含硫易切削钢轧制劈裂原因分析

含硫易切削钢轧制劈裂原因分析

经勇明郑团星张建华

（广东韶钢松山股份有限公司轧材厂广东韶关512000）

摘要：本文就含硫易切削钢在轧制时存在的打滑和劈裂问题，根据现场控制参数结合理论，进行了系统分析并提出了相应的解决措施，从而有效控制了打滑及轧件劈裂现象，提高了生产该钢种的效率，降低了碎断次数和成本。

关键词：含硫易切削钢；打滑；劈裂

1、前言

易切削钢是在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的合金钢。这类钢可以用较高的切削速度和较大的切削深度进行切削加工。由于钢中加入的易切削元素，使钢的切削抗力减小，同时易切削元素本身的特性和所形成的化合物起润滑切削刀具的作用，易断屑，减轻了磨损，从而降低了工件的表面粗糙度，提高了刀具寿命和生产效率。

按照所含的易切削元素，易切削钢可以划分为硫易切削钢、铅易切削钢、钙易切削钢、硒、碲、铋易切削钢。主要用于制作受力较小而对尺寸和光洁度要求严格的仪器仪表、手表零件、汽车、机床和其他各种机器上使用的对尺寸精度和光洁度要求严格，而对机械性能要求相对较低的标准件，如齿轮、轴、螺栓、阀门、衬套、销钉、管接头、弹簧座垫及机床丝杠、塑料成型模具、外科和牙科手续用具等。

根据广东市场上对易切削钢的需求，韶钢在2015年10月开始试制低碳含硫易切削钢，经过几轮试制后成功实现批量生产。因生产的产品表面光洁度好、加工的产品通条直度好，获得用户的良好评价，实现月产量6000-7000吨左右。

2、韶钢的生产工艺路径及存在问题

2.1生产工艺路径

根据低碳含硫易切削钢的工艺特点，韶钢采用的工艺流程为：高炉铁水→（混铁炉）→120t转炉冶炼→LF炉精炼→2#连铸机连铸→铸坯堆冷→坯料检验、清理→入库检验→高速线材轧机轧制。

2.2存在问题

由于钢中磷、硫含量高，该钢种具有较大的冷脆、热脆敏感性，在冷、热加工时易开裂。因此在轧制过程中主要存在的问题包括：①轧件打滑；②轧件头部劈裂。受以上问题影响，造成轧线生产故障较多，生产效率低下成材率仅为94.0%左右。

3、问题成因分析

3.1轧件打滑

根据现场跟踪，当开轧温度＞1150℃时，轧件在粗轧机组出现频繁打滑现象。由此造成轧线张力控制稳定性难度加大，料型变化较大对成品公差尺寸造成较大影响，同时也很容易在粗轧机组造成冲钢。

根据易切削钢的特点，主要是通过增加含硫量来提高其易切削性，但钢中硫含量较高时易产生FeS或FeS与Fe的低熔点共晶混合物，其中FeS熔点为1190℃，FeS与Fe的共晶体熔点约为980℃。当钢加热至1000～1200℃进行轧制时，沿晶界分布的上述共晶体局部已经开始熔化，晶粒间的结合力遭受破坏，产生沿晶裂纹导致“热脆”现象的发生。

虽然钢中加入锰后，可消除硫的有害影响，因为硫和锰的结合力较铁强，锰能够从FeS中夺走硫形成MnS，而MnS的熔点达到1620℃，在钢正常轧制温度下不会产生沿晶熔化现象。但在硫化物夹杂中同时存在MnS和FeS，二者的质量比约44：5，即FeS的质量分数约占10%。因为FeS熔点约为1190℃，为确保开轧温度，加热炉的均热段温度达到1260℃左右，FeS已经开始熔化，在轧件表面形成熔融态的FeS起到润滑作用，所以导致粗轧道次轧制时打滑严重。

