大型鋼錠凝固特性的初步研究

金 楊 安紅萍 馬 平 孫海燕

(1.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司鍛造分廠，四川618000；2.太原科技大學(xué)材料學(xué)院，山西030024)

大型鍛件的生產(chǎn)能力是衡量一個(gè)國家重大技術(shù)裝備自給能力的重要標(biāo)志之一，對國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防力量都有著至關(guān)重要的意義。目前，我國大鍛件的生產(chǎn)已初具規(guī)模，但與發(fā)達(dá)國家相比，仍存在較大差距。某些質(zhì)量要求高的大鍛件目前還只能依靠進(jìn)口，因此盡快提高我國鍛件的質(zhì)量就成為所有重型企業(yè)急需解決的問題。鍛件的質(zhì)量取決于鋼錠質(zhì)量，而鋼水的凝固是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，難以直接觀察。國外冶金行業(yè)大發(fā)展的重要原因之一就是堅(jiān)持不斷的對大型鋼錠及鍛件進(jìn)行解剖分析，研究其內(nèi)部質(zhì)量以改進(jìn)煉鋼、鍛造及熱處理工藝[1，2]。我國在鋼錠解剖方面的起步較晚，相關(guān)的報(bào)道也比較少，僅有上海重型機(jī)器廠在20世紀(jì)70～80年代解剖了一支55 t鋼錠的報(bào)道[2]。然而，隨著現(xiàn)在鋼錠的超大型化，其凝固特性已與之前大大不同。目前，不少學(xué)者用數(shù)值模擬的方法對鋼錠內(nèi)部的偏析、縮孔等缺陷進(jìn)行了預(yù)測，在一定領(lǐng)域取得了很好的效果[3，4]，但很多結(jié)果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。而最直觀有效的獲得鋼錠內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的方法就是對鋼錠進(jìn)行解剖研究。為詳細(xì)了解現(xiàn)今特大型鋼錠的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化冶煉鍛造工藝，提高鋼錠及鍛件的質(zhì)量，二重集團(tuán)公司最近選擇了當(dāng)前產(chǎn)品中的典型代表——234 t鋼錠進(jìn)行解剖分析，研究其凝固特性以優(yōu)化工藝。

1 鋼錠的冶煉及澆注

使用80 t電弧爐冶煉粗水，隨后在150 t鋼包精煉爐中進(jìn)行精煉處理，采用雙包合澆的方式澆注234 t真空鋼錠。為減少元素偏析，人為的將先澆包鋼水成分調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)上限，第二包位于標(biāo)準(zhǔn)下限。鋼水冶煉成分要求如表1所示。

2 鋼錠的解剖

由于鋼錠巨大，無法對其進(jìn)行整體取樣，所以事先將冒口端沿冒口線氣割取下，并切除鋼錠底部，隨后分別在冒口和錠身上沿鋼錠中心線取試塊進(jìn)行取樣分析。鋼錠解剖的現(xiàn)場照片如圖1所示，圖2為取下的試塊照片，試塊厚度約為300 mm，切割時(shí)保留鋼錠中心線。試塊切割下來后，對其進(jìn)行消應(yīng)處理。在處理后的試塊的半面上套取棒狀試樣進(jìn)行化學(xué)分析及夾雜物評定，錠身及冒口共套取了約260個(gè)試樣。剩下的一半試塊加工后進(jìn)行酸洗、硫印等檢驗(yàn)，研究其鑄態(tài)組織和冶金缺陷。

對鋼錠錠身部分進(jìn)行硫印和酸洗試驗(yàn)，觀察其凝固特性以及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。整個(gè)鋼錠錠身部分硫印評級結(jié)果為0.5級，這說明目前的精煉工藝能滿足高水平產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。鋼錠鑄態(tài)組織金相照片如圖3～圖5所示。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composes of the ingot(mass fraction, %)

圖1 鋼錠切割現(xiàn)場照片F(xiàn)igure 1 Photo of dissection

圖2 切取的試塊照片F(xiàn)igure 2 photo of specimen

(a)全貌 (b) 局部放大圖3 錠身上部接近冒口處的金相組織Figure 3 The metallographic structure(top of steel ingot body)

(a)全貌 (b) 局部放大圖4 鋼錠錠身中部的金相組織Figure 4 The metallographic structure(middle of steel ingot)

(a)全貌 (b) 局部放大圖5 鋼錠尾部的金相組織Figure 5 The metallographic structure(steel ingot bottom)

通過現(xiàn)場觀察及以上低倍照片可以看出，在鋼錠底部(包括圖5以及圖4下1/3處)，其凝固主要由鋼錠底盤與鋼錠模共同作用，組織生長形式表現(xiàn)為由鋼錠底盤與鋼錠模接觸處向內(nèi)向上逐漸凝固，直至鋼錠中心部位；在此以上的區(qū)域的凝固主要由鋼錠模吸熱控制，結(jié)晶形式表現(xiàn)為橫向生長，如圖3所示。根據(jù)觀察，鋼錠的組織形態(tài)大致可以分為表面激冷層、柱狀晶區(qū)、扁長柱狀晶區(qū)。其中表面激冷層約(110～120)mm，柱狀晶區(qū)約500 mm。由柱狀晶至鋼錠中心處為扁長柱狀晶區(qū)，觀察不到中心等軸晶區(qū)，如圖6所示。鋼錠形成此種結(jié)構(gòu)的原因還有待下一步深入研究。

為進(jìn)一步研究鋼錠的組織結(jié)構(gòu)及晶粒大小，沿鋼錠徑向從鋼錠中心至鋼錠邊緣依次取樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。取樣示意圖如圖7所示，共取下14個(gè)樣。

