聚酯反應器馬氏體不銹鋼細長主軸的研制生產(chǎn)

高宏生 王怡群 馬軍平 王海珍 高全德 王曉飛

(中原特鋼股份有限公司，河南459008)

聚酯工程用馬氏體不銹鋼細長主軸是工程關(guān)鍵設(shè)備——臥式圓盤反應器的心臟部件，長度在8 m～12 m，細長比(L/D)超過30。它在高溫、低壓、彎矩、扭矩和腐蝕介質(zhì)條件下工作，要求沿軸線方向具有較高的化學和物理均勻一致性，具有良好的抗彎曲、抗斷裂、抗疲勞、抗蠕變、抗松弛和抗腐蝕等性能。

1 聚酯反應器馬氏體不銹鋼細長主軸制造難點

(1)聚酯反應器馬氏體不銹鋼細長主軸選用DIN1.4122鋼，化學成分要求見表1。

DIN1.4122鋼為馬氏體不銹鋼，若澆鑄20 t～30 t的大鋼錠，有一系列問題。比如，表面質(zhì)量差，鍛造前需進行表面精整，即使這樣表面精整鍛造性能也不好；高鉻鋼水粘度大，長時間澆鑄過程中鋼水受耐火材料污染嚴重，夾雜物難以分離而容易卷帶存留錠中；由于合金含量接近20%，高合金鋼水在自然冷卻條件下凝固成大鋼錠，會出現(xiàn)嚴重的偏析和沉積錐[1]等。

(2)非金屬夾雜物等級(按GB/T10561標準評定)：A+B+C+D≤3.0。使用工況要求鋼質(zhì)具有高的純凈度。但不銹鋼鋼液粘，夾雜物不易

(3)馬氏體不銹鋼細長主軸采取調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，顯微金相組織為回火索氏體+鐵素體+少量顆粒碳化物。顆粒碳化物在組織中呈彌散分布，不得出現(xiàn)沿晶界網(wǎng)狀分布的碳化物析出相。調(diào)質(zhì)后的力學性能要求見表2。

表1 主軸用DIN1.4122鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of DIN1.4122 steel used for main shaft (mass fraction,%)

表2 主軸調(diào)質(zhì)后的力學性能Table 2 Mechanical properties after main shaft quenching and tempering

注：表中沖擊功是3個標準試樣的沖擊功平均值，允許一個試樣的沖擊功小于規(guī)定值，但不得小于規(guī)定值的70%。

從表2可以看出，主軸對材料的冶金質(zhì)量和性能要求極其苛刻。主軸材料是一種高強度的脆性材料，但用戶除了要求高強度外，還額外提出了高韌性指標，并對金相組織也做出了嚴格限制。由于主軸用DIN1.4122鋼含有較多的碳化物形成元素，在鋼液凝固過程中接近共晶的碳化物易聚集，降低鋼的塑韌性。為提高此鋼的塑韌性，應努力提高鋼的純凈度、均勻性，并細化晶粒。

2 制造工藝研究

2.1 純凈度控制

統(tǒng)計我公司電渣重熔H13鋼142爐284個試樣的夾雜物檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：A+B+C+D≤2.5的占48%，A+B+C+D≤3.0的占69%，142爐試樣平均檢驗結(jié)果見表3。

