高性能彈體用鋼質(zhì)量研究以及軋制實踐

供稿|王海峰，肖洋 / WANG Hai-feng, XIAO Yang

作者單位：本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠，遼寧 本溪 117000

50SiMn是由本鋼特鋼自主設(shè)計的全連鑄工藝，一直是本鋼的優(yōu)勢特鋼產(chǎn)品，曾經(jīng)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。十九大閉幕后，六大“鋼需”亮點振奮人心，本著“以銷定產(chǎn)”的經(jīng)營理念以及“鋼需”方向，對高性能彈體用鋼50SiMn進行產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化以及品種規(guī)格升級。生產(chǎn)高性能彈體用鋼能夠發(fā)揮本鋼鐵礦資源和轉(zhuǎn)爐、電爐冶煉系統(tǒng)的優(yōu)勢，充分發(fā)揮軋機能力[1]。通過對圓鋼孔型系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了一條孔型系統(tǒng)共線軋制方鋼與圓鋼產(chǎn)品，成功開發(fā)了105 mm×105 mm高破片率高性能彈體用方鋼50SiMn。

生產(chǎn)工藝研究

生產(chǎn)工藝流程

50 t EBT電弧爐→50 t LF爐→50 t VD真空脫氣→235 mm×265mm合金鋼連鑄機→軋制成材→矯直→精整修磨→檢驗→包裝→入庫。

化學(xué)成分

高性能彈體用鋼50SiMn要求較高的致密度、鋼質(zhì)純凈度和力學(xué)性能。由于含C量較高且含一定的B，因此淬透性較高，對白點較敏感，易出裂紋、過熱等缺陷。碳含量增加，珠光體的數(shù)量也隨之增加，使鋼的強度以及硬度均得到提高，塑性韌性下降，以保證破片的質(zhì)量光滑鋒利。破片率高的品種鋼一般要求Si控制在1%~3%，Mn控制在1%~2%(表1)。而Si＞1.2%，Mn＞1.0%均使鋼的延伸率和沖擊值下降，影響破片效果。同時Mn還促進晶粒長大。隨著含硼的增加，晶界析出網(wǎng)狀硼化物，韌性降低，使鋼的脆性增加“硼脆”，一般控制在0.002%~0.006%，可以達到高破片率。

冶煉工藝

保證鋼液的純凈度，電爐冶煉控制精料比≥70%，確保鋼水中較低的殘余元素含量，為有效地減少鋼中氣體含量，所用材料全部烘烤后入爐。全程采用泡沫渣操作，通過快速氧化脫碳，保證良好的氧化沸騰。精煉過程采用高堿度精煉渣造渣方式，采用定量加入的形式，在規(guī)定的處理時間內(nèi)加入造渣材料，將鋼水頂渣改質(zhì)成具有極大脫硫能力和吸附夾雜能力的預(yù)熔性白渣。保證真空壓力，真空度100 Pa以下保持15 min以上，控制好H含量。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

連鑄工藝

連鑄工藝參數(shù)直接影響鑄坯的內(nèi)在質(zhì)量和外部質(zhì)量，最終影響產(chǎn)品的性能。高性能彈體用鋼對鋼材致密度要求極高，鋼材100%進行超聲波檢驗，采用靈敏度 f2.0 mm當量平底孔徑，另外此鋼由于其合金成分裂紋敏感性較高，坯料易產(chǎn)生角裂，為解決坯料問題，投入末端電磁攪拌降低鑄坯偏析；“三恒規(guī)定：恒拉速、恒液位、恒溫度”，提高鑄坯表面質(zhì)量；在生產(chǎn)過程中控制過熱度20~25℃，拉速0.80 m/min；上澆次結(jié)束后嚴格檢查結(jié)晶器、二冷段的設(shè)備狀態(tài)和檢查噴嘴狀態(tài)，保證鑄坯冷卻均勻；保證生產(chǎn)過程中二次冷卻均勻，結(jié)晶器、二冷段對弧精度；銅管內(nèi)壁一側(cè)角部鍍層磨損高度不大于400 mm；提高生產(chǎn)過程二冷水霧化效果，定期對濁環(huán)反沖洗過濾器進行清洗，保證濁環(huán)水質(zhì)；提高噴嘴噴水情況的檢查頻次，生產(chǎn)前、中、后逐一對噴嘴進行檢查，保證下次生產(chǎn)前所有噴嘴達到最佳噴水狀態(tài)，提高二冷霧化效果。圖1是優(yōu)化前后鑄坯斷面質(zhì)量對比。

圖1 鑄坯質(zhì)量對比

加熱爐工藝

充分利用本鋼蓄熱式燒嘴步進梁式加熱爐的設(shè)備能力，采用計算機數(shù)模控制，坯料受熱均勻，溫度控制精度高，鑄坯整體溫差可控制在30℃之間。保證加熱爐狀況良好，注意控制加熱溫度，由于鋼種導(dǎo)熱性差，Si含量較高，易出氧化鐵皮，鋼材表面要求較高，加熱工藝按操作要點執(zhí)行，出爐溫度1170~1230℃，從根本上避免了坯料表面缺陷的出現(xiàn)。

