火炮炮身用PCrNi1MoA鋼管試生產(chǎn)探討

姚 忠，馬恒春，張振民

(西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005)

某公司研究試制標(biāo)準(zhǔn)為GJB1949—1994的PCrNi1MoA熱軋合金無縫鋼管，其鋼種類似于35CrNi1MoA，主要用來制造薄壁火炮炮身。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼的潔凈度、晶粒度、機(jī)械性能以及交貨狀態(tài)的硬度、無損探傷等有很高的要求。尺寸規(guī)格范圍為：外徑80～152 mm，壁厚15～40 mm，公差范圍及表面質(zhì)量要求特別嚴(yán)格，增加了生產(chǎn)難度。工藝難點(diǎn)是殘余鋁的控制、電渣錠開裂問題的解決、終軋溫度范圍的控制及成品管退火工藝的制定等方面。針對(duì)這些問題和難點(diǎn)，課題組設(shè)計(jì)了合理的工藝方案，經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)鋼材的內(nèi)外質(zhì)量、尺寸精度等均滿足了技術(shù)條件的要求，機(jī)械性能指標(biāo)富余量充足。

1 工藝路線

根據(jù)PCrNi1MoA鋼管的鋼種特性及用戶要求，采用以下工藝路線：

EAF電爐+爐外精煉+VD真空脫氣→鑄525kg電極坯→檢查→清理→電渣重熔280方電渣錠→坑冷→退火→檢查→清理→軋制Φ150mm管坯→坑冷→退火→矯直→酸洗→檢查、清理 →探傷→鋼管產(chǎn)材→退火→矯直→探傷→上交。

2 試制過程

2.1 粗 煉

為確保鋼種特性，降低鋼中有害元素對(duì)鋼材質(zhì)量的影響，要求粗煉配料由中型、重型優(yōu)質(zhì)廢鋼和低磷、硫生鐵組成。配碳量0.65%～0.95%，P、S總和小于等于0.060%，做好電爐熔化期、氧化期、還原期的吹氧助熔、升溫、造白渣操作；當(dāng)吹氧氧化溫度達(dá)到1 575 ℃時(shí)，鋼液中的脫碳量應(yīng)大于30%，電爐出鋼時(shí)碳含量應(yīng)≥0.15%；鋼液溫度≥1 600 ℃、 P含量滿足要求后進(jìn)行二次造白渣操作，鋼渣具有良好的還原性，確保鋼中的脫氧效果；采用擴(kuò)散脫氧的方法，噸鋼加Al量0.5 kg，其余主元素按標(biāo)準(zhǔn)中、下限計(jì)算加入合金；白渣出鋼，電爐出鋼溫度1 620～1 640 ℃。

2.2 爐外精煉

電爐出鋼后按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)鋼液的主元素化學(xué)成分進(jìn)行微調(diào)，根據(jù)不同元素對(duì)鋼材特性的影響，控制在不同范圍。當(dāng)鋼液化學(xué)成分全部滿足要求后，鋼液采用石墨電極給電電加熱，加熱溫度≥1 630 ℃方可進(jìn)入VD工序進(jìn)行真空脫氣。

鋼液在爐外精煉時(shí)，需要對(duì)鋼液進(jìn)行攪拌，達(dá)到均勻成分，均勻溫度的目的。某廠的鋼液攪拌采用向鋼包底部吹A(chǔ)r方式進(jìn)行，通過向鋼包底部吹大量的Ar氣，Ar氣泡在鋼包底部不斷上浮產(chǎn)生動(dòng)力帶動(dòng)鋼液進(jìn)行攪拌，Ar攪拌不僅均勻鋼液的化學(xué)成分和溫度，同時(shí)還可以帶走鋼液中的有害氣體，而且氣泡在上浮過程中吸附大量夾雜物進(jìn)入渣中，起到了對(duì)鋼液凈化的作用。吹A(chǔ)r的流量根據(jù)鋼渣界面沸騰的情況可適時(shí)調(diào)整。

為獲得純凈的鋼液，需要對(duì)渣的堿度的進(jìn)行控制，此鋼需要造低堿度渣，其目的是為了增加渣中FeO活度，加速脫氧速度和夾雜物的吸附，同時(shí)此渣系流動(dòng)性較好，方便鋼液中的非金屬夾雜物在吹A(chǔ)r和渣洗過程中被吸附到渣面，繼而提高鋼水的潔凈度。

