高性能均質(zhì)靶板用鋼的鋼錠凝固數(shù)值模擬與生產(chǎn)實踐

江成斌,張 豪

(寶武特種冶金有限公司,上海 200940)

高性能均質(zhì)靶板用鋼主要是特殊裝備使用的鋼種,屬亞共析鋼類的中合金結(jié)構(gòu)鋼,鋼種對材料的鍛制規(guī)格、化學(xué)成分、調(diào)質(zhì)機械性能以及非金屬夾雜物和晶粒度均有較高的要求。按照鋼種材料規(guī)格要求,采用模鑄20 t鋼錠生產(chǎn)。

國內(nèi)外冶金工作者對亞共析鋼類的中合金結(jié)構(gòu)鋼種模鑄大型鋼錠的凝固過程、工藝條件對鋼錠凝固缺陷的影響以及大型鋼錠內(nèi)部缺陷形成機理進行了研究和闡述。高性能均質(zhì)靶板用鋼作為優(yōu)質(zhì)合金鋼,是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上,適當?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素而制成的合金結(jié)構(gòu)鋼。相似成分鋼種用作要求高強度、高韌性、截面尺寸較大和較重要的調(diào)質(zhì)零件,如臥式鍛造機的傳動偏心軸、鍛壓機曲軸等[1]。李振彥等對55 t大型鍛造用鋼錠的凝固過程進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)大型鋼錠與模具之間的換熱系數(shù)過大或過小,均會使鋼錠產(chǎn)生嚴重的疏松和偏析缺陷,同時疏松缺陷在鋼錠中心軸向位置也會隨之發(fā)生改變。認為對于大型鋼錠而言,其凝固方式為鋼錠外側(cè)向中心的逐層凝固,鋼錠與模具之間的換熱系數(shù)的改變,影響鋼錠中心區(qū)域的凝固缺陷[2]。王珉針對Cr5合金鋼進行模擬和分析,發(fā)現(xiàn)在大型鋼錠的結(jié)晶過程中,由于結(jié)晶時要放出大量的結(jié)晶潛熱,同時鋼錠結(jié)晶時會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象導(dǎo)致體積縮小,從而使鋼錠與模壁之間出現(xiàn)空隙,降低了冷卻的速度和結(jié)晶的速度。此后粗大等軸晶區(qū)的逐漸形成,使結(jié)晶的分界面從表面推向中心,產(chǎn)生大型鋼錠的偏析區(qū)[3]。劉云和趙亞楠等采用數(shù)值模擬軟件,研究鋼錠模初始溫度和澆鑄溫度對70Cr3Mo鋼模鑄96 t鋼錠凝固過程的影響,研究表明:隨著鋼錠模初始溫度的提高,完全凝固時間逐漸延長,而鋼錠偏析區(qū)域隨著澆鑄溫度的升高而減小[4-5]。

綜上所述,現(xiàn)有亞共析鋼類的中合金結(jié)構(gòu)鋼的模鑄大型鋼錠研究,主要集中在鋼種成分和性能分析、模鑄數(shù)值模擬等方面,生產(chǎn)實踐研究較少。本文基于寶武特種冶金有限公司生產(chǎn)的高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠凝固過程的數(shù)值模擬,對高性能均質(zhì)靶板用鋼的模鑄鋼錠凝固過程進行了研究。

1 高性能均質(zhì)靶板用鋼技術(shù)要求和工藝流程

高性能均質(zhì)靶板用鋼的化學(xué)成分要求見表1。

表1 高性能均質(zhì)靶板用鋼化學(xué)成分要求

鋼種成分中鉻、鉬元素易于產(chǎn)生白點缺陷,因此在冶煉過程中做好原材料干燥,在精煉鋼液進行真空處理。根據(jù)鋼種技術(shù)要求,高性能均質(zhì)靶板用鋼采用的煉鋼工藝流程為:40 t EAF-LF-VD-模鑄20 t 鋼錠-鋼錠熱送鍛造開坯。

2 模鑄20 t鋼錠凝固過程數(shù)值模擬

基于高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的凝固過程,采用ProCAST鑄造模擬軟件進行數(shù)值模擬,分析其鋼錠內(nèi)部疏松和偏析缺陷分布區(qū)域。數(shù)值模擬采用模鑄大氣澆鑄,高性能均質(zhì)靶板用鋼的液相線溫度為1 492 ℃,固相線溫度為1 422 ℃,模擬鋼液的澆鑄溫度為1 555 ℃,采用絕熱板及發(fā)熱蓋板冒口保溫材料,鋼錠和鋼錠模冷卻方式為空冷,鋼錠模初始溫度為50 ℃,環(huán)境溫度為25 ℃。模鑄20 t鋼錠及其澆鑄系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模鑄20 t鋼錠的澆鑄系統(tǒng)

