模具鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)化實(shí)踐

田永久，于海岐，劉清海，崔福祥，方恩俊，呂志勇，黃巖

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品制造水平高低的重要標(biāo)志。隨著我國(guó)模具行業(yè)的迅速發(fā)展，模具鋼用量不斷增加，特別是大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽等技術(shù)含量高的模具比例逐年增大。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡(jiǎn)稱“鲅魚圈”）的寬厚板連鑄機(jī)自投產(chǎn)以來，逐步以生產(chǎn)300 mm×2 100 mm以上超寬、超厚規(guī)格連鑄坯為主，98%以上的連鑄坯直供5500 mm軋機(jī)，軋后缺陷平均發(fā)生率為0.58%，主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為船板鋼、管線鋼、橋梁鋼、容器鋼、模具鋼、核電鋼及止裂鋼等。盡管模具鋼產(chǎn)量占比僅為9.3%，但缺陷發(fā)生率明顯高于其他鋼種，主要為軋后鋼板內(nèi)部“硬芯”、“砂眼”缺陷，發(fā)生率達(dá)1%以上，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品整體質(zhì)量。為此，本研究針對(duì)模具鋼種的缺陷進(jìn)行系統(tǒng)分析，在對(duì)連鑄坯、軋材檢驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，制定了模具鋼內(nèi)部質(zhì)量控制技術(shù)，徹底消除軋材“硬芯”、“砂眼”缺陷，提高了模具鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

1 生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程

1.1 設(shè)備概況

鲅魚圈模具鋼連鑄坯生產(chǎn)設(shè)備概況為：3座260 t鐵水預(yù)處理裝置，3座260 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，2套260 t LF鋼包精煉爐，2套260 t RH真空脫氣爐，2臺(tái)1機(jī)2流1450板坯連鑄機(jī)，可生產(chǎn)規(guī)格為200 mm×（750～1 450 mm）的連鑄坯，1臺(tái)單流2300板坯連鑄機(jī)，可生產(chǎn)規(guī)格為300 mm×（1 550～2 300 mm）的連鑄坯，鑄機(jī)均采用 VAI公司的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)、液位自動(dòng)控制及二冷水自動(dòng)控制模型等控制系統(tǒng)。

1.2 工藝流程

模具鋼生產(chǎn)工藝流程如下：

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉 （LF→RH）→1450連鑄機(jī)澆鑄 （常規(guī)板坯）/2300連鑄機(jī)澆鑄（厚板坯）

1450連鑄機(jī)主要生產(chǎn)供薄規(guī)格模具鋼（成品厚度≤50 mm）的連鑄坯，產(chǎn)量相對(duì)較低，內(nèi)部質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定；2300連鑄機(jī)主要生產(chǎn)供厚規(guī)格模具鋼（成品厚度≥100 mm）的連鑄坯，如 45、50、熱塑模具鋼1.2311等。

2 內(nèi)部質(zhì)量影響因素分析

2.1 連鑄坯低倍檢驗(yàn)分析

隨機(jī)選取300 mm×2 300 mm規(guī)格模具鋼鑄坯做熱酸低倍檢測(cè)，鑄坯熱酸低倍缺陷形貌見圖1，鑄坯熱酸低倍評(píng)級(jí)結(jié)果見表1所示。

圖1 鑄坯熱酸低倍缺陷形貌Fig.1 Macrostructure Appearance of Defects in Casting Blanks after Pickling by Hot Acid

表1 鑄坯熱酸低倍評(píng)級(jí)結(jié)果Table 1 Macrostructure Rating Results of Casting Blanks after Pickling by Hot Acid

從圖1看出，連鑄坯中心偏析、中間裂紋嚴(yán)重；由表1看出，中間裂紋達(dá)到3.0級(jí)。經(jīng)測(cè)量，中間裂紋距離鑄坯內(nèi)弧表面40～90 mm。

為確定鑄坯熱酸低倍評(píng)級(jí)和鋼板內(nèi)部缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將以上鑄坯軋制為95 mm×2 300 mm規(guī)格鋼板，對(duì)鋼板取樣檢驗(yàn)，進(jìn)一步分析內(nèi)部組織形態(tài)的變化。

2.2 軋材檢驗(yàn)分析

按照普軋工藝軋制鋼板，并沿鋼板厚度方向采用機(jī)械切割觀察斷面質(zhì)量，如圖2所示。由圖2可見，鋼板厚度1/4位置肉眼可見一處“砂眼”缺陷。本研究對(duì)缺陷位置取全厚度試樣，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后觀察組織形貌。

圖2 鋼板斷口形貌及缺陷取樣Fig.2 Fracture Appearance of Steel Plates and Samples Taken at Defects

2.2.1 全厚度鋼板金相顯微鏡檢測(cè)

為了研究鋼板性能變化規(guī)律，對(duì)試樣的表面、厚度1/4、中心分別做金相顯微鏡及洛氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見圖3。由圖3（a）看出，表面組織較為細(xì)小均勻，為回火索氏體組織及碳化物，無偏析組織，測(cè)得洛氏硬度為 28 HRC；由圖 3（b）看出，厚度1/4位置組織為回火索氏體+回火馬氏體+碳化物，部分組織依然保留馬氏體位向關(guān)系，存在輕微偏析，測(cè)得洛氏硬度為32 HRC；由圖3（c）看出，芯部組織為回火索氏體+回火馬氏體+鐵素體，發(fā)現(xiàn)少量塊狀白亮偏析組織，測(cè)得洛氏硬度為44 HRC。