圖6 鋼錠的結(jié)構(gòu)Figure 6 The metallographic structure from the surface to interior

圖7 徑向取樣示意圖Figure 7 Sketch of radial sampling

對上述14個(gè)試樣用砂紙進(jìn)行打磨、拋光后，用不同的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，對其組織結(jié)構(gòu)及晶粒大小分布進(jìn)行研究，部分結(jié)果如表2所示。

表2鋼錠徑向組織分布圖
Table 2 The metallographic structure at radial

從以上金相照片中可以看出，樹枝晶很少，幾乎全為較大的柱狀晶粒，最大的長度達(dá)38.44 mm，可能是此材料為高純凈鋼的緣故。

對各樣的晶粒大小逐一測量，使用晶粒的長寬比表征晶粒的大小，所得結(jié)果如圖8所示。

結(jié)合具體晶粒尺寸，在鋼錠局部范圍內(nèi)從中心向外1～3號樣屬于較細(xì)的柱狀晶區(qū)，4～12號樣為粗大的柱狀晶區(qū)，13、14號樣為細(xì)晶區(qū)，這與現(xiàn)場觀察的結(jié)果大致吻合。

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在鋼錠沿中心線方向距冒口線下方約450 mm處存在一條寬(20～ 30)mm，長約1 400 mm的細(xì)長疏松帶，無二次縮孔，鋼錠表面無肉眼可見的夾雜物及細(xì)紋，鋼錠錠身下部未觀察到沉積錐的出現(xiàn)。鋼錠疏松及縮孔的照片如圖9所示。由圖9發(fā)現(xiàn)，鋼錠最大的疏松孔約為5 mm×20 mm，其余是尺寸約為(2～5)mm的微孔洞?？紤]到鋼錠的大小，可以說在此工藝條件下，鋼錠凝固收縮情況良好。唯一的不足之處在于此鋼錠的疏松帶稍微偏下，可能的原因是雙包澆注過程中后澆包的溫度較先澆包低，導(dǎo)致鋼液的熱點(diǎn)位于鋼錠中部，晚于鋼錠上部凝固。

圖8 鋼錠不同部位晶粒長寬比Figure 8 Aspect ratio of crystal grain from the surface to interior

圖9 鋼錠中疏松及縮孔Figure 9 Shrinkage porosity and shrinkage cavity in steel ingot

3 鋼錠的偏析

為進(jìn)一步了解鋼錠的偏析情況，對試塊進(jìn)行套樣分析，并將其在鋼錠中的位置進(jìn)行標(biāo)定，圖10即為C在鋼錠中的分布圖。從圖中可以看出，鋼錠大致可分為正偏析區(qū)、負(fù)偏析區(qū)兩個(gè)含碳量不同的區(qū)域，不存在A偏析區(qū)。負(fù)偏析區(qū)主要集中在鋼錠底部中心部位，所占的面積較?。徽鰠^(qū)集中在冒口及冒口線以下約800 mm的位置，區(qū)域面積稍大?？赡艿脑蚴堑诙臐沧囟鹊陀诘谝话瑢?dǎo)致鋼錠最后凝固的區(qū)域靠下，以至于C在鋼錠冒口線下富集，這與鋼錠疏松區(qū)域的分布也是一致的，可以通過調(diào)整鋼錠的澆注溫度來減小正偏析的區(qū)域面積，提高鋼錠利用率。此外，Cr、Mo等元素在鋼錠中的偏析的大致趨勢與C的偏析相似，在此不做累述。

圖10 C在鋼錠中的分布(虛線為鋼錠輪廓示意圖)Figure 10 Distribution of carbon in steel ingot

4 結(jié)論

此次鋼錠解剖得出了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析我們可以得出以下結(jié)論：

(1)在鋼錠的剖面未發(fā)現(xiàn)較大的縮孔，也未發(fā)現(xiàn)二次縮孔。經(jīng)過酸蝕后，剖面中心線部位存在輕微的疏松，有少量疏松孔(最大約5 mm×18 mm)。由鋼錠邊緣至鋼錠中心大致分為激冷層、柱狀晶區(qū)、扁長柱狀晶區(qū)，未觀察到中心等軸晶區(qū)，這可能與鋼錠的冷卻條件有關(guān)。

以上情況說明，在當(dāng)前工藝條件下，鋼水在鋼錠模中的冷卻條件較為合適，冒口補(bǔ)縮良好，鋼錠模的設(shè)計(jì)與冒口的保溫條件相適宜。需要改進(jìn)的是更精確的控制各包的澆注溫度以確保鋼錠最終凝固區(qū)域在鋼錠冒口處。

(2)C在鋼錠中的分布可分為正偏析區(qū)和負(fù)偏析區(qū)，不存在A偏析區(qū)。負(fù)偏析區(qū)位于鋼錠下部，所占面積較小。正偏析區(qū)域面積稍大，且位置靠下，可以通過調(diào)整鋼錠的澆注溫度予以改善。

此外，由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的原因，鋼錠中氣體及夾雜物分布，還有待于下一步的分析研究。

[1] 徐彥和.大型鋼錠及鍛件的解剖[J].大型鑄鍛件，1982，(4)：48-58，22.

[2] 陶正耀，周枚青.55噸鋼錠的解剖試驗(yàn)[J].大型鑄鍛件，1982，(4)：1-22.

[3] 徐建輝，孫利剛.大型垂直定向凝固鋼錠凝固過程數(shù)值模擬[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，8(6)：22-27.

[4] 顧江平，劉莊，陳曉慈.定向凝固鋼錠中宏觀偏析的預(yù)測[J].金屬學(xué)報(bào)，1997，33(5)：461-466.