數(shù)值模擬所用的鋼液、鋼錠模、冒口絕熱板的基本物性參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬采用的物性參數(shù)

鋼錠同鋼錠模、冒口絕熱板的界面換熱系數(shù)見表3。

表3 各材料界面換熱系數(shù)

根據(jù)上述條件,數(shù)值模擬計算給出了20 t鋼錠凝固進程溫度場分布。鋼錠凝固從鋼液同鋼錠模接觸部位和底部開始,先凝固形成鋼錠坯殼,逐步向內(nèi)和向上凝固。圖2為20 t鋼錠在澆畢后10 h縱向軸對稱剖面的溫度場分布情況,在此時,受鋼液在四周金屬傳熱的作用下凝固,使鋼錠內(nèi)熔池的底部為V字形,狹長的凝固底部處的樹枝晶極易相互搭橋阻礙上方鋼液的向下補縮,進而在此區(qū)域形成疏松或偏析缺陷。固相線前沿已到達鋼錠冒口線上方,受冒口區(qū)域傳熱條件影響,鋼液溫度下降過快,甚至表面凝固,未凝固的鋼液逐漸向凝固收縮部分填充,產(chǎn)生縮孔。

圖2 鋼錠凝固過程溫度分布

本次數(shù)值模擬采用Niyama判據(jù)函數(shù)預(yù)測20 t鋼錠凝固疏松缺陷,宏觀疏松的臨界判據(jù)值取Niyama=10(K·s)0.5/cm,其判據(jù)函數(shù)表達式為式(1):

(1)

式中:G為局部溫度梯度;L為局部冷卻速度。當Niyama值小于等于臨界判據(jù)值時,認為鋼錠凝固疏松缺陷發(fā)生。

圖3為采用Niyama判據(jù)對20 t鋼錠凝固疏松位置預(yù)測的模擬結(jié)果,圖中接近或小于鋼錠疏松缺陷的臨界值區(qū)域在鋼錠的錠身中上部區(qū)域軸心位置。認為大型鍛造用鋼錠凝固后期,受鋼液通過鋼模的熱傳導(dǎo)降低影響,鋼液從外層向中心的凝固速度較慢,中心未凝固鋼液大部分集中于鋼錠的上部,使疏松區(qū)域集中于鋼錠上部,產(chǎn)生鋼錠軸向中心疏松缺陷。

圖3 鋼錠疏松判據(jù)模擬結(jié)果

3 生產(chǎn)實踐

3.1 生產(chǎn)驗證

生產(chǎn)現(xiàn)場試驗測量高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠在模鑄澆注完畢至鋼錠起吊階段的鋼錠模外壁溫度,如圖4所示。由圖4可知,冷卻時間0～240 min時為鋼液向鋼錠模熱傳導(dǎo),此階段鋼錠模外壁溫度呈急速上升趨勢;冷卻時間360 min時鋼錠模外壁溫度達到峰值;其后冷卻時間至960 min為鋼液同鋼錠模熱傳導(dǎo)達到平衡,并由鋼錠模向外部環(huán)境散熱,此階段鋼錠模外壁溫度呈緩慢下降趨勢。冷卻時間240～480 min時20 t鋼錠模中上部(圖4中950～2 250 mm)存在鋼錠模外壁溫度500 ℃以上的高溫度區(qū),推算20 t鋼錠中上部溫度約700 ℃左右;其后冷卻時間540～960 min時中上部鋼錠模外壁溫度為400 ℃以上,外壁溫度趨勢顯示冷卻速度慢。下部(圖4中130～600 mm)鋼錠模外壁溫度顯示該部位冷卻速度快,組織致密。生產(chǎn)試驗發(fā)現(xiàn)的鋼錠模外壁高溫區(qū)縱向位置同前述數(shù)值模擬試驗結(jié)果一致,該部位凝固速度減慢、柱狀晶區(qū)發(fā)達,增加了軸向疏松缺陷的形成可能性。

圖4 鋼錠模外壁溫度和冷卻時間的關(guān)系

3.2 控制方法

數(shù)值模擬和生產(chǎn)驗證發(fā)現(xiàn)20 t鋼錠內(nèi)部存在疏松缺陷。在鋼錠軸心部位的疏松稱為中心疏松。當鋼液在錠模內(nèi)凝固收縮時,如果上部未凝固鋼水不能有效地補充給下部,就會造成中心部分組織不致密。其產(chǎn)生原因主要是鋼錠模錐度不夠,保溫冒補注不良或注溫過高等所造成[6]。合理制定以下控制方法,從優(yōu)化模鑄鋼液溫度和鋼錠冒口保溫著手抑制鋼錠內(nèi)部疏松缺陷產(chǎn)生。