2.3 VD脫氣處理

為降低鋼液中的有害氣體，需要對(duì)爐外精煉的鋼液進(jìn)行真空脫氣處理，當(dāng)爐外精煉的鋼水成分達(dá)設(shè)定要求，鋼液溫度≥1 630 ℃時(shí)，方可進(jìn)入下一工位進(jìn)行真空脫氣處理，按照設(shè)備能力及操作規(guī)程要求，鋼包在密封環(huán)境下進(jìn)行抽真空操作，當(dāng)鋼包真空度達(dá)到0.5乇以下后，在此真空度下保持時(shí)間18 min。鋼包在極真空下保持時(shí)，鋼液處于負(fù)壓狀態(tài)，鋼液中的氣體的溶解度隨之降低。鋼液在脫氣過程中也需要吹A(chǔ)r操作，Ar泡在真空狀態(tài)下去除有害氣體的作用會(huì)加強(qiáng)。

根據(jù)鋼種使用特性，必須保證其為細(xì)晶粒鋼。為此通過控Ti、Al的方式細(xì)化鋼材晶粒，鋼液脫氣結(jié)束后加鈦鐵使Ti含量 0.02%～0.03%，使鋼液中Al含量為0.030%～0.040%，采用弱氬攪拌鋼液15 min，鋼液溫度達(dá)到1 530～1 560 ℃吊包鎮(zhèn)靜后進(jìn)行澆鑄，電極坯堆冷后檢查清理，轉(zhuǎn)下一道工序進(jìn)行電渣重熔冶煉。

2.4 電渣重熔

電渣重熔是一個(gè)二次對(duì)鋼坯熔化、渣洗、成形的過程，此過程使得所獲得的鋼錠更加純凈，鋼錠的結(jié)晶組織更加致密，極大地改善了原始電極坯的成分偏析問題。在電渣重熔過程中原始電極坯利用渣阻熱進(jìn)行熔化并呈熔滴狀進(jìn)行渣洗，這樣可使金屬的潔凈度進(jìn)一步提高，由于鋼液在凝固過程中始終有渣液保護(hù)，不僅防止鋼液二次氧化，同時(shí)鋼錠表面光滑，避免了電爐鋼錠的皮下氣泡、裂紋、結(jié)疤等缺陷。

電渣重熔采用四元渣系：CaF2、Al2O3、CaO、MgO渣，錠型：280 mm×280mm。電力制度為：冶煉電壓：55～60 V，冶煉電流6 000～8 500 A，充填時(shí)間10～18 min，出水溫度：35～55 ℃，鋼錠坑冷48 h后進(jìn)行退火。

2.5 開 坯

采用650橫列式三架軋機(jī)對(duì)280 mm×280 mm電渣錠開管坯；電渣錠入爐預(yù)熱段溫度控制在800 ℃以下，入爐后以≤150 ℃/h的升溫速度升溫，加熱溫度控制在 1 120～1 220 ℃，終軋溫度≥950 ℃，開Ф150 mm管坯，長度控制在2.1～2.5 m。坯料入坑緩冷后進(jìn)行退火，并酸洗清理表面。由于軋制管坯不可避免地存在或多或少的表面缺陷，為避免這些缺陷帶入下道工序并影響到成品鋼管表面質(zhì)量，采用了管坯酸洗后扒皮工藝處理，清理后進(jìn)行無損探傷檢驗(yàn)。

管坯退火工藝見圖1。

圖1 PCrNi1MoA鋼Ф150mm管坯退火工藝曲線

2.6 鋼管生產(chǎn)工藝

PCrNi1MoA鋼管生產(chǎn)工藝為：坯料表面復(fù)查→定尺鋸切下料→裝入環(huán)形爐加熱→高壓水除鱗→穿管→軋管→微張力減徑→冷床快速冷卻→退火→矯直→切頭尾→檢查→探傷檢驗(yàn)→包裝上交。

3 混晶問題的分析討論

據(jù)相關(guān)文章表述，要解決PCrNi1MoA的混晶問題，從化學(xué)成分控制角度出發(fā)應(yīng)該使得鋼種的酸溶Al含量在0.02%～0.04%、[N]含量控制在(50～90)×10-6；其次是在軋制過程中加熱溫度要高和終軋溫度也要高，高溫加熱的目的是鋼中有盡可能多的固溶鋁和氮，使其以細(xì)小彌散的AlN相析出，從而阻止晶粒長大；終軋溫度高的目的是后盡可能避免在750～650 ℃緩冷。有研究表明緩冷至室溫后可在Ac1臨界點(diǎn)溫度附近退火處理，也可促使細(xì)小彌散的AlN相析出。

