百噸級支承輥大型鋼錠澆鑄工藝實(shí)踐與研究

竇立英(馬鋼重型機(jī)械設(shè)備制造公司　安徽馬鞍山　243000)

百噸級支承輥大型鋼錠澆鑄工藝實(shí)踐與研究

竇立英(馬鋼重型機(jī)械設(shè)備制造公司安徽馬鞍山243000)

摘要：支承輥應(yīng)具備以下性能：(1)高的抗接觸疲勞強(qiáng)度和抗剝落性；(2)足夠的硬度和耐磨性；(3)足夠的硬化層和過渡層深度；(4)良好的冶金質(zhì)量保證使用可靠性。這些冶金質(zhì)量主要包括控制穩(wěn)定的化學(xué)成分、低含量的殘余元素、極低含量的氣體、較低的夾雜物含量和良好的夾雜物類型、優(yōu)良的鑄錠表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大型鋼錠；下注法；模具

作為大型冷軋板軋機(jī)的關(guān)鍵零部件之一的大型軋輥，在滿足我國高端冶金裝備需求方面起到至關(guān)重要的作用，因此對大型軋輥的質(zhì)量和需求量也提出了迫切需求。此外，國內(nèi)電力、船舶、石化等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有力地推動(dòng)了中國大型鑄鍛件行業(yè)的增長，為大型鑄鍛件行業(yè)提供了廣闊的市場空間。

為此，馬鋼抓住市場機(jī)遇發(fā)展大型鍛造及其軋輥制造業(yè)，挺進(jìn)國內(nèi)外冶金裝備制造市場，與美國聯(lián)合電鋼公司(UES)合資興建的大型鍛件及支承輥生產(chǎn)線，并于2009年底全面建成投產(chǎn)。一期大型鍛造設(shè)計(jì)能力35000 t鍛件，其中17000 t供支承輥，18000為其它鍛件，設(shè)計(jì)需求大型鋼錠50000 t，對應(yīng)鋼水52500 t；二期大型鍛造設(shè)計(jì)能力70000 t鍛件，年需大型鋼錠100000 t。鍛鋼支承輥用鋼錠材質(zhì)以DH3Cr和5CrMo高鉻鉬合金鋼為主；普通鍛件材質(zhì)以低合金結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼為主。8000t油壓機(jī)鍛造對鋼錠規(guī)格需求在25 t-136 t，其中60 t以上的占91.3%。該產(chǎn)線鍛造設(shè)備及其能力大、鍛件大型化、軋輥大型化，對鍛造原料的要求之一是鋼錠大型化，其中86 t-136 t級別的大型鋼錠所占比例很大，達(dá)87.8%。

1試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)工藝流程：120tEAF+110t LF+ 95tVD-IC

鋼錠規(guī)格： 鋼錠上口直徑3400，高度3200。

鋼種：5CrMo、DH3Cr

熔煉控制要求見表1

表1　化學(xué)成份控制表

2關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

下注法澆鑄大型鋼錠的工藝技術(shù)開發(fā)

關(guān)鍵點(diǎn)1：鋼錠模具、湯道磚及保溫板的設(shè)計(jì)開發(fā)

關(guān)鍵點(diǎn)2：下注法澆鑄工藝技術(shù)

2.1鋼錠模具的設(shè)計(jì)開發(fā)

目前，國內(nèi)多數(shù)廠家采用下注法澆注60 t以下級別的鋼錠，而對于60 t級以上的鋼錠則采用上注法。為了獲得更好的鋼錠表面質(zhì)量，馬鋼全部采用下注法澆鑄。模具的設(shè)計(jì)以保證鋼錠質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)兼顧產(chǎn)出的鋼錠重量級別具有較廣的覆蓋面和便于現(xiàn)場使用的運(yùn)行管理。為此，采用“帽模一體”的思想設(shè)計(jì)了8套涵蓋從30 t-136 t級別的鋼錠模具。以T-86模具為例(如圖1所示)，該模具可澆鑄79.22t-94.68t區(qū)間的大型鋼錠。

