船用曲臂鍛件用54 t下注鋼錠的試制

2012-09-25 08:44:28管仲毅陳建東王文柏韓國盛艾馨鵬胡亮亮

大型鑄鍛件 2012年2期

管仲毅陳建東王文柏李奇韓國盛艾馨鵬胡亮亮高峰

(上海重型機器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

長期以來，我公司按照傳統的生產工藝生產船用曲臂鍛件用鋼(以下簡稱曲臂鍛件用鋼)。鍛件用鋼采用雙真空錠(真空精煉、真空澆鑄)進行冶鑄。鋼錠的有效利用率為70%～75%，與同行的鋼錠利用率≥80%相比存在一定的差距。由于大鋼錠凝固過程中存在底部沉積錐(負偏析帶)，錠身頂部存在V型偏析、A型偏析(正偏析帶)及嚴重的中心偏析、中心疏松、一般疏松等影響質量的問題，因此，一旦錠型確定之后，基本上不再更改。

2010年10月，我公司設計并鑄造了50 t系列浮動鋼錠模(即能在一定范圍內通過改變錠身高度、冒口高度，達到調節錠型的目的)。成功試制出了大型船用曲臂鍛件用鋼，本次試制的曲臂鍛件用鋼錠利用率達到83.3%。曲臂鍛件用下注鋼錠的研制成功，縮短了我公司與國內外同行之間的技術差距，也是我公司在爭先創優活動過程中的一次有益嘗試。

1 工藝條件

1.1 50 t系列浮動鋼錠錠型見圖1。

1.2 曲臂鍛件用鋼元素成分執行MAN《材料手冊》P182-3 S34MnV標準。具體的化學成分見表1。

1.3 冶煉方法為電爐冶煉→真空精煉。

圖1 50 t系列浮動鋼錠錠型圖Figure 1 The series of 50 t floating ingot shapes

1.4 在正火件加長部分試塊半徑的1/2處取樣作理化性能檢測，曲臂鍛件力學性能要求：RP0.2≥350 MPa、Rm為610 MPa～750 MPa、A≥15%、Z≥40%、硬度為180HBW～220HBW、常溫沖擊吸收功Akv≥18 J。

1.5 曲臂鍛件出白后進行超聲波探傷，探傷方法為垂直法。檢查部位：總厚天地面、紅套孔、曲柄部。探傷執行標準：MAN 0743099-1.0(2007.11.29版)，探傷合格后，申請船檢。

2 生產試制方案

根據曲臂鍛件用鋼的技術條件及相關要求，我公司大型鑄鍛件研究所煉鋼工藝研究室制定了冶鑄工藝，主要質量控制要點如下。

表1 S34MnV化學成分 (質量分數，%)Table 1 The chemical composition of S34MnV (mass fraction, %)

表2 S34MnV鋼鋼水入真空前成分 (質量分數，%)Table 2 The composition of S34MnV molten steel before VD process (mass fraction, %)

2.1 選用一類生鐵，優選本溪、鞍鋼、首鋼、寶鋼等地產生鐵。

2.2 氧化終點要求：[C]≤0.30%(質量分數)、[P]≤0.004%(質量分數)(取雙份樣確認)。

2.3 出鋼時加入鋁錠預脫氧。

2.4 LFV爐鋼水入真空前溫度控制在1 640～1 670℃，S34MnV鋼成分控制見表2。

2.5 采用4+2蒸汽射流噴射泵，有效真空度≤65 Pa，從抽真空開始到達有效真空度時間≤10 min。根據多爐次的試驗，我們得出在有效真空度≤65 Pa的情況下，120 t LFV爐鋼水脫氣時間與[H]的關系曲線符合圖2的走勢，故制定工藝時，將有效真空度下的真空處理時間確定為45 min～50 min。

2.6 真空后的目標要求，[H]≤1.0×10-6、(O)≤25×10-6、[Al]≤0.025%(質量分數)。

2.7 真空后不允許再補加合金，真空畢到出鋼時間≤25 min。

2.8 出鋼溫度為1 560～1 580℃。

2.9 澆鑄前錠模外壁溫度≥40℃。

圖2 120 t LFV爐有效真空度≤65 Pa時真空處理時間與[H]的關系曲線Figure 2 The curve for the vacuum processing time and the content of hydrogen when the effective vacuum is ≤65 Pa in the LFV furnace

