船用碳錳鋼鍛件近表面密集性缺陷分析

(石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004)

我公司生產(chǎn)的碳錳鋼船用鍛件是以粗加工狀態(tài)交貨，在超聲檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)近表面存在缺陷。針對(duì)此問題，公司組織煉鋼廠、鍛造廠技術(shù)人員做了大量分析、改進(jìn)及跟蹤標(biāo)定工作，包括提高鋼水純凈度，強(qiáng)化中間包清理，調(diào)整中間包過熱度，優(yōu)化鍛造工藝等一系列措施，取得了一定效果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)中間包過熱度的控制是影響此問題的一個(gè)關(guān)鍵因素，在相同中間包耐材、相同鋼水質(zhì)量水平條件下，隨過熱度的提高，廢品率降低。

1 生產(chǎn)過程

生產(chǎn)流程：電爐/轉(zhuǎn)爐→LF→VD，軟吹后，鋼水注入中間包，鋼水量達(dá)到要求后，中間包塞棒開啟，鋼水經(jīng)導(dǎo)流管進(jìn)入真空室中的鋼錠模中，實(shí)施VC澆注。澆注后鋼錠達(dá)到工藝脫模時(shí)間進(jìn)行脫模紅送鍛造廠，鍛造廠經(jīng)加熱、鍛造、熱處理形成鍛件毛坯，轉(zhuǎn)冷加工廠進(jìn)行機(jī)加工，機(jī)加光面后進(jìn)行360°超聲檢測(cè)。

2 生產(chǎn)過程調(diào)查

將某一時(shí)間段生產(chǎn)的12個(gè)爐號(hào)21支鍛件作為分析對(duì)象，分冶煉、澆注過程兩部分進(jìn)行分析，以便確定中間包過熱度對(duì)檢測(cè)合格率的影響。

2.1 冶煉過程

熔煉后出鋼、精煉、真空脫氣及軟吹幾個(gè)環(huán)節(jié)的具體執(zhí)行情況見表1。

從表1可見，除精煉部分時(shí)間偏長外，其它未見異常，分析認(rèn)為冶煉部分不是影響檢測(cè)不合格的主要原因。

2.2 澆注過程

真空澆注過熱度、澆注時(shí)間等因素的影響見表2。

表1 冶煉部分工藝參數(shù)執(zhí)行情況Table 1 Operation situation of smelting process parameters

表2 VC澆注工藝參數(shù)執(zhí)行情況Table 2 Operation situation of VC process parameters

從表2可以看出，VC中間包過熱度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響，檢測(cè)合格的中間包過熱度明顯高些。

真空澆注采用1爐鋼水澆注1個(gè)VC鋼錠還是采取快換中間包生產(chǎn)2個(gè)VC鋼錠，不同生產(chǎn)方式的影響見表3。

表3 快換中間包與單支鋼錠生產(chǎn)方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響Table 3 Effects of quick-change middle ladle and single ingot production manner on detection results

由表3可見，采取快換中間包生產(chǎn)的第2支鋼錠，檢測(cè)合格率遠(yuǎn)低于同爐鋼水澆注的第1支鋼錠，出現(xiàn)此問題的主要原因是澆注第2支鋼錠時(shí)過熱度偏低。

2.3 中間包內(nèi)襯耐材情況

中間包內(nèi)襯耐材采用的都是葉臘石。

3 檢驗(yàn)

選擇超聲檢測(cè)不合格的40Mn-C中間軸，所取的試樣(距表面22 mm)存在?2 mm～?3 mm當(dāng)量密集性缺陷，具體檢驗(yàn)內(nèi)容如下。

3.1 低倍檢驗(yàn)

對(duì)來料進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，低倍檢驗(yàn)結(jié)果按GB/T 1979—2001評(píng)級(jí)圖評(píng)定結(jié)果為：一般疏松1.0級(jí)，中心疏松2.0級(jí)，錠型偏析0.5級(jí)，未見異常，具體形貌見圖1。

