構(gòu)筑成形工藝用高品質(zhì)SA508-3鋼連鑄坯試制

劉宏偉， 崔福祥， 王士杰， 陳國鑫， 類承帥

（1.中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016； 2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口， 115007；3.青島高端軸承研究院，山東 青島，266406）

1 概 述

大鍛件是重大裝備的核心部件，廣泛應(yīng)用在核電、火電、水電等重點領(lǐng)域［1-3］。大鍛件通需要常采用百噸級及以上大鑄錠制備，目前中國已具備了一次性提供 900 t 優(yōu)質(zhì)鋼水、700 t 鋼錠、400 t 鍛件的極限制造能力，并且鑄錠純凈化冶煉控制水平也得到顯著提升［4-5］。隨著鍛件尺寸及重量不斷增加，對所需鋼錠的重量也提出了更高要求。但是由于金屬凝固過程存在尺寸效應(yīng)，規(guī)格越大的鑄錠凝固速度越慢，宏觀偏析越嚴重［6］。大型鋼錠通常存在較嚴重的宏觀偏析，包括冒口端的正偏析、錠身的A偏析、V型偏析以及尾部的負偏析［7-8］等，如圖1所示。同時還發(fā)現(xiàn)大型鋼錠中存在不同程度的縮孔、疏松等冶金缺陷［9-10］，這些冶金缺陷將嚴重影響鋼錠的利用率。并且這些冶金缺陷一旦殘留，將會影響材料力學性能，給鍛件服役過程帶來安全隱患。研究人員采用先進數(shù)值模擬的方法揭示了鋼錠中偏析、縮孔、疏松等缺陷的形成機理，并提出了通過純凈化、增加凝固時間以及錠型優(yōu)化等措施消除冶金缺陷的方法［11-16］，但對于百噸級以上大型鋼錠來說，減輕偏析、提高利用率仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 鋼錠縱剖面低倍組織示意圖［8］Fig.1 Schematic diagram of the macroscopic structure in longitudinal section of steel ingot ［8］

目前，SA508-3鋼核電筒體鍛件主要采用傳統(tǒng)大型真空鋼錠制備，為了保證鍛件碳成分波動≤0.05%，需要切除鋼錠冒口，以及心部超出碳成分范圍的正偏析區(qū)域，這導致鋼錠利用率降低［17］。為了獲得更加均質(zhì)的大型鍛件并提高材料的利用率，中國科學院金屬研究所先進鋼鐵材料研究團隊創(chuàng)造性地提出了一種全新的大鍛件制備思路——金屬構(gòu)筑成形技術(shù)［18］。這項技術(shù)突破了金屬大構(gòu)件的母材只能比其更大的傳統(tǒng)思維，將多塊均質(zhì)化板坯通過表面加工、清潔處理、堆垛成形和真空封裝后，在高溫下施以保壓鍛造、多向鍛造為特點的鍛焊工藝，充分愈合界面， 實現(xiàn)界面與基體的“無痕”連接，其過程如圖2所示［19］。

圖2 金屬構(gòu)筑成形技術(shù)思路［19］Fig.2 The route of metal additive forging technology［19］

高品質(zhì)SA508-3連鑄坯的制備是構(gòu)筑成形技術(shù)在重大核電鍛件上應(yīng)用的關(guān)鍵。連鑄坯如鋼錠一樣，尺寸的增加與澆注參數(shù)不合理將會導致板坯出現(xiàn)偏析、縮孔、疏松等冶金缺陷，嚴重時會導致鋼板分層而報廢［20-21］。因此，研究人員不斷探索利用電磁攪拌及末端輕壓下技術(shù)改善厚大斷面連鑄坯冶金質(zhì)量［22-25］。本文利用長流程純凈化冶煉控制方法，突破了連鑄板坯低硫、低磷與低氧純凈度控制的技術(shù)難點，并結(jié)合低拉速、低過熱度以及鑄坯凝固末端壓下技術(shù)減輕連鑄坯的縮孔、疏松缺陷，最終實現(xiàn)高純凈、高致密、高均質(zhì)、適度規(guī)格的SA508-3鋼連鑄坯技術(shù)開發(fā)，為構(gòu)筑技術(shù)制備大型核電鍛件提供高品質(zhì)連鑄坯原材料。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

