S304308大型不銹鋼鋼錠下注工藝的技術(shù)開發(fā)

候艷華 敦 杰 張巨鵬 湯仕洋

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司，遼寧110142)

S304308大型不銹鋼鋼錠下注工藝的技術(shù)開發(fā)

候艷華 敦 杰 張巨鵬 湯仕洋

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司，遼寧110142)

介紹了30 t的S304308大型不銹鋼鋼錠的錠型設(shè)計、冶煉工藝、澆注工藝和試生產(chǎn)過程，并對鋼錠成品的各項理化指標(biāo)進行了檢驗分析。結(jié)果表明：采用EBT→LF→VD→IC氬氣保護下注工藝，可以生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)良的大型不銹鋼鋼錠。

S304308不銹鋼；大型鋼錠；冶煉工藝；澆注工藝

S304308奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9)是不銹鋼的主體鋼種，其產(chǎn)量占不銹鋼總產(chǎn)量的30%以上，在奧氏體不銹鋼中的產(chǎn)量份額達80%。具有耐腐蝕、塑性高、加工成型性好、耐高溫等優(yōu)異性能，是使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的不銹鋼鋼種。常用于制造石油化工設(shè)備的各種換熱器，耐高溫、耐腐蝕的閥體，核島內(nèi)的核電主管道等。

S304308大型不銹鋼鋼錠是鍛造生產(chǎn)大型不銹鋼鍛件必不可少的原料，比如大型換熱器管板用30 t以上鋼錠，核電主管道用60 t以上鋼錠，質(zhì)量要求很高，驗收標(biāo)準(zhǔn)很嚴(yán)。大型鋼錠的凝固過程與小型鋼錠有著本質(zhì)區(qū)別，所以，其鋼錠錠型的設(shè)計以及冶煉、澆注工藝的制定與質(zhì)量要求不甚嚴(yán)格的小鋼錠相比將是完全不同。

大型鋼錠由于尺寸大，鋼錠凝固時間延長，鋼錠的凝固過程有以下三個顯著特點：

(2)在鋼錠柱狀晶區(qū)結(jié)束結(jié)晶后，錠心開始結(jié)晶出小晶體，這些小晶體熔點高、雜質(zhì)少、比重大，開始向鋼錠底部沉積，形成結(jié)晶雨，裹挾著被柱狀晶推到前沿的粗大非金屬夾雜物，匯聚到此區(qū)域，形成化學(xué)成分的負(fù)偏析區(qū)和粗大非金屬夾雜物的聚集區(qū)，因而，這部分鋼錠的冶金質(zhì)量能否通過無損檢測就非常重要。

(3)鋼錠上部是最后凝固區(qū)，是易偏析元素的正偏析區(qū)，另外有害元素P、S，雜質(zhì)元素As、Sb、Sn的偏析度都很大，在這里正偏析富集，造成鋼錠上部局部區(qū)域塑性和韌性指標(biāo)嚴(yán)重下降。

大型鋼錠生產(chǎn)，業(yè)界普遍采用上注真空澆注中間包塞棒吹氬(MSD-Ar)工藝。真空澆注上注鋼錠有如下幾項優(yōu)點：

(1)鋼水在注入鋼錠模的過程中，鋼水流被氬氣打碎成1 mm～5 mm的小滴，小滴中非金屬夾雜物容易被鋼水的表面張力排擠到小滴的表面，小滴很細小，下落時不能扎入很深的鋼水內(nèi)部，只是在鋼水表面造成活躍沸騰，給非金屬夾雜物以上浮托力，將夾雜物排除。

(2)鋼錠上注可以快速澆注，注速可以達到(5～7)t/min，可以降低澆注溫度，從而減少偏析、中心疏松、殘余縮孔等缺陷。

(3)鋼錠真空澆注上注，熱中心區(qū)始終在鋼錠的上部，鋼錠從下至上順序凝固。破空后，鋼錠表面快速加入發(fā)熱劑，可以長時間保持冒口溫度，減少鋼錠頂面結(jié)晶雨的下落，縮小鋼錠底部的沉積區(qū)。還有利于冒口良好收縮，凹坑變淺。