軋制工藝

特鋼廠800連軋產(chǎn)線的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝孔型布置，箱型孔→箱型孔→箱型孔→橢圓孔→圓→橢圓→圓孔型系統(tǒng)生產(chǎn)圓斷面鋼材。105 mm×105 mm方鋼孔型系統(tǒng)設(shè)計是在原橢圓孔機架和圓孔機架組成的機架組基礎(chǔ)上進行計算設(shè)計，采用軋線生產(chǎn)的圓鋼為來料+大圓角菱形孔+方孔過渡孔型進行方鋼軋制生產(chǎn)。

圓形軋件進入大圓角菱形孔時，延伸系數(shù)在1.22~1.35范圍內(nèi)，同時要保證圓形軋件直徑必須在133~137 mm范圍，這樣可保證圓形軋件在大圓角菱形孔內(nèi)成型。因此，軋制105mm×105 mm方鋼可以實現(xiàn)與 f135 mm圓鋼共線軋制，新設(shè)計“大圓角菱形孔+方型孔”方孔型銜接在軋制 f135 mm圓鋼孔型系統(tǒng)之后， f135 mm圓鋼成品孔型做105 mm×105 mm方鋼的成前第三孔。

BOX1-1(V1箱型孔)—BOX2-1(H2箱型孔)—BOX3-2(V3箱型孔)—ODR4-1(H4橢圓孔)—R5-1(過渡孔)—ODR6-2(橢圓孔)—FR7-3(f160成品圓孔) —ODR8-3(橢圓孔)—FR9-5(f135成品圓孔)—RH10-1(特制菱形孔)—FF11-1(□105成品方孔)。工藝孔型系統(tǒng)圖見圖2所示。

圖2 105 mm×105 mm孔型示意圖

823產(chǎn)品質(zhì)量

化學(xué)成分

本鋼特鋼采用電爐冶煉，硫含量0.001%，磷含量0.01%，有害殘余元素鎳、銅控制在0.01%，鋼材化學(xué)成分均勻，組織致密，有較好的等向性和純凈度。通過精確控制化學(xué)成分及其均勻性保證鋼的強韌度要求。

非金屬夾雜

按GB/T 10561檢驗，以A類或C類夾雜物(粗系或細系)的評定結(jié)果作為“塑性夾雜物”的結(jié)果，并按其中較嚴重者判定；以B類夾雜物(粗系或細系)的評定結(jié)果作為“脆性夾雜物”的結(jié)果，并按較嚴重者判定，見表2。

表2 50SiMn非金屬夾雜物

宏觀組織

鋼材橫截面酸浸低倍組織試片無肉眼可見縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點等缺陷，□105 mm規(guī)格的823鋼的宏觀組織評級結(jié)果見表3。

表3 105 mm×105mm宏觀組織

力學(xué)性能指標

高性能炮彈用鋼50SiMn，各項指標(見表4)均優(yōu)于普通的彈體用鋼，彈體材料強度越高，彈壁還可相應(yīng)減薄，裝填系數(shù)即可增大。材質(zhì)有一定的脆性，有利于形成較多的光滑鋒利的破片，當然要有一定的塑性以確保彈藥在運輸、發(fā)射時的安全性。

表4 50SiMn鋼力學(xué)性能

圖3 823鋼顯微組織圖

顯微組織

從顯微組織圖(圖3)可以清晰看出大量的網(wǎng)狀析出物，大量的網(wǎng)狀析出物有利于破片，提高破片率。

尺寸精度

50SiMn鋼105 mm×105 mm方鋼尺寸控制良好，生產(chǎn)過程只需更換兩架軋機，平均節(jié)約作業(yè)時間5 h，同時鋼材表面質(zhì)量良好，角部無折疊等缺陷，見表5。同時實現(xiàn)圓鋼和方鋼共線孔型系統(tǒng)生產(chǎn)， f135 mm圓鋼尺寸滿足GB/T 702—2008Ⅰ組(±1.2 mm)。

表5 □105mm截面尺寸

結(jié)束語

(1) 通過鑄工藝以及過程參數(shù)優(yōu)化，提高了鑄坯致密度，降低了鑄坯偏析，解決了鑄坯角裂問題，235 mm×265 mm電爐冶煉中方坯軋制105 mm×105 mm，在壓縮比不足的情況下，鋼材超聲波探傷合格率100%。

攝影 賈大庸

(2) 通過對原橢圓孔機架和圓孔機架組成的機架組基礎(chǔ)上進行設(shè)計計算，采用軋線生產(chǎn)的圓鋼為來料+大圓角菱形孔+方型孔過渡孔型進行方鋼軋制生產(chǎn)，成功軋制105 mm×105 mm高性能彈體用方鋼，尺寸控制良好，生產(chǎn)過程只需更換兩架軋機，平均節(jié)約作業(yè)時間5 h，同時軋制鋼材表面質(zhì)量良好，角部無折疊等缺陷。