231 t超大型鋼錠水冒口解剖試驗研究

辛雪倩 謝全勝 梁賢淑 危亞軍

(中信重工機械股份有限公司，河南471003)

231 t超大型鋼錠水冒口解剖試驗研究

辛雪倩 謝全勝 梁賢淑 危亞軍

(中信重工機械股份有限公司，河南471003)

通過對231 t鋼錠水冒口進行解剖試驗，研究了超大型鋼錠水冒口C、Mo元素偏析規(guī)律、組織形態(tài)、夾雜物等級，以找到改進工藝、提高鋼錠質(zhì)量的方法。

231 t鋼錠；水冒口；解剖；偏析

大型鋼錠凝固過程中發(fā)生的組織形態(tài)變化、夾雜物、成分偏析等問題嚴重影響著大型鍛件的力學性能，并且難以直接觀察。國外冶金行業(yè)大發(fā)展的重要原因之一就是堅持不斷的對大型鋼錠及鍛件進行解剖分析，研究其內(nèi)部質(zhì)量以改進煉鋼、鍛造及熱處理工藝。我國在鋼錠解剖方面研究較少，尤其是大型鋼錠的解剖數(shù)據(jù)，大型鋼錠成分偏析研究結(jié)果等技術(shù)更是難以獲得。雖然也有不少學者利用數(shù)值模擬的方法對大型鋼錠凝固過程進行了預測，并且在一定領域取得了很好的效果，但很多結(jié)果尚待進一步驗證。

為詳細了解大型鋼錠的凝固組織形態(tài)、夾雜物等級、元素偏析規(guī)律，優(yōu)化大型鋼錠冶煉澆注工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對231 t鋼錠水冒口進行解剖取樣分析，研究水冒口元素偏析規(guī)律、組織形態(tài)、夾雜物類型等方面內(nèi)容，以優(yōu)化大型鋼錠冶煉澆注工藝。

1 鋼錠的冶煉和澆注

表1所示為231 t大型鋼錠參數(shù)。冶煉澆注鋼水總量為234.9 t，采用80 t電弧爐粗煉鋼水，150 t鋼包精煉爐精煉和在線真空脫氣處理，采用兩包合澆的方式經(jīng)中間包真空澆注231 t鋼錠。為了減少元素偏析，第一包鋼水成分調(diào)整為標準成分中上限，第二包鋼水成分調(diào)整為標準成分中下限，鋼水標準成分及熔煉平均成分如表2所示。

2 鋼錠水冒口解剖

為了不影響鋼錠正常使用，本次只對大鋼錠水冒口進行解剖試驗。先用氣割法制取試樣毛坯，切除熱影響區(qū)后將試樣毛坯刨平，加工后試樣厚度為20 mm。最后將試片切割確定成分取樣位置。由于鋼錠的宏觀偏析是軸對稱分布的，因此選取試片一半做化學成分分析，成分分析試樣采用套鉆取樣，套料直徑20 mm，取樣行列間隔均為100 mm。

表1 231 t鋼錠參數(shù)表Table 1 Parameters of 231 t steel ingot

表2 鋼水化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical composition of molten steel (mass fraction,%)

加工后試樣試驗面的光潔度應符合要求，熱酸洗試樣后觀察試樣的顯微組織和低倍組織缺陷(疏松、偏析、縮孔、裂紋、夾雜等)。將取下的試樣在砂輪上磨平，用直讀光譜儀逐個分析每個試樣的化學成分，并分別分析水冒口處C、Mo元素偏析情況。另外，進行金相試樣的制備(防止拋光面被污染、夾雜物剝落)，并對拋光面上的夾雜物按評級標準進行描述、劃出其分布及形態(tài)，判定夾雜物的類型(包括塑性、脆性、點狀不變形等夾雜物類型)，并分析夾雜物在水冒口處的分布情況。最后，腐蝕金相試樣，進行金相組織觀察并拍照，觀察從邊緣到中心的金相組織分布情況。

3 解剖結(jié)果分析

3.1 化學成分分析

圖1和圖2所示為冒口部位取樣位置及C、Mo含量隨與外壁距離增大的變化情況?？梢钥闯觯翱诓课籆含量由外壁至中心在不同高度沿徑向不斷增加，距離鋼錠中心部位越近，碳含量越高。從冒口下部至上部在不同半徑處，C含量從下到上不斷增加，冒口中心上部C含量最高。從邊緣到半徑的中點，C元素偏析不大，從冒口半徑的中點到中心偏析迅速增加。Mo含量由外壁至中心在不同高度沿徑向不斷增加，距離鋼錠中心部位越近，Mo含量越高。從冒口下部至上部在不同半徑處，Mo含量變化不大，冒口中心上部Mo含量最高。從邊緣到半徑的中點，Mo元素偏析不大。從冒口半徑的中點到冒口中心，偏析迅速增加。

