试样。

(2)为了便于比较,对所取试样在不同加热温度和不同保温时间下进行热处理,然后对金相试样作奥氏体晶粒度比例的测定及评级、本质晶粒度和实际晶粒度的判定并照相。

(3)试样的热处理制度见表1。

表1 试样热处理制度

3 检验结果

3.1 化学成分分析

3.1.1 化学成分

同钢种C-Mn管钢电弧炉与转炉钢生产的化学成分含量比较值见表2所示。

3.1.2 钢中气体含量分析

同钢种C-Mn管钢电弧炉与转炉钢生产的钢材气体含量比较值见表3所示。

3.2 金相检验结果

同钢种C-Mn管钢不同炼钢方式按照表1所示的热处理制度进行热处理,金相检验结果见表4所示,其金相照片见相应照片编号。

表2 电弧炉钢与转炉钢化学成分含量比较值

表3 电弧炉钢与转炉钢钢材气体含量比较值

4 分析与讨论

本质晶粒度是根据标准试验方法,在930℃保温3h～8h后测定的奥氏体晶粒度大小。它表示钢在一定条件下奥氏体晶粒的长大倾向。不同钢种和不同冶炼方法炼制的同一钢种,在同一加热条件下,可能表现出不同的晶粒长大倾向。一般定义1～4级为本质粗晶粒钢,5级以上为本质细晶粒钢。

实际晶粒度是指在某一具体加热或热加工条体下所得到的奥氏体晶粒度大小。实际晶粒度基本上决定了钢在室温时的晶粒大小,除与钢的本质晶粒长大倾向有关外,还与实际加热温度和保温时间有关。

表4 金相检验结果

图1 21—1样奥氏体晶粒度评级图

图2 38—1样奥氏体晶粒度评级图

图3 38—2样奥氏体晶粒度评级图

图4 38—3样奥氏体晶粒度评级图

图5 38—4样奥氏体晶粒度评级图

图6 38—5样奥氏体晶粒度评级图

图7 38—6样奥氏体晶粒度评级图

图8 493—1样奥氏体晶粒度评级图

图9 496—1样奥氏体晶粒度评级图

图10 496—2样奥氏体晶粒度评级图

图11 496—3样奥氏体晶粒度评级图

图12 496—4样奥氏体晶粒度评级图

图13 496—5样奥氏体晶粒度评级图

图14 496—6样奥氏体晶粒度评级图

4.1 合金元素影响

合金元素易与C、O、N形成高熔点的碳化物、氧化物、氮化物,有较强的稳定性且不易聚集长大,钢水凝固时起着结晶核的作用,使钢的晶粒细化。然而,由于合金元素与C、O、N生成化合物的热力学条件不一样,化合物的稳定性不同,使得合金元素对奥氏体晶粒度的影响不同,甚至有些合金元素还有增大晶粒长大的趋势。因此,钢中合金元素对奥氏体晶粒度的影响是不同的。

4.1.1 C、Si、Mn、P元素含量的影响

C、Si、Mn、P元素是钢中主要化学成分控制元素,均要求控制在标准规范内,以保证产品组织和性能。从对晶粒长大的趋势影响来看,C、Mn、P元素为增大晶粒长大趋势的元素,Si为微弱抑制晶粒长大的元素[1]。从表2可知,转炉钢的C、P含量均比电弧炉钢高0.02%、0.003%,Si、Mn含量低0.01%、0.04%,而Si仅为微弱抑制晶粒长大的元素。因此,本试验的转炉钢较电弧炉钢的晶粒易于长大。

4.1.2 AlS的影响

从对晶粒长大的趋势影响来看,Al是强烈抑制晶粒长大的元素[1]。采用Al进行钢液沉淀脱氧,Al在钢中有三种不同的结合状态,即Al2O3、Al N和固溶Al,其中对细化晶粒起主要作用的是难熔的六方点阵结构的Al N,由于在晶界上弥散析出而阻碍了晶界移动,防止了晶粒的长大,当残余Al含量在0.009%～0.06%范围内时,容易得到本质细晶粒钢,但当超过一定数量时,奥氏体晶粒容易粗化[2]。因此,采用Al脱氧具有阻止晶粒长大的作用,奥氏体晶粒长大的倾向较小,属于本质细晶粒钢。

本次试验的电弧炉钢及转炉钢均采用铝脱氧方式,AlS分析结果表明在上述残Al范围内,从表2可知两种冶炼方式的酸溶铝含量差别不大,因此,Al元素含量在本次试验中对晶粒度影响不大。

4.1.3 Ti、V、Nb、Mo、W、Cr、Ni含量的影响

从对晶粒长大的趋势影响来看,Ti、V、Nb是强烈抑制晶粒长大的元素,Mo、W、Cr是中等抑制晶粒长大的元素,Ni是微弱抑制晶粒长大元素[1],这些元素是残余元素含量,与炼钢使用的原材料条件有关。