2.10 開澆前在距模底200 mm～300 mm處吊掛保護渣0.70 kg/t鋼～0.8 kg/t鋼。開澆開始后再通過篩網均勻加入保護渣0.60 kg/t鋼～0.80 kg/t鋼(澆注過程中要求液面上升平穩，液芯瞬間裸露時間<3 s)。模底保護渣吊掛情況見圖3。

2.11 采用氬氣保護澆鑄，氬氣保護罩見圖4。

圖3 開澆前保護渣吊掛情況Figure 3 The covering slag is hanged before casting

2.12 下注用流鋼磚選用優質莫萊石磚，該磚的成分含量及主要理化性能見表3。

圖4 氬氣保護罩Figure 4 The Ar gas protecting device

表3 莫萊石磚的化學成分及主要理化性能Table 3 The chemical composition and main physical and chemical property of mullite brick

2.13 錠身澆鑄時間：22 min～30 min，冒口補縮時間≥12 min。

3 生產試制工藝路線

生產試制工藝路線為：100 t EBT→120 t LFV→IC(2×54 t)氬氣保護→鋼錠熱送鍛件廠加熱爐→加熱→鍛壓→彎曲成型→熱裝爐→熱處理(正火+擴氫回火)→兩平面出白→UT初探→理化性能測試→UT終探→申請船檢→交貨。

4 生產試制情況

4.1 100 t EBT爐冶煉

4.1.1 裝料

100 t EBT爐采用二包料裝料方法，為達到熔氧結合大渣量早期脫磷的目的，裝料時先在爐底鋪加石灰。

4.1.2 供氧、升溫

爐門采用1支自耗式氧槍供氧，爐內低溫處采用2支爐壁氧槍供氧，噴碳粉造泡沫渣，埋弧升溫。

4.1.3 流渣換渣去磷

第一批換渣溫度1 570～1 590℃，換渣期間為防止裸露弧光損傷爐墻及設備，可抬高電極停電。首批氧化渣可以盡量放干凈一些。脫磷冶金反應方程式[1]：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

由于脫磷為放熱反應，溫度過高效果差。但因為[P]主要是由生鐵帶來，為確保生鐵全熔后達到有效脫磷的目的，故首批換渣溫度與理論上要求的最佳脫磷溫度相比上升20～30℃。第二批換渣溫度選擇1 610～1 630℃，在換渣前取樣全分析，視[P]情況確定再次補加石灰量及換渣溫度。試制曲臂鍛件用鋼第二批換渣前測溫1 630℃并取樣，取樣[P]為0.003%(質量分數)，之后補加石灰，終點[P]為0.003%(質量分數)。出鋼溫度1 680℃。出鋼到20 t時，爐后加鋁錠預脫氧。

4.2 120 t LFV鋼包爐精煉

4.2.1 采用鋁錠預脫氧，采用Al粉、C粉、CaSi粉擴散脫氧

120 t LFV鋼包精煉爐精煉時石灰用量12 kg/t鋼～15 kg/t鋼(根據爐渣流動情況，石灰與螢石之比控制在3.5～4.5∶1)。鋼包到達LF爐加熱工位后，再次補加鋁錠預脫氧。前期加入鋁錠預脫氧的好處是脫氧產物Al2O3內生夾雜物在隨后的精煉、真空處理階段有足夠的時間上浮到爐渣中而得以去除。

