Mn13鋼種的凝固特性研究及連鑄工藝實(shí)踐

元鵬飛，李忠利

（山西太原不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠，山西 太原 030003）

奧氏體高錳鋼是由Robert Hadfield先生在1882年發(fā)明的，它具有高強(qiáng)度、高韌性、高延伸率、無(wú)磁性、出色的耐磨性以及使用過(guò)程冷作硬化等性能[1-2]。以Mn13為典型代表的高錳耐磨鋼已在造船、汽車、機(jī)械、發(fā)電、水泥、礦山、煤炭等行業(yè)普遍使用，并廣泛應(yīng)用于拋丸機(jī)、球磨機(jī)、粉碎機(jī)、保險(xiǎn)柜、防彈車等易被強(qiáng)沖擊磨損的機(jī)械部位。

當(dāng)鋼中w（Mn）＞12%時(shí)柱狀晶發(fā)達(dá)，有形成粗晶和裂紋傾向[3]。目前國(guó)內(nèi)主要采用模鑄工藝生產(chǎn)Mn13鑄件或鋼錠，最后軋制成材。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[4]，目前僅寶鋼于2009年建成投產(chǎn)的1臺(tái)立式連鑄機(jī)可以生產(chǎn)Mn13連鑄坯，除此之外暫無(wú)立彎式連鑄機(jī)生產(chǎn)Mn13連鑄坯的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。采用立彎式連鑄機(jī)生產(chǎn)Mn13鑄件，因鑄坯在進(jìn)入弧形段和矯直段時(shí)變形應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，控制不當(dāng)則會(huì)使鑄坯產(chǎn)生通長(zhǎng)縱裂缺陷。

本文通過(guò)研究Mn13鋼種凝固特性，分析連鑄工藝難點(diǎn)，制定改進(jìn)措施，成功開(kāi)發(fā)出立彎式連鑄機(jī)生產(chǎn)Mn13鋼種的工藝技術(shù)。

1 Mn13生產(chǎn)情況

1.1 Mn13鋼種成分

Mn13鋼種成分如表1所示。由表可知，Mn13主要成分包括碳和錳。高錳鋼中的碳主要有兩個(gè)作用，一是有利于形成單相奧氏體組織；二是固溶強(qiáng)化。含碳量增加，強(qiáng)度硬度增加，塑性及韌性降低。錳是穩(wěn)定奧氏體的元素，錳量增加，高錳鋼的強(qiáng)度、塑性及沖擊韌度均提高。碳和錳達(dá)到一定含量時(shí)，可獲得單一的奧氏體組織，可以得到較好的強(qiáng)韌匹配，同時(shí)可提高高錳鋼的耐磨性。

表1 Mn13鋼種成分 %

1.2 連鑄機(jī)型

生產(chǎn)Mn13鋼種的連鑄機(jī)為奧鋼聯(lián)1機(jī)1流連鑄機(jī)，鑄坯斷面規(guī)格為220 mm×1 260 mm，拉速為0.7~1.0 m/min。結(jié)晶器采用組合式銅板結(jié)晶器，銅板內(nèi)嵌三排熱電偶可進(jìn)行黏結(jié)漏鋼檢測(cè)。結(jié)晶器振動(dòng)為液壓式振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正弦或非正弦振動(dòng)工藝。扇形段包括1個(gè)彎曲段、5個(gè)弧形段、2個(gè)矯直段和4個(gè)水平段，且具備動(dòng)態(tài)輕壓下功能。二次冷卻采用氣水冷卻方式，具備邊部幅切功能。

