高韌性抗熱耐磨鑄鋼襯板的研發(fā)

萊鋼集團機械制造有限公司 （山東萊蕪 271104） 張懷鵬 朱小波 于俊才

襯板是高爐渣處理設(shè)備的關(guān)鍵部件，在服役過程中受到熔渣的熱負荷、沖擊、高溫磨損作用，易出現(xiàn)沖擊斷裂和磨料磨損，故要求其具有高耐磨性、強韌性和抗高溫氧化性。萊鋼高爐現(xiàn)役襯板制造成本高，高溫磨損快，使用壽命短，達不到設(shè)計要求。為此，我公司開始研制成本低、韌性高、抗熱耐磨性更好的新型襯板。

1.化學(xué)成分的選擇

根據(jù)高韌性、抗熱耐磨鑄鋼襯板的工況條件，針對現(xiàn)役襯板抗熱耐磨性能差的現(xiàn)象，再考慮到經(jīng)濟原因，合理設(shè)計了高韌性、抗熱耐磨襯板的化學(xué)成分，與現(xiàn)役襯板材料相比，C、Cr、Si、Mn、RE、S和P含量基本相同，而降低了合金Ni的含量，提高了合金元素W、Nb的含量。試驗襯板與現(xiàn)役襯板化學(xué)成分對比見表1。

表1 試驗襯板與現(xiàn)役襯板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.熔煉和鑄造工藝

（1）熔煉 采用0.5t堿性爐襯中頻感應(yīng)電爐熔煉鋼液。熔煉工藝如下：①先向爐中加入廢鋼、生鐵及鉻鐵合金，待其大部分熔化后再加入鎳板，最后加入高熔點鎢鐵和鈮鐵。②鋼液熔清并調(diào)整化學(xué)成分后，提溫至1720～1760℃高溫熔煉。③在出鋼前數(shù)分鐘內(nèi)加入硅鐵和硅鈣脫氧，然后加入適量鋁絲進行終脫氧。④在澆包中加入稀土復(fù)合變質(zhì)劑進行變質(zhì)處理。⑤鋼液出爐溫度為1500～1600℃，為了保證鋼液成分的準(zhǔn)確性，出爐前使用光譜儀測量成分。⑥往包內(nèi)撒入適量保溫聚渣劑覆蓋，并鎮(zhèn)靜5min左右，扒渣。⑦澆注溫度為1530～1570℃。

（2）鑄造 襯板單件重52kg，木模收縮率選2.3%～2.5%，采用普通分模造型和呋喃樹脂砂自硬鑄型生產(chǎn)，涂刷醇基鋯粉涂料，要求攪拌充分，均勻刷涂兩次，加溫快干。冒口尺寸比普碳鋼大20%～30%，設(shè)置兩個楔形易割保溫冒口。

試生產(chǎn)的襯板表面質(zhì)量較好，尺寸精度較高，未見縮孔等鑄造缺陷。

3.熱處理工藝

鑄態(tài)材料組織粗大，存在著嚴(yán)重的枝晶偏析，影響材料的韌性和強度，必須經(jīng)過適宜的熱處理來改善組織狀況，提高性能。試驗襯板熱處理工藝為固溶處理＋穩(wěn)定化處理。

（1）固溶處理 將襯板加熱到Ac3＋50～90℃（1070～1150℃）并保溫一段時間，使鋼中的碳化物等過剩相充分溶解到固溶體中，得到化學(xué)成分基本均勻的單相奧氏體組織，然后快速冷卻，以得到過冷奧氏體固溶組織，目的是改善襯板的韌性和耐熱性。

襯板屬薄壁件，低溫階段升溫過快易開裂；高溫階段升溫太慢，保溫時間太短，都會影響鑄件質(zhì)量。因此，正確的操作是550℃以下，升溫速度控制在50～100℃/h；至>550℃時，升溫速度控制在100～200℃/h。只有足夠的保溫時間才能使碳化物充分溶解，根據(jù)襯板的厚度和試驗條件確定保溫時間，取3～4h為宜。固溶處理工藝曲線如圖1所示。

（2）穩(wěn)定化處理 試驗襯板在較高的溫度(400～800℃)下工作時，固溶處理后碳化物(主要是碳化鉻) 會重新析出，故還需進行穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理工藝是將鑄件加熱至Ac1＋30～50℃（850～900℃），最好加熱到穩(wěn)定元素的碳化物幾乎全部析出的溫度，并保溫一段時間，然后空冷，使奧氏體鋼中的碳充分與鈦、鈮化合形成穩(wěn)定的碳化物，從而發(fā)揮它們的穩(wěn)定作用，使襯板在長期服役過程中形位尺寸變化能在可控范圍內(nèi)，避免形成高鉻碳化物，提高其抗晶間腐蝕能力。穩(wěn)定化處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 試驗襯板的熱處理工藝曲線