本研究中SA508-3鋼鑄坯化學成分要求如表1所示。該研究對坯料中P，S，T.O等雜質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)控制非常嚴格，這給長流程純凈化冶煉增加了難度。同時考慮C元素對材料強度、可焊性以及輻照脆化性能的影響，一般將C的質(zhì)量分數(shù)控制在0.18%左右［1］，此外為了保證性能的均勻性，鍛件中C的質(zhì)量分數(shù)波動一般不超過0.05%。此外，為了保證厚大斷面鍛件的高強度，本研究將適當提高C質(zhì)量分數(shù)。

表1 SA508-3鋼化學成分Tab.1 The chemical composition of SA508-3 steel

2.2 檢測設(shè)備及方法

切取連鑄坯橫截面試樣，經(jīng)機加工及機械研磨、拋光后，對其表面進行冷酸腐蝕，之后進行低倍組織觀察；在連鑄坯橫截面不同位置取粉末樣品及塊狀樣品，經(jīng)清洗、烘干后進行化學成分檢測，通過碳硫分析儀及等離子體發(fā)射光譜儀測試碳、硫、磷的質(zhì)量分數(shù)，通過LECO氧氮氫分析儀測量氧、氫的質(zhì)量分數(shù)；在橫截面不同位置取金相樣品，經(jīng)研磨拋光后通過ASPEX型自動掃描電鏡分析鋼中的夾雜物類型、分布。該設(shè)備除具備常規(guī)掃描電鏡的基本功能外，還能夠?qū)Υ蟪叽缭嚇舆M行自動分析，得到檢測區(qū)域內(nèi)夾雜物的信息；通過掃描電鏡及配備的能譜儀分析夾雜物的形態(tài)及化學成分。

2.3 生產(chǎn)工藝及鋼水純凈化控制

2.3.1 生產(chǎn)工藝

SA508-3鋼連鑄坯生產(chǎn)工藝為：高爐鐵水-轉(zhuǎn)爐-鋼包精煉爐（LF）-真空循環(huán)脫氣（RH）-連鑄。其中，鋼水重量為260 t，在純凈化冶煉環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)爐將完成深脫磷任務(wù)，LF+RH精煉爐主要負責脫硫、脫氣、減少鋼水中夾雜物的質(zhì)量分數(shù)。在連鑄階段，為了有效控制板坯內(nèi)部偏析及疏松等冶金缺陷，鑄坯的截面厚度尺寸選為250 mm，鑄坯拉速選取≤1 m/min，鋼水過熱度≤30 ℃，并結(jié)合過程冷卻以及準確板坯凝固末端壓下等控制措施改善鑄坯質(zhì)量，其過程如圖3所示。

圖3 連鑄模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of continuous casting process

2.3.2 鋼水純凈化控制

2.3.2.1 深脫磷

傳統(tǒng)SA508-3鋼由電爐生產(chǎn)，鋼水中磷的質(zhì)量分數(shù)可控制到0.003%［26］。為滿足SA508-3鋼對雜質(zhì)元素的苛刻要求，本研究采用轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法進行鋼水中磷質(zhì)量分數(shù)的控制。在轉(zhuǎn)爐深脫磷控制環(huán)節(jié)，依據(jù)以下脫磷熱力學反應(yīng)條件：

式中LP為磷分配系數(shù)，K為脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)，a（4CaO·P2O5）為CaO·P2O5的活度，a（FeO）和a（CaO）分別為FeO及CaO的活度，w（P）為鋼水中P元素的質(zhì)量分數(shù)（%），T為溫度（K），w（P2O5）為爐渣中P2O5的質(zhì)量分數(shù)。通過控制脫磷操作溫度以及渣系堿度、氧化鐵含量，達到最優(yōu)脫磷效果，使磷的分配系數(shù)Lp值變得更大［27］。

通過控制脫磷操作溫度以及渣系堿度、氧化鐵含量，達到最優(yōu)脫磷效果，使磷的分配系數(shù)LP值變得更大［27］。

2.3.2.2 深脫硫

大型精煉包鋼水脫硫動力學條件差，一般很難達到0.0015%以下。為此，本研究采用鐵水預處理深脫S與LF爐深脫S聯(lián)合技術(shù)，根據(jù)鋼液與精煉渣脫硫發(fā)生的反應(yīng)［28］：