采用大型鋼錠本體與帽口一體式模具設(shè)計(jì)，不再另作保溫帽，改變了以往單套模具只能生產(chǎn)重量恒定的鋼錠產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了單套模具可以生產(chǎn)多種重量規(guī)格的鋼錠產(chǎn)品，既節(jié)約了模具開發(fā)費(fèi)用，也節(jié)省了模具擺放場地，提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。此外，還可以減少鍛造前對鋼錠頭部的切除量，提高了鋼錠整體利用率。實(shí)踐證明，采用無帽口鋼錠的鋼錠利用率提高10%左右，具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，容易得到鍛造用戶的認(rèn)可。

2.2湯道磚尾磚的設(shè)計(jì)開發(fā)

在下注法澆鑄工藝中，傳統(tǒng)的湯道磚多為粘土磚，內(nèi)徑為50mm，但這種耐火磚的承受壓力有限，不適合澆鑄大型鋼錠。澆鑄過程中因巨大的鋼水靜壓力使耐火磚爆裂造成跑鋼事故。有些企業(yè)采用莫來石材質(zhì)的耐火磚替代粘土磚，但成本較高，并且由于鋼錠模底部是由兩塊磚組裝而成的，其間的縫隙容易跑鋼，未能徹底解決問題。

針對上述問題，馬鋼在充分調(diào)研和模擬論證基礎(chǔ)上，采取了如下技術(shù)措施：

(1)擴(kuò)大內(nèi)徑。將耐火磚的內(nèi)徑由?50mm擴(kuò)大到?70~90mm。一方面可以提高鋼水的流動(dòng)性，另一方面又可減少鋼水對耐火磚產(chǎn)生的靜壓力。

(2)改進(jìn)湯道磚尾磚設(shè)計(jì)。將上水口磚由通常的兩塊磚組裝改為整體的一塊磚來完成，即采用T型設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是所述的“T”形尾磚由水平段磚體和豎向段磚體垂直設(shè)置成倒“T”形結(jié)合整體，內(nèi)部腔體互相連接貫通；水平段磚體一端封閉，一端與湯道磚公母口連接；豎向段磚體上端與鋼錠模具連接。如圖2所示。

由漏斗磚、注管磚、多角位磚、湯道磚和“T”型尾磚連接組成完整的鋼液流動(dòng)通道，優(yōu)點(diǎn)是消除了流鋼尾磚與模底磚的連接縫隙，增強(qiáng)了磚體抗鋼液靜壓的能力，避免連接縫隙炸裂、跑鋼事故的發(fā)生，提高澆注成功率和成品率，降低了消耗和成本，有利于安全生產(chǎn)。

3大型鋼錠凝固過程的數(shù)值模擬及其應(yīng)用

采用Procast數(shù)值模擬軟件對大型鋼錠凝固過程進(jìn)行模擬，研究澆鑄溫度、速度及鑄型對縮孔的影響，提出工藝改進(jìn)方案，達(dá)到減少大鋼錠澆鑄過程中產(chǎn)生縮孔、縮松的目的。

3.1數(shù)學(xué)模型的建立及網(wǎng)格劃分

鋼錠澆鑄模型如圖3所示。由于模鑄澆鑄過程影響因素很多，且該模型不具有對稱性，選擇全模型作為計(jì)算域。采用Meshcast模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成四面體網(wǎng)格，如圖4所示。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果和分析

(1)澆鑄過程溫度場

澆鑄過程溫度場模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，溫度梯度平滑，溫度變化均勻。

(2)縮孔、縮松情況

Nyiama(新山英輔)縮孔、縮松判據(jù)：

式中：M-Nyiama判定系數(shù)；G -溫度梯度；Rc-冷卻速度。

Nyiama(新山英輔)縮孔、縮松判據(jù)認(rèn)為，M≥1是鑄鋼件中不產(chǎn)生中心線縮孔的臨界值。因此，本項(xiàng)目采用此判據(jù)來判定鋼錠內(nèi)部是否產(chǎn)生縮孔、縮松，結(jié)果表明鋼錠內(nèi)部還存在M<1的區(qū)域，存在產(chǎn)生縮孔或縮松，如圖6所示。

