冶煉方式和錠型參數(shù)對(duì)大鋼錠冶金質(zhì)量的影響

巴鈞濤 高建軍 張文輝

(中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

大型優(yōu)質(zhì)鍛件所需毛坯——大鋼錠的冶金質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品合格率起著根本性的影響，而不同的冶煉方式和錠型參數(shù)又影響著鋼錠冶金質(zhì)量的高低。鋼錠的冶金質(zhì)量指標(biāo)主要包括：潔凈度、氣體含量、均質(zhì)性及縮孔、疏松等。中國一重曾采用兩種不同的冶煉工藝生產(chǎn)了281 t和292 t鋼錠，用它們制造的大型鍛件出現(xiàn)了完全不同的檢驗(yàn)結(jié)果。

1 技術(shù)要求及冶煉工藝路線

鍛件力學(xué)性能要求為：屈服強(qiáng)度Rp0.2≥442 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm=(552～670)MPa、延伸率A≥20%、斷面收縮率Z≥45%，沖擊韌性Akv≥72 J。非金屬夾雜物按ASTM E45的規(guī)定進(jìn)行評(píng)定，A類夾雜物：≤1.5級(jí)；B類夾雜物：≤1.5級(jí)；C類夾雜物：≤1.5級(jí)；D類夾雜物：≤1.5級(jí)。281 t錠型的冶煉工藝路線為電爐粗煉+LF爐精煉(VD)+中間包芯桿吹氬(LB3)，精煉時(shí)采用硅和鋁脫氧，結(jié)果鍛件出現(xiàn)探傷不合格。292 t錠型在煉鋼過程中降低了硅含量，工藝路線改為電爐粗煉+LF爐精煉(LVCD)+真空澆注(VCD)，采用鋁脫氧和真空碳脫氧相結(jié)合的方式，結(jié)果鍛件探傷一次性全部通過。

2 冶煉方式對(duì)冶金質(zhì)量的影響

2.1 鋼液潔凈度

鋼液的潔凈度主要由非金屬夾雜物和殘余元素所體現(xiàn)，不同的冶煉方式對(duì)非金屬夾雜物有明顯的影響，但對(duì)殘余元素As、Sn、Sb、Co及Cu的影響不大。LF爐精煉中，非金屬夾雜物通過斯托克斯定律[1]和氬氣泡的浮選作用與鋼液分離[2]。脫氧方法決定了夾雜物生成的種類、形狀及大小。鍛件前期采用硅和鋁脫氧，其主要脫氧產(chǎn)物為二氧化硅、三氧化二鋁和硅鋁酸鹽。其中，硅酸鹽夾雜由于與鋼水的潤濕性較好，很難上浮[3]。后期改為真空碳脫氧與鋁脫氧后，鍛件夾雜物評(píng)級(jí)中硅酸鹽夾雜從2.0級(jí)降低到0.5級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果見表1。

表1 夾雜物評(píng)級(jí)Table 1 The inclusion grade

2.2 氣體含量

鋼錠中的氣體對(duì)鍛件質(zhì)量影響頗大，氫是鋼中產(chǎn)生白點(diǎn)的主要原因，而且還使鋼產(chǎn)生氫脆，嚴(yán)重降低了鋼的橫向力學(xué)性能。氧和氮在鋼中主要以氧化物和氮化物的形式存在，它們對(duì)鍛件的影響主要決定于這些非金屬夾雜物的形狀、尺寸和分布。前期采用硅和鋁脫氧，在真空澆注時(shí)，由于鋼液中氧含量低，產(chǎn)生氣泡少，澆注時(shí)擴(kuò)散角度小，滴流效果欠佳，而后期采用真空碳脫氧生成的CO氣泡在真空下膨脹爆炸，帶動(dòng)鋼液的滴流化，滴流氣體擴(kuò)散路徑縮短，從而更容易去除[4]。另外，碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣泡在鋼液中的運(yùn)動(dòng)對(duì)非金屬夾雜物的排除也是至關(guān)重要的。表2為VD+LB3和LVCD+VCD兩種不同冶煉方式下鋼錠中氣體的平均含量。

表2 不同冶煉方式下鋼錠的氣體含量Table 2 The gas content of ingot with different smelting type

從表2可以看出，采用真空碳脫氧與真空脫氣相比，氫、氧含量分別降低了18.2%和22.7%。氮是此鍛件中的有益元素，煉鋼過程中用含氮合金來控制氮含量，因此鋼錠中的氮含量沒有明顯差別。