(4)真空澆注可以將[H]脫至1.5×10-6以下，將[O]脫至15×10-6以下，[N]脫至50×10-6以下。

我公司現(xiàn)在還沒有建設(shè)真空室，如果在非真空狀態(tài)下，用上注法生產(chǎn)，由于S304308鋼Cr含量高，鋼液在鋼錠模內(nèi)上升過程中，鋼液表面極易造成嚴(yán)重的二次氧化，形成厚的氧化膜，惡化鋼錠表面質(zhì)量，所以只能采用下注工藝。國內(nèi)下注大型鋼錠，還沒有成功的經(jīng)驗。國外最大下注鋼錠已經(jīng)達到了108 t(德國)，這給我公司下注大型鋼錠的開發(fā)提供了借鑒。

第三個7天內(nèi)漏服超過12小時：方案一，補服、繼續(xù)正常服用，吃夠21片后不停藥，直接進入下一周期；方案二，直接停藥，7天后進入下一周期。

S304308不銹鋼大型鋼錠采用下注法生產(chǎn)，質(zhì)量上要達到真空上注鋼錠的水平，生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)難度非常大。為增強公司新產(chǎn)品的研發(fā)能力，研究用下注法生產(chǎn)30 t以上各種不銹鋼鋼錠的生產(chǎn)制造工藝是非常必要的。

1 錠型設(shè)計

通過ProCAST有限元模擬分析軟件，對30 t不銹鋼鋼錠凝固過程進行了數(shù)值模擬，預(yù)判了鋼錠縮松、縮孔、宏觀偏析等鑄造缺陷出現(xiàn)的位置，通過優(yōu)化澆注工藝，來獲得無鑄造缺陷的優(yōu)質(zhì)不銹鋼鋼錠。

1.1 研究基本內(nèi)容

研究30 t大型不銹鋼鋼錠凝固特點，采用ProCAST有限元模擬分析軟件，設(shè)定S304308不銹鋼(30 t)的初始條件和邊界條件，建立30 t鋼錠充型和凝固過程的模擬計算模型，基于該模型分析澆注溫度、澆注速度、冒口絕熱性能對縮孔的影響，得出30 t大型不銹鋼鋼錠凝固過程中各時間段的溫度場分布圖，確定出鋼錠模冒口、錠身、錠尾等各部位結(jié)構(gòu)尺寸和最優(yōu)澆注工藝參數(shù)。

1.2 錠型參數(shù)

鋼錠錠型為30 t，錠身尺寸D1、D2分別為1 264 mm、1 185 mm。鋼錠示意圖見圖1。

2 冶煉工藝

2.1 S304308鋼化學(xué)成分調(diào)整

為了保證S304308奧氏體不銹鋼性能指標(biāo)合格，調(diào)整其合金元素含量，嚴(yán)格控制關(guān)鍵元素的成分范圍，制定了廠內(nèi)的成分內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。擴大奧氏體區(qū)元素Mn按上限控制，以防止出現(xiàn)α相鐵素體。添加Nb元素防止晶界處出現(xiàn)貧鉻而產(chǎn)生晶間腐蝕。

圖1 鋼錠示意圖Figure 1 The sketch of ingot

S304308鋼化學(xué)成分見表1。

2.2 工藝流程

工藝流程為：EBT爐初煉→LF爐精煉→VOD真空脫碳→LF爐再加熱→VD真空脫氣→IC氬氣保護下注。

2.3 冶煉工藝制定

2.3.1 EBT電爐冶煉

EBT電爐冶煉工藝見圖2。

2.3.2 LF爐精煉

LF爐精煉工藝見圖3。

2.3.3 VOD爐真空脫碳

VOD爐真空脫碳工藝見圖4。

2.3.4 LF再加熱

LF再加熱工藝見圖5。

2.3.5 VD真空脫氣

VD真空脫氣工藝見圖6。

3 澆注工藝

S304308不銹鋼含有大量的Cr元素，鋼水粘度很大，而且Cr元素在鋼水表面極易被空氣氧化，在模內(nèi)上升的鋼水液面上產(chǎn)生氧化膜。如果氧化膜表面被鋼水沖破，并卷入鋼水，極易造成鋼錠表面結(jié)疤、重皮等缺陷。

表1 S304308鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of S304308 steel (mass fraction, %)