從圖6可以看出：縮孔、縮松主要集中在鑄錠中心部位，且向上延伸到冒口。由于在鍛造加工前，鋼錠的冒口部位是要被切除的，為此，我們希望鋼錠內(nèi)部縮孔、縮松體積小且盡可能的集中在冒口部位，從而減小縮松、縮孔帶來的影響。通過數(shù)值模擬，確定了鋼錠模、湯道磚重新設(shè)計(jì)優(yōu)化以及發(fā)熱板溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)方向，進(jìn)而優(yōu)化澆鑄工藝。

3.3大鋼錠的澆鑄工藝技術(shù)

軋輥用鋼錠的澆鑄全部采用下注法。在澆鑄速度、澆鑄溫度、保溫時(shí)間等直接影響鋼錠質(zhì)量的因素，重點(diǎn)關(guān)注以下問題：

(1)水口內(nèi)徑。

在水口的選用上必須保證鋼水在模內(nèi)能夠平穩(wěn)的上升，因此水口內(nèi)徑不能太小。但也不能太大，否則，會(huì)造成模內(nèi)鋼水的上升過快，影響鋼錠的收縮和補(bǔ)注，容易造成鋼錠表面裂紋和帽口縮孔等質(zhì)量缺陷。

通過現(xiàn)場優(yōu)化試驗(yàn)，可以根據(jù)鋼錠重量規(guī)格，選用內(nèi)徑為?70-90 mm的水口，保持澆鑄速度在75 mm/min-200 mm/min范圍內(nèi)，可以有效杜絕上述問題的發(fā)生。

(2)澆鑄溫度。

澆鑄溫度過高不僅影響鋼錠表面質(zhì)量和帽口收縮，還會(huì)增加對鑄管磚和湯道磚的侵蝕與沖刷，進(jìn)而使得鋼錠內(nèi)部夾雜物的增多，影響鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。澆鑄溫度過低，鋼水流動(dòng)性變差，容易產(chǎn)生澆鑄時(shí)水口結(jié)瘤、鋼水在模內(nèi)上升困難等問題。澆鑄溫度區(qū)間由下式確定：

T澆鑄=T液+T過熱

式中T澆鑄-開澆時(shí)鋼液溫度；T液-鋼種的液相線溫度；T過熱-澆鑄過熱度

(3)鋼錠模澆鑄保護(hù)渣的使用

澆鑄期間在鋼錠上升金屬表面添加保護(hù)渣，能夠有助于控制金屬表面，阻止鋼水漣漪對鋼錠表面質(zhì)量的影響。此外，它也能夠延長鋼錠模使用時(shí)間。

在澆鑄前用鋼筋把裝有保護(hù)渣的紙袋懸掛在鋼錠模里一定高度的地方。當(dāng)鋼水上升到規(guī)定位置時(shí)，保護(hù)渣紙袋燃燒并釋放出保護(hù)渣。保護(hù)渣的使用量與鋼錠模直徑成正比。

(4)發(fā)熱劑的使用。為得到質(zhì)量較好的大型鋼錠，在鋼錠澆鑄結(jié)束時(shí)按照噸鋼加入1 kg-3 kg的發(fā)熱劑，并在澆注結(jié)束后1 h時(shí)加入一定量的帽口覆蓋劑，確保帽口的凝固收縮以滿足鋼錠產(chǎn)品需要。