1.3 Mn13連鑄生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

Mn13連鑄生產(chǎn)初期主要存在鑄坯表面縱裂、鑄坯中心偏析、開(kāi)澆頭坯黏結(jié)、封頂尾坯撕裂等問(wèn)題。Mn13鑄坯內(nèi)弧存在的通長(zhǎng)縱裂紋缺陷（見(jiàn)下頁(yè)圖1）寬度約15 mm，深度約20 mm。縱裂會(huì)造成鑄坯整爐判廢，成材率不到50%。由于縱裂發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)晶器內(nèi)熱電偶曲線紊亂、摩擦力異常升高，采取降低拉速、控制過(guò)熱度、優(yōu)化水口插入深度和減弱一冷水工藝等措施，依然無(wú)法從根本解決該問(wèn)題。其次，Mn13容易在連鑄開(kāi)澆階段的拉矯機(jī)起動(dòng)時(shí)發(fā)生結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼黏結(jié)問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成黏結(jié)漏鋼事故（見(jiàn)下頁(yè)圖2）。由于Mn13具備高碳鋼鋼種特性，在尾坯封頂時(shí)液芯不易凝固補(bǔ)縮，易造成低拉速時(shí)間長(zhǎng)，從而導(dǎo)致坯尾在進(jìn)入弧形段后發(fā)生角部坯殼被輥?zhàn)铀毫褑?wèn)題（見(jiàn)下頁(yè)圖3）。除此之外，Mn13連鑄坯在凝固過(guò)程中，碳化物沿晶界析出，在鑄坯中心還存在嚴(yán)重碳偏析，導(dǎo)致軋后分層不合。

圖1 內(nèi)弧通長(zhǎng)縱裂

圖2 開(kāi)澆起步黏結(jié)

圖3 尾坯封頂?shù)羧?/p>

2 Mn13鋼種凝固特性研究

2.1 凝固相變研究

Mn13屬于高碳高錳鋼種，圖4為w（Mn）=13%的Fe-Mn-C三元合金相圖[5]，圖5為w（C）=1%的Fe-Mn-C凝固過(guò)程中相組織變化[5]。

圖4 w（Mn）=13%的Fe-Mn-C三元合金相圖

圖5 w（C）=1%的Fe-Mn-C凝固組織變化

由圖4和圖5可知：Mn13鋼種的凝固過(guò)程是單一的奧氏體相晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)伴隨著碳化物在晶界析出的過(guò)程。一方面，該鋼種凝固組織中柱狀晶發(fā)達(dá)，晶粒粗大；另一方面，由于連鑄凝固是快速的非平衡凝固過(guò)程，由此導(dǎo)致沿晶界的碳化物偏析非常嚴(yán)重；同時(shí)Mn13具備高碳鋼鋼種特性，其高溫強(qiáng)度低、凝固收縮大，導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼極易發(fā)生厚薄不均勻問(wèn)題。綜上因素導(dǎo)致了Mn13鋼種強(qiáng)烈的縱裂傾向[6]。

2.2 凝固速率研究

某公司進(jìn)行了Mn13鋼種的模注試驗(yàn)：鑄造一個(gè)邊長(zhǎng)為300 mm的立方體鑄模；在冒口和鑄件中放置熱電偶，以記錄鑄件不同位置凝固溫度變化曲線（見(jiàn)圖6）。由圖6可知：澆注完成后的8 min內(nèi)，型腔溫度幾乎沒(méi)有變化；8~11.5 min，型腔溫度從1 425℃降至1 275℃，即每分鐘降溫43℃；12 min后，鑄件和冒口全部凝固。而碳鋼則需要60min才能完全凝固。

圖6 Mn13鑄錠凝固過(guò)程溫降趨勢(shì)

將Mn13鑄件縱向解剖并滲透探傷（見(jiàn)圖7）。由圖7可知，Mn13凝固收縮非常大，收縮率高達(dá)10%左右。

圖7 Mn13鑄錠縱向解剖

由試驗(yàn)可知：Mn13鋼水從澆注溫度冷卻到液相線溫度期間，鋼水過(guò)熱較大；而溫度降低到液相線以下時(shí)，其凝固速率非常快，凝固溫度范圍窄。

3 Mn13連鑄工藝控制措施及工藝要點(diǎn)

3.1 縱裂解決措施

針對(duì)Mn13鋼種縱裂問(wèn)題，主要通過(guò)優(yōu)化一冷、二冷及保護(hù)渣工藝解決。具體包括：降低一冷水量，減緩結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼厚度的不均勻性，減緩縱裂傾向；降低二冷水量，避免表面溫度過(guò)低，減小液芯和表面的溫度梯度，減緩縱裂傾向；優(yōu)化保護(hù)渣理化性能，提高保護(hù)渣堿度，以提高結(jié)晶器內(nèi)固態(tài)渣膜熱阻，控制傳熱[7]，降低保護(hù)渣黏度，增加Na2O、F-等助熔劑含量，保證充分的潤(rùn)滑，進(jìn)而從根本上解決鑄坯通長(zhǎng)縱裂問(wèn)題。保護(hù)渣工藝優(yōu)化情況如表2所示。