從表3可以看出，B類和D類夾雜物占夾雜物總量的95.8%，B類夾雜物為氧化鋁，主要是用鋁脫氧的沉淀脫氧產(chǎn)物，D類是球狀氧化物，大多是鈣的脫氧產(chǎn)物。為確保非金屬夾雜物等級合格，必須努力控制A類、C類為零，盡量降低B類、D類夾雜物的評級，降低鋼中的氧含量。主軸鍛件需要采用15 t～25 t的精煉鋼錠鍛造，由于采用精煉鋼錠生產(chǎn)存在表面質(zhì)量差、夾雜物難以分離而容易卷帶存留在錠中以及有嚴重的偏析和沉積錐等一系列的問題，為此采取EBT+LF-VD+ESR的煉鋼工藝。煉鋼在LF爐中要加強攪拌和脫氧、脫硫，控制熔渣中的FeO+MnO≤1.5%，最好FeO+MnO≤1.0%，在LF爐鋼中硫控制在≤0.008%，最好控制在≤0.005%。經(jīng)電渣重熔后，進一步脫硫，鋼中硫應控制在≤0.003%。VD擴散時間和澆鋼鎮(zhèn)靜時間長一些，讓夾雜物充分上浮。生產(chǎn)12 t～20 t電渣錠就相當于15 t～25 t精煉鋼錠。采用電渣錠，不僅這些問題迎刃而解，而且電渣重熔鋼具有高熱塑性、高均勻性、高致密度、高純凈度的重要特點和經(jīng)濟優(yōu)勢。電渣重熔應選擇堿性高、脫氧、脫硫效果好、粘度低、去夾雜好的渣系。電渣重熔前要清理掉電極坯表面的氧化皮，電渣重熔時應做好低氫控制、脫氧控制、補縮控制。影響電渣鋼中總氧含量的決定因素是渣中aFeO值，因此應加強脫氧，努力降低渣中aFeO值。電渣重熔脫氧加鋁不要加的過多，鋼中殘鋁不易超過0.025%，殘鋁過高在晶界析出氮化鋼易導致鍛造裂紋。此鋼合金含量高，易偏析，電渣重熔時應控制金屬熔池“扁、平、淺”，這有利于夾雜物和氣體排出，提高電渣錠成分的均勻性。電渣重熔前后化學成分的變化見表4。

電渣重熔顯示了較好的脫硫效果，所有爐次的硫含量均控制在0.003%以下，其它元素電渣重熔前后基本沒變化。

提高熔渣堿度，加強脫氧，可降低鋼中氧含量，降低鋼中的非金屬夾雜物等級。

采用不同的渣系和脫氧制度的電渣重熔工藝制度見表5。采用不同工藝制度電渣重熔后鋼中夾雜物的平均等級見表6。電渣重熔前后鋼中氣體含量的變化見表7。

提高熔渣堿度，可降低渣中FeO、MnO、Cr2O3等不穩(wěn)定氧化物的活度，減少渣中不穩(wěn)定氧化物對金屬熔池的傳遞供氧。電渣重熔的渣/鋼之間反應接觸界面是電弧爐的7 000倍[2]，可對鋼進行充分渣洗，配合強脫氧，可有效降低鋼的氧含量，從而降低重熔鋼中B類和D類氧化物的等級。電渣鋼的氧含量與電極坯的氧含量、重熔渣系的堿度、脫氧制度、保護氣體的種類以及重熔過程中電極浸入渣池的深度等因素有關(guān)。

表3 電渣重熔H13鋼非金屬夾雜物等級Table 3 Non-metallic inclusion levels for ESR H13 steel

表4 電渣重熔前后DIN1.4122鋼化學成分的變化 (質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 The variation of chemical composition of DIN1.4122 steel before and after electroslag remelting (mass fraction,%)

表5 采用不同的渣系和脫氧制度的電渣重熔工藝制度Table 5 The ESR processes system adopted different slags system and deoxidation methods

表6 采用不同工藝制度電渣重熔后鋼中夾雜物的平均等級Table 6 Average level of inclusion in steel after different ESR processes

表7 電渣重熔前后鋼中氣體含量的變化(10-6)Table 7 The variation of gas contents in steel before and after electroslag remelting (10-6)

2.2 鍛造

DIN1.4122鋼合金含量高，導熱性差，鍛造加熱前期要緩慢升溫，確保加熱均勻。由于鍛件長度為8 m～14 m，細長比(L/D)超過30，鍛造時我公司采取油壓機-精鍛機聯(lián)鍛的方式，即在50MN油壓快鍛機上開坯，進行大送進量、大壓下量鍛造，充分壓實鍛件芯部和打碎鋼中的碳化物以及金屬化合物。油壓機開坯至?600 mm后，轉(zhuǎn)到14 MN精鍛機上拉打成形，在精鍛機4個錘頭以175 次/min的高速徑向壓縮下，鍛打過程不降溫，一次打完。避免采用油壓機鍛造成形，鍛件需多次返爐加熱的不便。若鍛造溫度低于900℃，則會增大DIN1.4122鋼鍛造開裂的機率。