(5)鋼錠脫模時(shí)間的確定。大鋼錠的脫模時(shí)間需要綜合考慮鋼水凝固過程和鍛造紅送兩方面的要求，脫模時(shí)間詳見表2。

表2　鋼錠脫模時(shí)間

大型鋼錠的內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量要求很高，內(nèi)部縮孔、澆鑄過程中因鋼水巨大靜壓力而使耐火磚爆裂造成跑鋼事故的問題都是技術(shù)難點(diǎn)。馬鋼從模具工裝、T型磚的設(shè)計(jì)、發(fā)熱板的開發(fā)、利用數(shù)值模擬的手段優(yōu)化澆鑄工藝等方面，研究完成整套澆鑄工藝技術(shù)，保證了軋輥用鋼錠，尤其是86 t級別以上的大型鋼錠的穩(wěn)定批量生產(chǎn)。

4應(yīng)用情況

圍繞“轉(zhuǎn)爐-氬站-LF精煉-VD真空精煉-大型鋼錠澆鑄”工藝路線，通過工業(yè)化試驗(yàn)，完成了支承輥用鋼脫氧工藝、精煉渣系及脫氣工藝研究，提出支承輥用鋼的夾雜物控制技術(shù)及工藝措施，制訂了支承輥用大鋼錠的冶煉澆鑄工藝操作要點(diǎn)，成功試制合格的DH3Cr、5CrMo支承輥用鋼，首次澆鑄成功86噸級多角鋼錠，經(jīng)鍛造生產(chǎn)出合格的冷軋支承輥輥坯銷往美國。

2010年以來，通過開展一系列工藝突破和技術(shù)創(chuàng)新，成功解決了鋼中氣體含量、鋼中夾雜物及鋼錠縮孔疏松等問題，掌握了支承輥大型鋼錠用鋼的純凈度及鋼錠質(zhì)量控制的關(guān)鍵控制技術(shù)，成功應(yīng)用于馬鋼重型軋輥生產(chǎn)線。此外，馬鋼公司在2011年新建了大型超高功率電爐生產(chǎn)線，項(xiàng)目組把爐外精煉及其大鋼錠澆鑄技術(shù)移植到該生產(chǎn)線大型軋輥用鋼錠的生產(chǎn)。

截至目前，馬鋼擁有冶煉、鑄造、鍛造、熱處理等先進(jìn)工藝裝備，已經(jīng)掌握了大型鋼錠的冶煉精煉和澆鑄技術(shù)、鍛鋼冷軋支承輥制造技術(shù)、大截面鍛造軋輥無損檢測綜合技術(shù)，具備為各種大型和現(xiàn)代化軋機(jī)成套提供軋輥產(chǎn)品的制造能力，現(xiàn)已形成了年產(chǎn)5萬t大型鋼錠、2萬t大型支承輥的規(guī)模能力。

通過本項(xiàng)目研究達(dá)到如下技術(shù)水平：

(1)鋼錠T.O控制在25ppm以內(nèi)，[H]含量控制在1.6 ppm以下，[N]含量控制在64ppm以下。T.O、[N]、[H]含量控制水表3。

表3　軋輥用鋼錠氣體含量檢測結(jié)果(N=199)，ppm

(2)軋輥全氧在21ppm以內(nèi)(最低可達(dá)10ppm)、B類夾雜物評級控制在0.5以內(nèi)，A+B+C+D四類夾雜物評級總和控制在2以內(nèi)。夾雜物控制見表4。

表4　軋輥產(chǎn)品非金屬夾雜物控制情況(N=170爐)

5結(jié)語

創(chuàng)新點(diǎn)1：采用下注法澆鑄86噸級別及其以上鋼錠的澆鑄工藝技術(shù)

馬鋼公司是國內(nèi)為數(shù)不多的采用下注法澆鑄86噸級別及其以上鋼錠的企業(yè)，開發(fā)了帽模一體模具、倒T型整體尾磚等相關(guān)工裝及澆鑄工藝技術(shù)，解決澆鑄過程中因鋼水巨大靜壓力而使耐火磚爆裂造成跑鋼事故的問題，實(shí)現(xiàn)大型鋼錠的順利澆鑄。這些措施的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、合理；操作安全、可靠；一模多用，減少模具數(shù)量，減少開模費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本；發(fā)熱板的使用使帽口段鋼液能長時(shí)間保持液態(tài)，對帽口收縮有利，較好解決鋼錠頭部縮孔，提高了鋼錠質(zhì)量和成品率。擁有實(shí)用新型專利2項(xiàng)：