綜上理論所述，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行了控制，在冶煉電極坯的時(shí)候控制Al的含量為0.030%～0.040%。電渣重熔時(shí)對(duì)渣料中鋁粉的加入量也進(jìn)行控制，確保重熔后鋼錠的殘余Al含量≥0.02%；電爐冶煉的鋼[N]基本都在(50～90)×10-6；電極坯中還加入了一定量的Ti，加熱析出的TiN、AlN可均可達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。鋼坯穿管時(shí)將鋼溫控制在 1 150 ℃左右，從而確保了較高的軋管溫度和終軋溫度，軋制后鋼管冷床空冷，避免在600～800 ℃緩冷?？绽浜髮?duì)鋼管進(jìn)行等溫退火，高溫溫度710 ℃，等溫溫度700 ℃，均在其Ac1(720 ℃)附近，確保彌散的AlN相的均勻析出?；炀D片如圖1所示，正常晶粒圖片如圖2所示。

圖1 混晶

圖2 正常晶粒

4 電渣錠開裂的預(yù)防

含Cr、Ni的電渣錠對(duì)裂紋較敏感，經(jīng)常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，采用以下措施進(jìn)行預(yù)防：

(1)電極坯冶煉過程控制Mo含量在中限0.25%左右，由于Mo元素的存在，可以減輕鋼的回火脆性傾向，改善鋼錠的韌性，另一方面對(duì)鋼錠的表面質(zhì)量也有改善，整體降低鋼錠的開裂傾向。

(2)電渣錠應(yīng)入坑緩冷，降低冷卻過程中的熱應(yīng)力。因此采取電渣錠入保溫坑冷卻的方式，冷卻時(shí)間≥48 h。

(3)電渣錠退火也可有效降低鋼中的組織應(yīng)力、熱應(yīng)力。應(yīng)及時(shí)對(duì)電渣錠進(jìn)行退火處理。

5 檢驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 化學(xué)成分

經(jīng)電爐、精煉及VD處理后鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 PCrNi1MoA 鋼化學(xué)成分 %

成分全部合格，殘余Al為0.052%。經(jīng)電渣重熔后，成分雖然有所波動(dòng)，但都在技術(shù)要求范圍之內(nèi)且重熔后抽查殘余Al為0.022%～0.030%，滿足了內(nèi)控要求。

5.2 高倍檢驗(yàn)

夾雜物及晶粒度級(jí)別如表2所示，從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，夾雜物及晶粒度均控制較好。

表2 PCrNi1MoA夾雜物及晶粒度級(jí)別 級(jí)

5.3 機(jī)械性能

經(jīng)870 ℃保溫30 min正火、860 ℃保溫30 min油淬、560 ℃回火3h空冷處理，PCrNi1MoA的機(jī)械性能如表3所示。

表3 PCrNi1MoA機(jī)械性能

從表3中可以看出，管材的試樣熱處理機(jī)械性能完全滿足性能指標(biāo)要求，檢驗(yàn)退火硬度 HB值也合格。

5.4 塔形、尺寸公差及無損探傷檢驗(yàn)

鋼管經(jīng)塔型檢驗(yàn)2支試料各臺(tái)階均無發(fā)紋；鋼管實(shí)際尺寸(外徑和壁厚)完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公差要求；標(biāo)準(zhǔn)要求無損探傷缺陷等級(jí)深度應(yīng)符合GB5777中C12的規(guī)定，實(shí)際探傷按GB5777中C8級(jí)逐支進(jìn)行100%檢驗(yàn)，全部合格。

6 結(jié) 論

(1)采用電爐冶煉 →爐外精煉 →VD真空脫氣→電渣重熔的冶煉工藝獲得的PCrNi1MoA鋼，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，用戶使用效果反饋較好。

(2) 冶煉、鋼管軋制通過對(duì)特殊Al、Ti成分及加熱軋制溫度的控制，有效地避免了鋼的混晶，且晶粒度較預(yù)期有了較大的提高。

(3)采用了合理的化學(xué)成分控制及緩冷制度，有效地解決了電渣錠的開裂問題。

(4)鋼管熱處理機(jī)械性能完全滿足軍工薄壁火炮炮身用鋼管的標(biāo)準(zhǔn)要求。