圖1 低倍整體形貌圖Figure 1 Macroscopic morphology of section

3.2 高倍觀察

采用超聲檢測(cè)標(biāo)定取樣部位，對(duì)定位后的試樣進(jìn)行缺陷查找，查找后制備高倍試樣，觀察發(fā)現(xiàn)密集型缺陷為分布密集的非硫化物類夾雜物，長度在2～3 mm左右，具體形貌見圖2。

3.3 SEM觀察和能譜測(cè)定

圖2 高倍觀察缺陷形貌Figure 2 Microscopic morphology of defects

圖3 夾雜物形態(tài)和成分譜圖Figure 3 Microstructure of inclusion and component spectrum

對(duì)高倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的夾雜物進(jìn)行SEM觀察和能譜成分測(cè)定，夾雜物SEM形貌及能譜成分見圖3。由此可知，夾雜物是以Si、Al、Mn、Ca為主的復(fù)合類夾雜物。

4 原因分析

碳錳鋼船件化學(xué)成分主要是C和Mn，其中Mn含量控制范圍在1.25%～1.50%，真空澆注中間包內(nèi)襯葉臘石主要成分SiO2占35%～45%，Al2O3占30%～40%，SiC≤8%。鋼液中的Mn對(duì)中間包內(nèi)襯耐材中的SiO2有還原作用，使耐材內(nèi)的SiO2渣化，生成MnO-Al2O3-SiO2系的熔渣，反應(yīng)后的熔渣及沖刷掉的耐材一部分熔成大滴并能迅速浮到液面，一部分留在鋼內(nèi)，而在鑄錠末期或在鋼結(jié)晶時(shí)離開耐材形成的夾雜來不及上浮，聚集在鋼錠內(nèi)，成為硅酸鹽夾雜物。

硅酸鹽夾雜物形成后能否及時(shí)上浮，與形成時(shí)鋼液過熱度有關(guān)。鋼水過熱較高時(shí)，鋼水的粘度低，流動(dòng)性好，形成的夾雜物有更多時(shí)間聚集、長大，進(jìn)而上浮去除。過熱度越高，上浮去除越充分。反之，當(dāng)鋼水過熱度較低時(shí)，鋼水的粘度高，流動(dòng)性差，形成的雜物來不及向內(nèi)向上推進(jìn)，即被凝固前沿捕捉，距離鋼錠表面近。這些夾雜物影響了鋼的連續(xù)性能，極有可能成為后續(xù)熱加工開裂的誘因。當(dāng)然從有利于凝固角度看，應(yīng)降低過熱度，盡可能減少選分結(jié)晶的機(jī)會(huì)，減輕偏析程度。因此，適當(dāng)?shù)母哌^熱度是合適的，不能一味追求更高的過熱度。

同時(shí)，我們注意到能譜檢測(cè)出了Ca和Mg元素，量較少。Ca主要來源于煉鋼鈣處理，鋼包襯主要為鎂質(zhì)。當(dāng)Ca進(jìn)入到鋼中，與鋼中Mg形成鈣鎂鋁酸鹽夾雜物。當(dāng)這些夾雜物遇到硅酸鋁夾雜物時(shí)，聚集成較大的復(fù)合型夾雜物。因此，減輕夾雜物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布也是尤為重要的。鋼水純凈度的好壞，也是重要的影響因素之一。

5 結(jié)論

經(jīng)過生產(chǎn)過程的系統(tǒng)排查，并通過高倍觀察及SEM形貌及能譜分析，確定在現(xiàn)有中間包耐材條件下，中間包過熱度偏低影響夾雜物上浮是造成船用碳錳鋼鍛件近表面密集性缺陷的一個(gè)主要因素。當(dāng)然，鋼水純凈度、鍛造工藝因素也不能忽視。在能滿足鍛件船規(guī)要求的前提下，采用下注鋼錠代替經(jīng)中間包澆注的VC鋼錠，經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，可有效解決碳錳鋼鍛件近表面缺陷問題。必須采用VC鋼錠的，在中間包耐材一定情況下，合理控制中間包過熱度是解決該問題的一項(xiàng)有效措施。

通過采取提高過熱度等措施后，VC錠船用鍛件超聲檢測(cè)合格率由2014年的57%提高到2015年的95%以上，效果顯著。