表2 Mn13專用保護(hù)渣工藝優(yōu)化

3.2 中心偏析及軋后分層解決措施

針對(duì)Mn13鑄坯中心偏析問(wèn)題，制定合理的電磁攪拌工藝和動(dòng)態(tài)輕壓下工藝，以減輕嚴(yán)重的中心碳偏析。電磁攪拌采用電流為400 A、頻率為5 Hz，15 s的換向工藝。優(yōu)化動(dòng)態(tài)輕壓下的壓下量工藝，糊狀區(qū)壓下量由常規(guī)品種鋼的1.9 mm增加至2.3 mm，較好地解決了鑄坯中心偏析及軋后分層問(wèn)題。

3.3 開(kāi)澆工藝要點(diǎn)

針對(duì)Mn13開(kāi)澆起步時(shí)鑄坯容易黏結(jié)問(wèn)題進(jìn)行分析：該鋼種澆注時(shí)溫度低，結(jié)晶器內(nèi)鋼水開(kāi)澆出苗過(guò)程中，由于保護(hù)渣來(lái)不及充分熔化并形成足夠液渣，導(dǎo)致坯殼潤(rùn)滑效果差，進(jìn)而造成黏結(jié)。針對(duì)此問(wèn)題采取以下工藝優(yōu)化措施：封堵引錠時(shí)減少冷料加入量，防止冷料吸熱降溫；開(kāi)澆時(shí)加入發(fā)熱型起注渣，提高彎月面處溫度，促進(jìn)保護(hù)渣熔化；在出苗過(guò)程中盡早加入保護(hù)渣，延長(zhǎng)保護(hù)渣熔化時(shí)間。

3.4 封頂工藝要點(diǎn)

針對(duì)Mn13封頂尾坯液芯不易凝固補(bǔ)縮、低拉速時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致尾坯過(guò)弧形段時(shí)受應(yīng)力作用，最終造成坯殼撕裂問(wèn)題，制定以下工藝改進(jìn)措施：封頂時(shí)將拉速由0.5 m/min急降至0.1 m/min，降速后在結(jié)晶器壁和坯殼之間打水冷卻，迅速將尾坯凝固，保證低拉速時(shí)間控制在3 min以內(nèi)，然后快升速將尾坯拉出鑄機(jī)。采取以上措施后，尾坯封頂效果良好，未發(fā)生尾坯撕裂或弓坯等問(wèn)題。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)Mn13鋼種凝固特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：Mn13鋼種凝固過(guò)程為單一奧氏體相，晶粒長(zhǎng)大容易粗化導(dǎo)致柱狀晶發(fā)達(dá)，同時(shí)伴隨碳化物在晶界析出，這是導(dǎo)致該鋼種縱裂敏感性強(qiáng)的主要原因。

2）通過(guò)優(yōu)化一冷、二冷和保護(hù)渣工藝，優(yōu)化保護(hù)渣理化性能，成功解決了縱裂問(wèn)題。

3）優(yōu)化動(dòng)態(tài)輕壓下的壓下量工藝，將糊狀區(qū)壓下量由常規(guī)品種鋼的1.9 mm增加至2.3 mm，較好地解決了鑄坯中心偏析及軋后分層問(wèn)題。

4）通過(guò)堵引錠時(shí)減少冷料加入量，開(kāi)澆時(shí)加入發(fā)熱型起注渣，并在出苗過(guò)程中盡早加入保護(hù)渣，減少了鑄坯黏結(jié)問(wèn)題。

5）封頂時(shí)將拉速由0.5 m/min急降至0.1 m/min，保證低拉速時(shí)間控制在3 min以內(nèi)，尾坯封頂取得了良好效果。