(1)控制模鑄過熱度。為確保高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠質(zhì)量,降低20 t鋼錠軸向中心疏松缺陷,采用合適的模鑄過熱度控制,即模鑄過熱度應(yīng)高于液相線的某一溫度進行澆鑄,保證鋼液有足夠的流動性,防止過熱加劇凝固收縮傾向和抑制中心疏松發(fā)展,高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的中心疏松缺陷同模鑄過熱度呈正比,因此高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的模鑄過熱度由60～70 K降低至50～60 K。

(2)添加冒口發(fā)熱劑。生產(chǎn)操作中一般在鋼錠澆至冒口或澆鑄完畢后,立即加入冒口保溫材料。冒口保溫材料在鋼錠頂部液面產(chǎn)生放熱反應(yīng),可以起到對鋼錠上部保溫作用,使鋼錠上部溫度下降緩慢,在凝固過程中,保證鋼錠上部鋼水能夠充分填入錠身,以防止鋼錠冒口部分鋼水溫度下降過快,甚至表面凝固,鋼錠的錠身部分得不到很好的補縮,就會產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷。高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠使用的發(fā)熱蓋板冒口保溫材料發(fā)熱量為1 500～1 800 cal/g(1 cal=4.186 8 J),經(jīng)優(yōu)選使用發(fā)熱量為1 900～2 500 cal/g的冒口發(fā)熱劑替代絕熱板冒口保溫材料,改善高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠在凝固過程中冒口部位鋼液流動性,以減少鋼錠中心疏松缺陷。

將模擬鋼液的澆鑄溫度1 545 ℃、冒口發(fā)熱劑參數(shù)和前述模鑄20 t鋼錠凝固過程數(shù)值模擬條件及各材料物性參數(shù)進行數(shù)值模擬驗證。采用Niyama判據(jù)對高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的模擬結(jié)果見圖5。改善后鋼錠冒口收縮平整,鋼錠疏松位置依然位于鋼錠中上部,但疏松區(qū)域和Niyama值較圖3有明顯改善。模擬鋼錠的疏松區(qū)域更為細長,小于10(K·s)0.5/cm的疏松間斷分散在鋼錠內(nèi)部,這類疏松缺陷在鋼錠鍛造加工過程中通過適當?shù)腻懺毂饶軌蚝负?不會對材料的內(nèi)在質(zhì)量造成影響。

圖5 改善后鋼錠疏松判據(jù)模擬結(jié)果

3.3 生產(chǎn)效果

采用上述控制方法,在生產(chǎn)中,通過采用控制模鑄過熱度和添加冒口發(fā)熱劑方法,高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的質(zhì)量缺陷得到有效改善,其鍛造后材料探傷質(zhì)量得到保障。寶武特種冶金有限公司電爐廠于2019年生產(chǎn)高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的鍛造成品規(guī)格尺寸為220 mm×1 200 mm×1 500 mm,按鍛軋鋼棒超聲檢驗方法標準(GB/T4162—2008)對鍛造成品采用φ2.0 mm平底孔逐支進行探傷,其探傷合格率為100%。鍛材按缺陷酸蝕檢驗法(GB/T 266—1991)酸浸的橫截面低倍組織,見圖6。經(jīng)檢測一般疏松為1.0級,中心疏松為1.0級,材料內(nèi)部質(zhì)量良好。

圖6 鍛材的低倍組織

4 結(jié)論

(1)高性能均質(zhì)靶板用鋼采用的煉鋼工藝流程為:40 t EAF-LF-VD-模鑄20 t 鋼錠-鋼錠熱送鍛造加熱。

(2)高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠凝固過程數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),在鋼錠中上部區(qū)域的軸心位置存在疏松缺陷。數(shù)值模擬疏松缺陷在鋼錠軸向中心位置同生產(chǎn)現(xiàn)場試驗測量鋼錠模外壁高溫區(qū)位置一致。

(3)通過優(yōu)化控制模鑄過熱度和使用冒口發(fā)熱劑的方法,高性能均質(zhì)靶板用鋼模鑄20 t鋼錠的疏松缺陷得到有效控制,確保了20 t鋼錠內(nèi)部質(zhì)量,其鍛造后探傷質(zhì)量良好。