2.3 對(duì)力學(xué)性能的影響

表3為采用VD+LB3和LVCD+VCD兩種不同冶煉方式得到的鍛件的力學(xué)性能?？梢钥闯觯捎肔VCD+VCD冶煉方式，沖擊韌性較VD+LB3冶煉方式有所下降，但屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸縮率及斷面收縮率差別不大，所有指標(biāo)均完全滿足鍛件要求的技術(shù)條件。

表3 不同冶煉方式鍛件的力學(xué)性能Table 3 The mechanical properties of forging with different smelting type

3 錠型參數(shù)對(duì)冶金質(zhì)量的影響

鋼錠中孔洞型缺陷通常位于柱狀晶以內(nèi)的鋼錠的中心區(qū)域，尤其在偏析集中處存在大量的縮孔和疏松[5]。如果鋼錠截面過大，在鍛造的過程中即使采用大壓下量也很難鍛合，到后期探傷時(shí)出現(xiàn)缺陷。錠型參數(shù)主要由高徑比、錐度、冒口徑縮比、凹面圓心角及錠模厚度等，通過計(jì)算機(jī)模擬及生產(chǎn)實(shí)踐表面，鋼錠的高徑比和錐度對(duì)鋼錠的縮孔、疏松影響較明顯[6]。本文采用Procast商用模擬軟件對(duì)281 t和292 t兩種錠型進(jìn)行了模擬計(jì)算。其中，281 t錠型高徑比H/D=1.61，錐度Tp=4.6%；292 t錠型高徑比H/D=0.94，錐度Tp=7.6%。圖1、圖2分別為281 t和292 t錠型模擬結(jié)果。

(a)溫度場 (b)縮孔、疏松圖1 281 t鋼錠完全凝固時(shí)溫度及縮孔、疏松分布Figure 1 The distribution of temperature and shrinkage cavity and porosity of 281 ton ingot

(a)溫度場 b)縮孔、疏松圖2 292 t鋼錠完全凝固時(shí)溫度及縮孔、疏松分布Figure 2 The distribution of temperature and shrinkage cavity and porosity of 292 ton ingot

從圖1(a)、圖2(a)可以看出，281 t錠型冒口最終凝固形態(tài)相比292 t錠型要窄而深，可以想見，它生成的樹枝狀晶體互相架橋，必然會(huì)妨礙上部鋼液向鋼錠本身繼續(xù)供應(yīng)。關(guān)于這一點(diǎn)，在圖1(b)和圖2(b)中可以明顯看出，281 t錠型產(chǎn)生二次縮孔深入錠身，二次縮孔長度達(dá)2 350 mm，寬度165 mm，而292t錠型無二次縮孔產(chǎn)生，一次縮孔集中在帽口，完全可以通過冒口切除。由此不難發(fā)現(xiàn)，采用小高徑比，大錐度錠型對(duì)減少鋼錠心部孔洞類缺陷相當(dāng)有利。

4 結(jié)論

(1)采用真空碳脫氧和鋁脫氧冶煉方式較采用硅脫氧和鋁脫氧方式，硅酸鹽夾雜明顯減少，從2.0級(jí)降低到0.5級(jí)。

(2)真空碳脫氧后，鋼錠中的氫、氧含量在原來的基礎(chǔ)上分別下降了18.2%和22.7%。

(3)采用小高徑比、大錐度錠型有效避免了鋼錠縮孔、疏松類缺陷進(jìn)入錠身。

(4)采用真空碳脫氧后，鍛件的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)差別不大，沖擊韌性有所下降，但均滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

[1] 曲英.煉鋼學(xué)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983(8)：224.

[2] Laihua WANG, Hae-Geon LEE ,Peter HAYES. Prediction of the Optimum Bubble Size for Inclusion Removal from Molten Steel by Flotation[J]. ISIJ Int. 1996，36(1)：7-16.

[3] 康大韜，葉國斌.大型鍛件材料及熱處理.北京：龍門書局出版社，1998，40.

[4] 王少波.30Cr2Ni4MoV鋼冶煉工藝研究.一重技術(shù)，2009(1)：27-29.

[5] 丁宇.鋼錠空洞型缺陷的鍛合及空心鋼錠的鍛造.大型鑄鍛件，1998(4)：24-33.

[6] 田代晃一等.鋼錠模設(shè)計(jì)對(duì)大型鍛造鋼錠的凝固和內(nèi)部質(zhì)量的影響.鐵&鋼，1981，67(1).