在LF工位選取合適精煉渣堿度以及采用鋼水強脫氧方式降低鋼中溶解氧的質(zhì)量分數(shù)來提升脫硫效果。此外，通過加強精煉鋼水攪拌，為脫硫動力學提供良好條件，也有利用鋼水快速脫硫。

2.3.2.3 氧的質(zhì)量分數(shù)控制

鋼水脫氧主要在LF，RH環(huán)節(jié)完成。通過在LF爐構(gòu)建Al與高堿度精煉渣深脫氧體系，快速降低鋼水中的溶解氧，而高堿度精煉渣的使用也防止脫氧元素Al的燒損，能夠使整個精煉過程處于低溶解氧控制水平。RH脫氣效果明顯，與短流程VD脫氣相比，無渣環(huán)境高效循環(huán)脫氣能夠防止鋼水氧化及卷渣，且有利于夾雜物上浮去除，這將大大降低鋼水中氧的質(zhì)量分數(shù)［29］。然而在RH之后，連鑄鋼水需要進行喂鈣變質(zhì)處理，這可能導致產(chǎn)生D和Ds類夾雜物。

3 結(jié)果與討論

3.1 連鑄坯偏析與縮孔疏松冶金缺陷

為了觀察連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，首先對SA508-3連鑄坯進行整個截面取樣，然后進行冷酸腐蝕，鑄坯低倍組織與鑄態(tài)缺陷結(jié)果如圖4所示。圖4（a）低倍腐蝕圖片顯示，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量較好，鑄坯中心區(qū)域未見嚴重縮孔、疏松缺陷，但鑄坯一側(cè)存在輕微線狀疏松，如圖4（b）所示的局部放大圖，未見點狀偏析缺陷。從圖4（b）， （c）可以看出，鑄坯柱狀晶較發(fā)達，從寬面內(nèi)側(cè)到厚度中心幾乎都是柱狀晶區(qū)，因此在鑄坯凝固末期極易形成孔洞缺陷及中心偏析。

圖4 SA508-3連鑄坯低倍檢測結(jié)果Fig.4 The result of the macrostructure of SA508-3 continuous casting slab

為了更好地了解鑄坯成分偏析情況，對圖4（a）中鑄坯左上1/4區(qū)域進行全斷面C，S，P元素檢測。其中延縱向取4組樣品，橫向取12組樣品，共計48個取樣點，結(jié)果如圖5，6所示。只對部分取樣點進行檢測。其中延縱向1～4組取樣位置分別為從邊側(cè)到中心，橫向1～12組取樣位置分別為從中心到左側(cè)邊緣。檢測結(jié)果顯示，整個截面碳的質(zhì)量分數(shù)在0.21%～0.23%范圍內(nèi)波動，波動范圍≤0.03%，低于波動范圍≤0.05%技術(shù)要求。結(jié)果表明該工藝可以獲得碳成分分布非常均勻的SA508-3連鑄坯。

圖5 板坯1/4截面區(qū)域碳分布Fig.5 The distribution map of C content in 1/4 section area of the continuous casting slab

此外，根據(jù)圖5中的碳成分分布特征可以發(fā)現(xiàn)，鑄坯邊側(cè)碳成分分布相對均勻，各取樣點碳的質(zhì)量分數(shù)均為0.21%，中心線附近碳的質(zhì)量分數(shù)相對較高，部分取樣點碳的質(zhì)量分數(shù)已達到了0.23%，這與鑄坯產(chǎn)生宏觀偏析有關(guān)。宏觀偏析通常是指由于溶質(zhì)元素長程運動而產(chǎn)生宏觀尺度上的元素分布不均勻現(xiàn)象，其主要形成的原因有熱溶質(zhì)浮力、凝固收縮、等軸晶移動［30-33］。在鑄坯凝固末期，隨著殘余金屬液中溶質(zhì)濃度的增加以及凝固收縮增強，容易在板坯最后凝固區(qū)域產(chǎn)生正偏析；此外，最后凝固區(qū)域枝晶容易搭橋，金屬液補縮不暢通，因此凝固末期常常伴隨縮孔疏松缺陷的產(chǎn)生，如圖4（b）所示。

基于偏析形成本質(zhì)，增加凝固速度有利于減輕偏析［34］。在本研究中，通過強化結(jié)晶器與二冷區(qū)域冷卻條件、降低過熱度、降低拉速等綜合技術(shù)來提高鑄坯凝固速度，降低成分偏析。此外，為了補償凝固收縮形成的偏析及縮孔、疏松問題，還通過對凝固末端實現(xiàn)準確壓下量控制，抑制縮孔、疏松及偏析的產(chǎn)生。接下來，將繼續(xù)優(yōu)化末端壓下工藝，進一步提升板坯致密性。