圖3 鋼板表面、厚度1/4和芯部組織金相顯微鏡及洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Microstructural Test Results of Steel Plate Surface,1/4 Thickness in Steel Plate and Center in Steel Plate Detected by Metallurgical Microscope and Rockwell Hardness Checking

此類鋼板基體組織要求洛氏硬度控制在28～36 HRC以內(nèi)，上述分析得知，鋼板表面及1/4位置滿足要求，芯部洛氏硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他位置且已超出標(biāo)準(zhǔn)要求，存在“硬芯”缺陷。

2.2.2 全厚度鋼板原位分析檢測(cè)

為確定偏析元素種類及分布，對(duì)鋼板厚度（95 mm）方向原位分析檢測(cè)，結(jié)果如圖4。由圖4看出，主要偏析元素為 C、P、Cr、Mn、Si，計(jì)算各元素偏析度 （最大值/平均值）順序?yàn)镻（3.76）>Cr（2.63）>Mn（2.10）>C（1.96）>Si（1.73）。

圖4 全厚度鋼板原位分析檢測(cè)結(jié)果Fig.4 In-situ Analysis Results of Steel Plate in Through Thickness

2.2.3鋼板缺陷金相顯微鏡檢測(cè)

為確定缺陷形成時(shí)機(jī)，測(cè)量“砂眼”缺陷位置,距離鋼板上表面20～40 mm截取缺陷試樣，對(duì)缺陷做金相顯微鏡檢驗(yàn)，缺陷拋光態(tài)組織和腐蝕態(tài)組織見圖5。由圖5（a）可以看出,在缺陷位置試樣內(nèi)可見一條主裂紋呈折線狀向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋尖端尖銳，部分裂紋內(nèi)存在脫碳層；由圖5（b）看出,試樣基體顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，缺陷處顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，與基體組織形態(tài)略有不同，存在一條裂紋。

圖5 缺陷拋光態(tài)組織和腐蝕態(tài)組織Fig.5 Microstructures of Defects in Polished State and Corroded State

綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼板“砂眼”缺陷同鑄坯中間裂紋位置一一對(duì)應(yīng)，可確定為鑄坯態(tài)產(chǎn)生的中間裂紋軋后遺傳導(dǎo)致。

3 工藝優(yōu)化及應(yīng)用效果

3.1 優(yōu)化鋼種成分

冶煉過程均按照低磷鋼標(biāo)準(zhǔn)控制P元素含量（≤0.015%）；對(duì)主要的易偏析元素Cr、Mn的成分進(jìn)行了兩次優(yōu)化，在滿足鋼種性能前提下逐步降低其含量，以抑制鑄坯中心偏析，成分優(yōu)化后鑄坯中心偏析情況見表2。

表2 成分優(yōu)化后鑄坯中心偏析情況Table 2 Situation on Central Segregation of Casting Blanks after Optimization of Compositions

3.2 優(yōu)化二冷配水比例

比水量由原來的0.63 m/h降低至0.38 m/h，采用弱冷方式，降低鑄坯寬度、長(zhǎng)度方向的溫度梯度，抑制中間裂紋產(chǎn)生。

3.3 優(yōu)化輥縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

輥縫偏差由原來的±1.0 mm提高至±0.5 mm以內(nèi)。通過提高輥?zhàn)佣押覆馁|(zhì)，避免在使用中出現(xiàn)輥面脫落；規(guī)范潤(rùn)滑系統(tǒng)及保護(hù)氣體檢驗(yàn)、使用標(biāo)準(zhǔn)；使用力矩扳手緊固螺栓，消除受力不均導(dǎo)致的間隙變化；清理扇形段各基準(zhǔn)面、水口、液壓管周圍，并做好防護(hù)。

圖6 為優(yōu)化前后輥縫及中間裂紋對(duì)比，由圖6可知，優(yōu)化后輥縫±0.5mm合格率由83%提高至96%，鑄坯中間裂紋≤1.0級(jí)合格率由77%提高至96%。

圖6 優(yōu)化前后輥縫及中間裂紋對(duì)比Fig.6 Comparison of Roll Gap and Intermediate Cracks before and after Optimization

采取上述優(yōu)化工藝后，模具鋼內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)步提高，鑄坯中心偏析≤B0.5級(jí)的比例達(dá)到100%，鑄坯中間裂紋穩(wěn)定控制在1.0級(jí)以下，軋后鋼板內(nèi)部“硬芯”、“砂眼”缺陷發(fā)生率為零。

4 結(jié)語(yǔ)

采用酸洗、金相檢驗(yàn)、原位分析等方法對(duì)模具鋼種連鑄坯和鋼板缺陷試樣進(jìn)行了檢測(cè)，分析認(rèn)為模具鋼“硬芯”缺陷為連鑄坯中心偏析導(dǎo)致；模具鋼“砂眼”缺陷為連鑄坯中間裂紋導(dǎo)致。據(jù)此對(duì)模具鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化鋼種成分，冶煉過程P含量保持≤0.015%，降低主要易偏析元素Cr、Mn的含量；優(yōu)化二次配水比例，比水量由0.63 m/h降低至0.38 m/h；優(yōu)化輥縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，輥縫偏差由±1.0 mm提高至±0.5 mm以內(nèi)。工藝優(yōu)化后，鑄坯中心偏析≤B0.5級(jí)的比例達(dá)到100%，鑄坯中間裂紋穩(wěn)定控制在1.0級(jí)以下，軋后鋼板內(nèi)部“硬芯”、“砂眼”缺陷發(fā)生率為零。