4.試驗結(jié)果與分析

（1）顯微組織觀察 將試驗襯板和現(xiàn)役襯板各取一鑄態(tài)和熱處理態(tài)試樣，進行金相組織觀察與對比，如圖2所示。由圖2a、b可知，兩種襯板的鑄態(tài)組織為奧氏體+少量鐵素體+碳化物，碳化物呈連續(xù)網(wǎng)狀分布。由圖2c、d可知，熱處理后試驗襯板的組織為奧氏體+碳化物，且組織明顯細化和均勻化。試驗襯板與現(xiàn)役襯板相比，由于含量較高的Nb、W元素，組織中有一定數(shù)量的顆粒狀MC型碳化物。呈M23C6型的碳化物彌散分布在晶內(nèi)和晶界上，能有效阻礙晶界滑移，提高鋼的強度。

圖2 襯板金相組織

（2）高溫抗氧化性試驗 采用增重法，通過計算試樣單位面積、單位時間的氧化增加質(zhì)量即氧化速度來評定其高溫抗氧化性能。氧化速度越快，材料抗氧化性能越差，反之，抗氧化性能越好。從熱處理后的試驗襯板上取樣，測3組數(shù)據(jù)，取其平均值，并與現(xiàn)役襯板作對比，試驗結(jié)果見表2。

表2 抗氧化性試驗結(jié)果

由表2可以看出，現(xiàn)役襯板在900℃、1100℃下，氧化速度遠大于試驗襯板的氧化速度。參照GB/T13303—1991《鋼的抗氧化性級別評定標(biāo)準(zhǔn)》可知：試驗襯板在900℃下完全抗氧化，在1100℃下抗氧化，而現(xiàn)役襯板在900℃、1100℃下都是弱抗氧化，說明試驗襯板的抗氧化性顯著優(yōu)于現(xiàn)役襯板。

（3）沖擊韌度測試 依據(jù)GB/T2106—2005《金屬夏比(V型缺口)沖擊試驗方法》，用JB—30型擺錘式?jīng)_擊試驗機測定試樣鑄態(tài)和熱處理態(tài)的沖擊值，結(jié)果見表3。通過固溶處理，適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，可明顯提高強度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性。

表3 試樣的沖擊吸收能量 （J）

（4）耐磨性試驗 對鑄態(tài)和不同高溫抗氧化性試驗條件下的試驗襯板和現(xiàn)役襯板的試樣進行了耐磨性試驗。其結(jié)果見表4。由表中可知，900℃氧化后的耐磨性比鑄態(tài)時好，1100℃氧化后耐磨性和鑄態(tài)時差別不大。試驗襯板材料和現(xiàn)役襯板材料相比，其硬度和耐磨性是增加的。

表4 試樣鑄態(tài)的硬度及耐磨性

相對于現(xiàn)役襯板，試驗襯板中添加了較多量的Nb、W，其與C結(jié)合形成了具有很高熱穩(wěn)定性的NbC、WC硬質(zhì)點，提高了碳化物的硬度。尤其是NbC的晶格強度與晶格類型和奧氏體非常接近，所以NbC彌散分布在奧氏體基體上，與之牢固結(jié)合，起彌散強化作用，提高基體的強度。碳化物數(shù)量的增加，硬度的提高，以及基體強度的提高，對提高耐磨性都有貢獻，因此試驗襯板的耐磨性比現(xiàn)役襯板有明顯提高。而在1100℃下長期氧化時，鋼中的MC型碳化物較900℃時少，所以試驗襯板硬度及耐磨性減小。

5.結(jié)語

通過合理設(shè)計化學(xué)成分和正確制定鑄造與熱處理工藝，改善了試驗襯板材料的微觀組織，獲得了良好的力學(xué)性能。與現(xiàn)役襯板相比，硬度和耐磨性明顯增加，抗氧化性能顯著，經(jīng)固溶處理+穩(wěn)定化處理后提高了強韌性。新型高韌性、抗熱耐磨鑄鋼襯板的研發(fā)成功，對降低生產(chǎn)成本，延長使用壽命起到積極作用，將具有廣闊的市場空間。