1)《澆注大型鋼錠用耐火磚》(專利號：ZL2009 20186573.2)；

2)《澆注大型鋼錠用帽模一體的模具》(專利號：CN201493453U)。

創(chuàng)新點(diǎn)2：無鋁脫氧工藝及B類夾雜物控制技術(shù)

自主設(shè)計(jì)夾雜物控制渣系、效果穩(wěn)定的無鋁脫氧工藝及B類夾雜物控制技術(shù)，滿足了DH3Cr、5CrMo等支承輥對夾雜物的要求。在該系列工藝條件下大型鋼錠T.O含量小于25 ppm(最低為10 ppm以下)，B類夾雜物評級0.5級以下。

創(chuàng)新點(diǎn)3： 自主開發(fā)了高合金鋼冶煉及澆鑄過程氫含量控制技術(shù)，并開發(fā)了鑄模內(nèi)氫樣取樣制備貯存分析技術(shù)。

開發(fā)了轉(zhuǎn)爐流程適合高合金鋼的冶煉及澆鑄特點(diǎn)的低氫含量控制技術(shù)，支承輥用鋼氫含量可穩(wěn)定控制在1.6 ppm以下。

自主開發(fā)的大型鋼錠模內(nèi)氫樣制備貯存分析技術(shù)，解決了傳統(tǒng)的取樣方法氫含量的代表性較差的問題，提高了鑄模內(nèi)鋼水氫含量試樣分析結(jié)果的可靠性。

創(chuàng)新點(diǎn)4：轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)高合金含量的大型軋輥用鋼成套技術(shù)

采用轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)高合金含量的大型軋輥用鋼，克服了脫磷、脫氫等方面的技術(shù)難題，開發(fā)了轉(zhuǎn)爐高效脫磷冶煉超低磷鋼技術(shù)、無鋁脫氧工藝獲得超低氧鋼技術(shù)、經(jīng)濟(jì)型大型鋼錠澆鑄技術(shù)，鋼中P低于0.010%、T.O小于25ppm(最低為10ppm以下)，并成功移植到電爐流程。

創(chuàng)新點(diǎn)5：開發(fā)了硫化物均勻析出的系統(tǒng)控制技術(shù)

根據(jù)支承輥用鋼的對硫含量的成分設(shè)計(jì)要求，開發(fā)了“渣洗脫硫+LF爐深脫硫”技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)超低硫控制；同時(shí)開發(fā)了窄范圍硫含量控制及硫化物形態(tài)控制技術(shù)，幾乎杜絕了Ⅱ型硫化錳和條狀MnS，降低氧化物夾雜的危害。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]金鐵成，于陽．電爐煉鋼新工藝、新技術(shù)與質(zhì)量控制使用手冊[M].北京：當(dāng)代中國音像出版社，2003

[2]王新江．現(xiàn)代電爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009

[3]齊衛(wèi)東．鑄造工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007

Practice and Research of Hundred-tons Ingot Pouring

for Large Back-up Rolls

DOU Li-ying

Abstract：Back-up rolls shall possess following characteristics: (1)High contact fatigue resistant strength and high anti-spalling property; (2) Sufficient hardness and wear-resistance; (3)Sufficient hardened and transition depth; (4) Good metallurgical quality for roll reliability. The metallurgical quality referes to stable chemistry, low residual elements, extra-low gas contents,low inclusives level and prefered inclusive type as well as good ingot surface and internal quality.

Key words：Large ingot；Bottom-pour method；Molds

作者簡介：竇立英(1980-)女，馬鋼重機(jī)公司鋼冶部，工程師。

收稿日期：2015-01-07

中圖分類號：TF775

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9994(2015)02-0015-05