从表2中可知,电弧炉钢及转炉钢的残余元素V、Nb、Mo、W含量微量,对晶粒度影响不大。转炉钢的残余Ti、Ni含量较电弧炉钢低0.01%、0.02%,而转炉钢的残余Cr含量较电弧炉钢高0.02%,由于在本试验中转炉钢抑制晶粒长大的残余元素含量少于电弧炉钢,因此,转炉钢较电弧炉钢的晶粒易于长大。

4.2 钢中N、O气体含量的影响

钢中气体含量对晶粒长大有直接影响,这是因为合金元素易与N、O形成高熔点的稳定的氧化物、氮化物,降低了钢的晶粒长大倾向,起着细化晶粒的作用,是抑制晶粒长大的元素[1]。从表2中可知,转炉钢的N含量低于电弧炉钢21.1ppm,O含量高于5 ppm,因此转炉钢较电弧炉钢的晶粒易于长大。

综上分析,在本次C-Mn管钢对比试验中,转炉钢的增大晶粒长大趋势元素C、P含量高,强烈抑制晶粒长大元素Ti、Ni含量及钢中N含量低,是转炉钢较电弧炉钢的晶粒易于长大的主要原因。需说明的是合金元素对钢在加热时晶粒度的影响是各个合金元素影响的综合叠加结果。

4.3 加热温度影响

加热温度对C-Mn管钢实际奥氏体晶粒度的影响见图1所示。

由图1可知,无论是电弧炉钢还是转炉钢,随着加热温度的升高,实际奥氏体晶粒度呈长大趋势,转炉钢奥氏体晶粒度长大趋势明显大于电弧炉钢。另一方面,当加热温度在950℃～1 000℃时晶粒长大趋势加快,之后趋于平缓。

图1 加热温度对晶粒度的影响

4.4 同一冶炼方式的比较

同一电弧炉生产C-Mn钢的合金元素及气体含量比较值见表5。

表5 同一冶炼方式的合金元素及气体含量比较值

由表5分析可知,电弧炉钢38号试样与21号试样相比,P、AlS、N、Si元素含量高, Ni、O元素含量低,抑制晶粒长大元素多,因此,38号试样的晶粒度要细些。由表4可知,在同等热处理条件下均存在混晶组织,但38号试样本质晶粒度的评级级别为6.5级,高于21号试样的5.5级的本质晶粒度。由此可见,不同的合金元素及气体含量对C-Mn钢本质晶粒度有不同的影响。

5 建议及实施效果

由于合金元素对钢在加热时晶粒度的影响是一个综合叠加的结果,因此建议:

(1)C-Mn石油套管钢的C含量应控制在规范的下限,降低钢中P含量。

(2)适量加入强烈抑制晶粒长大的V、Nb、Ti微合金元素。钛铁合金价格相对便宜,因此可对C-Mn石油套管钢进行微钛处理,以细化晶粒。

(3)由于电弧炉炼钢高温电弧离解空气使得钢中N含量明显高于转炉钢,因此对转炉钢可采取如底吹N2进行钢液搅拌的措施,以适当增加C-Mn石油套管钢中的N含量。

通过采取上述措施,C-Mn石油套管转炉钢轧制后的管材检测结果表明,奥氏体晶粒度平均达到6.0级,性能检测一次合格率提高到100%。

6 结论

(1)合金元素对钢在加热时晶粒度的影响是一个综合叠加的结果。本次C-Mn石油套管钢对比试验中,转炉钢的增大晶粒长大趋势元素C、P含量高、强烈抑制晶粒长大元素Ti含量及钢中N含量低,是转炉钢较电弧炉钢的晶粒易于长大的主要原因。

(2)实际奥氏体晶粒度随加热温度的升高呈长大趋势,转炉钢奥氏体晶粒度长大趋势明显大于电弧炉钢。在950℃～1 000℃温度区间晶粒长大趋势加快,之后趋于平缓。

(3)采取控制C含量,降低钢中P含量,实施微钛处理,适当增加钢中的N含量,可以起到细化C-Mn石油套管钢的奥氏体晶粒度的作用,从而提高管材轧制性能检测的一次合格率。

[1] 陈德和.钢的缺陷[M].北京:机械工业出版社,1977:80.

[2] 赵坚.优质钢缺陷[M].北京:冶金工业出版社,1991:293—295.

Analysis of Influence Factors for Grain Growth of C-Mn Steel

ZENG Yong-gang

(Technology Planning Dept.,Pangang Group Chengdu Steel&Vanadium Co.,Ltd.)

Analyzed here are pipe samples rolled from C-Mn oil casing steel produced by converter and EAF.Composition analysis,heat treatment and metallographic examination at different heating temperatures and holding time are conduced on the samples.And influence of alloy elements, heating temperature and gas content on grain size is analyzed.The test results show that austenitic grain size can be refined through controlling of carbon content,reduction of P content,micro-ti treatment and adding N appropriately in steel.

C-Mn steel;grain growth;influence factor

1001—5108(2016)03—0052—07

TG113.1

A

曾勇刚,工程师,金属材料及热处理专业,现任攀钢集团成都钢钒有限公司科技规划部部长。