针对上述分析，结合轧制易切削钢的加热、开轧温度工艺要求，采取了如下措施：①开轧温度控制在工艺要求的中线位置，即1135℃左右。

②结合韶钢加热炉的结构特性，延长该钢种的在炉时间，在炉时间确保在100分钟以上，加热段及均热段至少确保在60分钟以上。

③轧制该钢种时，前后采取加热制度接近的钢种压炉或空位30个进行操作。

通过以上控制措施，实现低温缓慢加热，避开含铁硫化物的熔点温度，有效的解决了含硫易切削钢在粗轧打滑的现象。

3.2轧件劈裂问题

在现场跟踪，轧制低碳含硫易切削钢时，轧件很容易在粗轧末端机架和成品孔前因为劈裂造成冲钢事故。对比稳定轧制时的过程控制情况，发现轧件劈裂堆钢时18#轧机及BGV速度变化较大，见图1。

图1精轧区域各机组之间速比（红色区间为事故多发区间）

由图1可以看出，在事故多发区间BGV-18#轧机的速比明显偏大，TMB2-1之间的速比明显偏小。根据韶钢高线主控系统调速模型，这说明18#出口速度较稳定轧制时降低较多。

由于低碳含硫易切削钢的含碳量≤0.08%，查阅相关资料其比热容仅为0.45KJ/kg•k左右，在轧制过程中热损失相比碳素钢要快，若轧制速度较慢时轧制温升无法抵消其温度损失，将会导致轧件温度持续降低。由此推断，轧件头部温度有可能达到FeS与Fe的共晶体熔点（约910℃）或FeS-FeO共晶体熔点（约980℃）区域，从而增加了轧件头部劈裂的几率。

为进一步验证上述推断，对轧件劈裂试样进行了金相检验。开裂位置存在有延伸至基体的大裂纹，裂纹明显区域呈孔洞样貌，同时对应开裂区域检测夹杂物等级明显偏高。对劈裂区域进行电镜扫描，存在大量Fe0。

同时根据现场跟踪，实测轧件在产生劈裂时轧件头部温度在910℃或980℃左右。由此可以确定应是该区域产生了FeS-FeO共晶化合物，或熔点较高的FeS-Fe共晶化合物，因晶界产生熔化从而造成轧件劈裂产生堆钢。

针对上述分析，在轧制低碳含硫易切削钢时采取了如下措施：

①将粗轧5#、6#轧机轧机出口导卫改为带燕尾式的导卫，使导卫更加贴近槽面，消除因轻微劈裂造成的撞导卫出口冲钢。

②适当加长飞剪切头的长度，消除因头部温度达到FeS-FeO共晶化合物熔点区间造成的劈裂冲钢。

③水箱控制采取延迟穿水控制模式，将轧辊冷却水适当关小，同时适当提高头部开轧温度，消除头部温度达到FeS-Fe共晶化合物熔点区间造成的劈裂冲钢。

④根据对比分析，优化预精轧、精轧区域料型，确保18#机架出口速度小规格保证在8.0m/s、大规格保证在15.0m/s左右，实现小压下快速轧，尽可能消除温降对轧件头部的影响。

⑤针对轧线退回坯料采取剔废重装模式，同时停机时间较长时，加热炉步距回退三步避开炉头低温区。

通过以上措施，实现了含硫易切削钢轧制劈裂堆钢的有效降低，目前月度碎断量控制在3支以内。

4、结论

因含硫易切削钢的钢种特性，其轧制过程热损失较快，同时硫主要以（Mn、Fe）S的形式存在，受（Fe）S共晶化合物熔点偏低的影响，在轧制过程中极易因为轧件温度达到（Fe）S共晶化合物熔点，从而产生热脆、打滑、头部劈裂等现象。因此，在轧制该钢种时，要由钢坯加热开始，做好过程温度管控，确保避开低熔点共晶化合物的熔点区间。

参考文献：

[1]张景宜，李子林.易切削钢生产工艺技术探讨[J].河南冶金，2007（8）：30-32.

[2]谭树青.金属压力加工物理基础[M].北京科技出版社，1998.