圖2 EBT電爐冶煉工藝Figure 2 EBT electric furnace smelting process

圖3 LF爐精煉工藝Figure 3 LF refining process

圖4 VOD爐真空脫碳工藝Figure 4 VOD vacuum deoxidation process

圖5 LF再加熱工藝Figure 5 LF reheating process

圖6 VD真空脫氣工藝Figure 6 VD vacuum degassing process

應(yīng)用注流氬氣保護澆注，鋼錠模、中注管內(nèi)澆注前充氬氣驅(qū)散空氣，并在鋼錠模上口和中注管上口蓋鐵板等措施，保證與鋼水接觸的O含量<5%，極大減少注流鋼水的二次氧化。澆注鋼錠時在錠模內(nèi)鋼水液面上分三次配加低碳保護渣，避免了鋼水液面裸露，通過以上措施完全杜絕了鋼水液面上氧化膜的形成，確保了鋼錠的順利澆注。

澆注工藝要點如下：

(1)鋼熔點1 460℃，澆注溫度1 550℃，過熱度80～90℃。

(2)澆注速度：錠身≥25 min，冒口≥8 min。

(3)澆注系統(tǒng)精選二級高鋁磚，用鋼絲刷清潔干凈并預(yù)熱。

(4)鋼錠模使用前一定要清理干凈，尤其是模子上的粘附物。

(5)引流鋼水300 kg以上，要全流引流，以便引流砂全部引凈。

表2 S304308鋼成品化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The product chemical composition analysis results of S304308 steel (mass fraction, %)

(6)采取氬氣保護澆注，澆注前2 min膜內(nèi)充氬。

(7)要求使用低碳保護渣，要干燥良好。不允許成袋加入，必須分散加入。

4 工藝實施

2014年6月試澆注1支30 t的S304308不銹鋼鋼錠。由于S304308鋼Cr含量高達18%，硬化指數(shù)較大，錠型周徑尺寸較粗，為避免冷卻過程中冷卻速度較快產(chǎn)生熱應(yīng)力而導(dǎo)致鋼錠裂紋，鋼錠進行了熱退火處理后出廠。合格的鋼錠交付用戶后，經(jīng)過鍛造加工，鍛件超聲檢測全部合格。后期又生產(chǎn)了3支30 t的S304308不銹鋼鋼錠，鋼錠質(zhì)量良好，沒有表面和內(nèi)在等缺陷，試驗生產(chǎn)取得成功。

5 質(zhì)量檢驗

經(jīng)過二次LF爐精煉，二次真空處理，鋼水成分、溫度更均勻，H、O、S含量低，非金屬夾雜物少，鋼水潔凈度高。表2為S304308鋼成品化學(xué)成分分析結(jié)果。

采用EBT→LF→VOD→LF→VD→IC(大氣下注+Ar保護)工藝，生產(chǎn)的不銹鋼鋼錠質(zhì)量好，合格率高，鍛件品質(zhì)優(yōu)良，超聲檢測合格率100%。

6 結(jié)論

(1)采用EBT→LF→VOD→LF→VD工藝冶煉，鋼水成分均勻，H、O、S含量低，夾雜物少，鋼水潔凈度高，與IC(大氣下注+Ar保護)澆注工藝配套，是生產(chǎn)大型不銹鋼鋼錠的重要途徑。試驗生產(chǎn)的30 t的S304308不銹鋼大型鋼錠，成功地鍛造出大型換熱器管板，質(zhì)量完全合格。

(2)生產(chǎn)30 t的S304308不銹鋼鋼錠，必須制定科學(xué)合理的生產(chǎn)工藝，確定各項工藝參數(shù)，在技術(shù)準(zhǔn)備和生產(chǎn)工作中嚴(yán)格按工藝貫徹執(zhí)行。經(jīng)過多次生產(chǎn)試驗，總結(jié)出了該項產(chǎn)品的操作要點，為大型無缺陷不銹鋼鋼錠生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗。

編輯 杜青泉

Technology Development of Bottom Pouring Process for S304308 Heavy Stainless Steel Ingot

Hou Yanhua, Guo Jie, Zhang Jupeng, Tang Shiyang

The ingot case design, the smelting process, the pouring process and the trial production procedure of 30t S304308 heavy stainless steel ingot have been introduced. Meanwhile, the various physical and chemical characters of ingot have been examined and analyzed. The results show that by using EBT→LF→VD→IC bottom pouring process with argon protection, the heavy stainless steel ingot with good quality can be manufactured.

S304308 stainless steel; heavy ingot; smelting process; pouring process

2016—09—01

TF111

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