2.3 鍛后熱處理

主軸鍛件鍛后熱處理的目的是細化晶粒，消除應力，軟化組織，得到球狀珠光體組織，降低鍛件中氫含量，防止白點產(chǎn)生。主軸鍛件鍛后冷卻過程中，外層的殘余奧氏體馬上分解，里層的殘余奧氏體在珠光體區(qū)域轉(zhuǎn)變，將沿奧氏體晶界析出二次網(wǎng)狀碳化物，尤其在750～850℃時最為嚴重。為防止網(wǎng)狀碳化物析出，鍛后熱處理時重結(jié)晶的奧氏體化溫度可適當高些(930℃左右)。此鋼鉻高，殘余奧氏體穩(wěn)定，過冷是殘余奧氏體分解最關(guān)鍵的一步，過冷保溫時間長一點有利于殘余奧氏體分解，也有利于細化晶粒。為此，對?450 mm主軸鍛件采取鍛后空冷至350～400℃，加快冷卻速度，再通過正火，進一步消除在鍛后冷卻過程中已形成的網(wǎng)狀碳化物，細化晶粒，確保其級別≥4級。主軸鍛件鍛后熱處理曲線見圖1。

2.4 調(diào)質(zhì)熱處理

調(diào)質(zhì)熱處理是確保材料性能的關(guān)鍵過程。由于該材料合金含量高，為脆性較大的馬氏體不銹鋼，同時噸位較大(工件的調(diào)質(zhì)噸位單件有11 t重)，屬大型調(diào)質(zhì)件，在加熱時存在較大的熱應力。在淬火冷卻時，由于主軸臺階較多(5個臺階)，直徑差較大(直徑差200 mm)，冷卻時間很難確定。對于較粗直徑段，怕冷卻時間不夠，達不到淬火效果，對于較細直徑段，又怕冷卻時間過長，產(chǎn)生淬火裂紋。為此，我公司采取淬火加熱時分兩段預熱，以減少加熱應力。在淬火冷卻時除了采取水基淬火液處理提高綜合性能外，還采取了短時間隙冷卻，進一步減少熱應力和隨后的組織應力。在經(jīng)過690℃回火處理后，綜合性能良好。力學性能檢測結(jié)果見表8。

圖1 DIN1.4122主軸鍛件鍛后熱處理曲線Figure 1 The post forging heat treatment curve of DIN1.4122 steel main shaft forging

Rm/MPaRp0.2/MPaA5(%)AKU/JHBW協(xié)議要求10A0550-1(錠尾端)10A0550-2(冒口端)9C0537-1(錠尾端)9C0537-2(冒口端)≥750850800835840≥550670615620605≥1420202121≥2030 27 2331 33 3525 25 2728 30 26220～280223 224 230 224-225、227、233、230-

3 結(jié)論

(1)電渣重熔是獲取高純凈度、高均勻性的優(yōu)質(zhì)不銹鋼大鍛件的重要手段，它解決了采用精煉鋼錠表面質(zhì)量差、夾雜物難以分離而容易卷帶存留在錠中以及有嚴重的偏析和沉積錐等一系列的問題。

(2)采取油壓機-精鍛機聯(lián)鍛是制造細長鍛件的有效手段，油壓機開坯有利于壓實，精鍛件鍛打效率高，有利于成形。

(3)對于脆性較大的大型調(diào)質(zhì)件，在淬火加熱時分兩段預熱，以減少加熱應力。在淬火冷卻時除了采取水基淬火液處理提高綜合性能外，還采取了短時間隙冷卻，進一步減少熱應力和隨后的組織應力。

[1] 向大林，王克武，朱孝渭.快堆工程用不銹鋼大鍛件的研制.大型鑄鍛件，2003(2):6-7.

[2] 向大林.關(guān)于巨型鋼錠電渣技術(shù)之我見.大型鑄鍛件，2010(4):38.