圖3和圖4所示為水口部位取樣位置及C、Mo含量隨與外壁距離增大的變化曲線?？芍诓糠植煌叨壬希瑥耐獗谥林行牟课籆含量整體變化不大，基本都在工藝要求范圍之內(nèi)。Mo含量在不同高度處，從水口外壁至中心沿徑向呈下降趨勢。在不同半徑處Mo含量從水口下部至上部沿軸向呈下降趨勢，中心部位上部Mo含量最低。

圖1 冒口取樣位置及對應C含量隨與外壁距離變化曲線Figure1 Sampling location of the riser and the curve of the corresponding C content changed with its distance to the outer wall of the riser

圖2 冒口取樣位置及對應Mo含量隨與外壁距離變化曲線Figure2 Sampling location of the riser and the curve of the corresponding Mo content changed with its distance to the outer wall of the riser

圖3 水口取樣位置及對應C含量隨與外壁距離變化曲線Figure3 Sampling location of the head and the curve of the corresponding C content changed with its distance to the outer wall of the riser

圖4 水口取樣位置及對應Mo含量隨與外壁距離變化曲線Figure4 Sampling location of the head and the curve of the corresponding Mo content changed with its distance to the outer wall of the riser

表3 231 t鋼錠冒口夾雜物Table 3 Inclusions of 231 t steel ingot riser

3.2 夾雜物分析

表3所示為鋼錠冒口夾雜物評級結(jié)果。A、B 、C類夾雜物評級較低，均在0.5級，尺寸較小。D類夾雜物評級粗系和細系較高，分別為2.0級和1.5級，說明點狀夾雜物較多，顆粒尺寸較大。Ds類夾雜物評級較高，最高為2.5級，說明球狀夾雜物直徑較大。夾雜物評級照片如圖5所示。

3.3 組織分析

鋼錠冒口端區(qū)域組織不均勻，存在組織偏析及較嚴重的混晶現(xiàn)象。一個視場上，最大晶粒達2級，最細晶粒8級以上。在一些偏析區(qū)域及邊緣冷卻速度較快的區(qū)域有部分貝氏體組織生成(圖6、圖7)。其他大部分區(qū)域金相組織主要為：鐵素體+珠光體，組織均勻細小(圖8、圖9、圖10、圖11)。

3.4 低倍分析

圖12和圖13所示分別為鋼錠冒口和水口低倍處理照片?？梢?，大鋼錠冒口部位條狀偏析嚴重，未發(fā)現(xiàn)縮孔缺陷，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見夾雜及其它冶金缺陷。水口邊緣到中心依次為邊緣等軸細晶帶、柱狀晶帶、中心等軸粗晶帶。 等軸晶帶、柱狀晶帶都以樹枝晶方式生長，存在枝晶偏析和晶間偏析。鋼錠外緣及內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)縮孔、白點、裂紋等不允許存在的缺陷。

圖5 冒口夾雜物評級照片F(xiàn)igure 5 Riser inclusions rating photos

圖6 試樣E21金相組織(500×)Figure 6 Microstructure of specimen E21

圖7 試樣E87偏析和混晶(100×)Figure 7 Segregation and mixed crystal of specimen E87

圖8 試樣E81金相組織(100×)Figure 8 Microstructure of specimen E81

圖9 試樣E84金相組織(100×)Figure 9 Microstructure of specimen E84

圖10 試樣E141金相組織(100×)Figure 10 Microstructure of specimen E141

圖11 試樣E144金相組織(100×)Figure 11 Microstructure of specimen E144

圖12 冒口低倍照片F(xiàn)igure 12 Macrograph of riser

圖13 水口低倍照片F(xiàn)igure 13 Macrograph of head

4 結(jié)論

(1)鋼錠冒口端C、Mo元素存在少量負偏析，在不同高度處沿徑向由邊緣至中心含量不斷增加，距離鋼錠中心部位越近，偏析程度越高。冒口中心上部C、Mo含量最高。鋼錠水口C、Mo元素含量變化不大，中心上部存在負偏析，邊緣及下部存在少量正偏析。鋼錠凝固會產(chǎn)生正偏析區(qū)和負偏析區(qū)。正偏析區(qū)位于鋼錠上部及冒口部位，偏析較為嚴重。負偏析區(qū)位于鋼錠下部及水口部位，偏析較為輕微。需要調(diào)整澆注溫度改善正、負偏析。

(2)鋼錠冒口部位無縮孔，表明鋼錠冒口保溫條件良好，冒口補縮良好，但冒口縱截面存在較嚴重的條狀偏析。水口部位質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)缺陷。需要調(diào)整各包澆注溫度進行改善。

編輯 杜青泉

Research on Anatomical Experiment for Water Riser of 231 t Super Large Ingot

XinXueqian,XieQuansheng,LiangXianshu,WeiYajun

Anatomical experiment is carried out for water riser of 231 t steel ingot, and C, Mo segregation laws for water riser of super large ingot, organization form, inclusion level are researched to find a improved process and improve the quality of ingot.

231 t steel ingot；water riser；anatomy；segregation

2013—11—07

辛雪倩(1986—)，女，碩士研究生，主要從事特殊鋼冶煉澆注工藝技術(shù)研究。

TF771

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