3.2 連鑄坯純凈度

雜質(zhì)元素P和S都是易偏析元素，降低其質(zhì)量分數(shù)，不僅有利于減輕宏觀偏析，而且還有助于減少大尺寸硫化物夾雜的產(chǎn)生。圖6所示為鑄坯左上1/4區(qū)域的P，S元素面分布圖，取樣位置與碳的質(zhì)量分數(shù)檢測取樣位置相同，取樣區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)元素w（P）≤0.005%，w（S）≤0.0015%，滿足雜質(zhì)元素w（P）≤0.006%，w（S）≤0.0015%的技術(shù)指標要求。

圖6 板坯1/4截面區(qū)域P，S元素分布圖Fig.6 The distribution map of P and S in 1/4 section area of the continuous casting slab

圖7所示為連鑄坯1/2厚度區(qū)域氫與氧的質(zhì)量分數(shù)分布情況，1～12點分別為從邊緣到中心的取樣點。由圖7（a）可知，鑄坯中氫的質(zhì)量分數(shù)分布較不均勻，低的可以達到0.0001%，而高的可以達到0.0002%，但仍滿足SA508-3材料對w（H）≤0.0002%的技術(shù)要求。鋼中氧的質(zhì)量分數(shù)是純凈鋼的一個重要指標，直接影響材料的力學性能。由圖7（b）可知，鑄坯中w（T.O）最大值為0.0015%，最小值為0.0006%，平均為0.0006%，滿足SA508-3鋼w（T.O）≤0.0015%技術(shù)要求。氧的質(zhì)量分數(shù)個別點波動可能與夾雜物相關(guān)。

圖7 鑄坯中氫與氧含量分布Fig.7 The distribution map H and O in different positions of the slab

采用ASPEX與掃描電鏡對夾雜物類型、尺寸、成分分布進行分析。ASPEX結(jié)果顯示夾雜物所占比例≤0.005%，尺寸較大的為球狀復合氧化物夾雜，主要包括Al，Ca元素，尺寸大約在12 μm，占夾雜物數(shù)量比例≤1.6%，大尺寸夾雜物數(shù)量比較少。典型夾雜物能譜面掃結(jié)果如圖8所示，夾雜物中心區(qū)域為富含Al，Ca的復合氧化物，主要是脫氧產(chǎn)物氧化鋁經(jīng)Ca變質(zhì)處理產(chǎn)生，然后在夾雜物外面再形成硫化物。

圖8 鋼中典型復合夾雜物Fig.8 Typical composite inclusions in steel

4 核電筒體鍛件試制

以試制SA508-3鋼連鑄坯為原材料，采用構(gòu)筑技術(shù)完成直徑5 m、高度3 m核電筒體鍛件的制造，試制筒體鍛件各項力學性能及探傷均達到技術(shù)要求。通過對鍛件進行夾雜物評級檢測，鍛件中A，B，C，D和Ds五類夾雜物均≤1.0級，如表2所示。夾雜物類型主要為D和Ds兩類夾雜物，對照ASPEX與能譜分析結(jié)果，夾雜物形成主要應(yīng)與鋼水鈣處理相關(guān)。

表2 筒體鍛件不同位置夾雜物評級Tab.2 The grade of inclusions in the different positions of the cylinder forging

5 結(jié) 論

（1）采用高爐鐵水-轉(zhuǎn)爐-LF精煉爐-RH真空脫氣-連鑄長流程生產(chǎn)工藝，完成了高純凈、低偏析、高致密SA508-3鋼連鑄坯工藝開發(fā)；

（2）經(jīng)純凈化冶煉控制，鑄坯中雜質(zhì)元素：w（P）≤0.006%，w（S）≤0.0015%；氣體w（T.O）≤0.0015%，w（H）≤0.0002%，且鍛件中A，B，C，D和Ds五類夾雜物均≤1.0級；

（3）通過鑄坯凝固末端壓下以及采用低拉速、低過熱度、鑄坯凝固過程冷卻控制等措施，實現(xiàn)了鑄坯低偏析及高致密度的控制。