去除鋼水中的非金屬夾雜物是LF爐精煉的目的之一。鋼中的非金屬夾雜物都呈獨立相存在，精煉渣吸收鋼中夾雜物的原理有三種形式[2]：一是鋼渣界面上的氧化物夾雜與熔渣間進行了化學反應而使夾雜進入渣相；二是氧化物夾雜停留在渣鋼界面上并溶解在渣中；三是由于界面能的作用，渣鋼界面上的氧化物夾雜自發地轉入渣相。由擴散脫氧理論可知[3]，精煉渣分散成顆粒、液滴或氣泡后，開始就從鋼液中去除，達到平衡時，精煉介質中所接受的夾雜物濃度遠遠高于夾雜物在鋼中的濃度。因此，顆粒、液滴或氣泡中的擴散在反應初始階段很快，速率控制的環節在鋼液一側。隨著鋼液中酸溶鋁質量分數的增加，Al2O3內生復合型夾雜物也相應增加，但是夾雜物呈液態，絕大部分都落在低于1 600℃的范圍內。通過后續的氬氣攪拌、VD真空處理，這些以Al2O3為核心的復合型夾雜物很容易聚集，上浮到爐渣中而去除。所以，通過120 t LFV鋼包爐精煉后，內生夾雜物大多是尺寸非常小的球形夾雜，這種夾雜能夠避免曲臂鍛件用鋼產生各向異性。對本次試制曲臂鍛件的沖擊試樣斷口使用掃描電鏡進行觀察，發現斷口呈韌窩狀，延展性能良好，具體見圖5。

對圖5中的能譜結果進行分析可以看到，試制曲臂鍛件中的夾雜物主要是以Al2O3為核心的多相夾雜，夾雜物的形式是以錳鋁榴石(xMnO·Al2O3·3SiO2)、鈣鎂斜長石((CaO、MgO)·Al2O3·2SiO2)存在，此類內生夾雜細小、熔點低、呈球狀，不存在長條狀及紡錘狀的硫化錳夾雜，這與C-Mn鋼采用鋁脫氧再經VD爐處理后的特點相吻合。本次試制曲臂在正火件加長部位取小樣的定量高倍檢測分析結果見表4。

表4 試制曲臂鍛件高倍檢驗結果Table 4 The microscopic inspection results of crank forging in trial manufacture

圖5 試制曲臂鍛件沖擊試樣斷口形貌及其能譜Figure 5 The patterns and energy spectrum analysis for the impact fracture surface of the trail manufacturing crank forging

表5 試制曲臂鍛件用鋼入真空前的成分控制 (質量分數，%)Table 5 The composition control for the trial manufacturing crank forging before VD process (mass fraction，%)

4.2.2 120 t LFV鋼包爐鋼水入真空前的操作控制

4.2.2.1 成分控制見表5。

由表5可見，所有元素全部進入熔煉控制規范。

4.2.2.2 渣量控制。VD處理時，LF爐的精煉渣不參與鋼包內鋼水的循環對流攪拌，鋼水翻滾過程中浮到鋼液面后向四周散開，因而鋼液中上浮的夾雜物隨之被高堿度精煉渣所吸附。我公司經過多爐次操作，就渣量與真空處理后的[H]得到如圖6的關系曲線。

圖6 120 t LFV爐精煉渣渣量與[H]的關系曲線Figure 6 The curve about the refining slag ang [H] in the 120 t LFV furnace

由圖6可見，大渣量脫氣效果顯然不如小渣量好。分析原因，主要是鋼包的液面直徑相同，爐渣之間存在著界面張力。在達到有效真空度之前的放散操作過程中，鋼水沒有沖破渣面時，鋼液隨爐渣一起往真空蓋上面涌動。一旦鋼液頂破渣層，爐渣就不往上涌動了，而是向邊上散開，爐渣在其界面張力的作用下就存在著要覆蓋鋼水的趨勢。渣量越大，這樣的趨勢就越嚴重。相反，如果渣量小一些，爐渣要覆蓋鋼水的趨勢就小一些。因而小渣量脫氣處理過程中鋼水暴露在真空中的量就越多，在真空作用下，鋼水中的氣體分壓下降越多，真空脫氣的效果也就越好。我公司VD處理時的渣量控制為16 kg/t鋼～20 kg/t鋼(石灰∶螢石=4∶1)。本次試制曲臂鍛件用鋼在LFV爐操作過程中石灰用量1 500 kg，螢石用量400 kg，渣量控制約為18 kg/t鋼。

4.2.2.3 入真空前溫度。我公司120 t LFV爐精煉操作工經過長時間的總結，得出VD處理過程中100 t鋼水溫降大約2℃/min。根據曲臂鍛件用鋼下注出鋼溫度要求，試制曲臂鍛件用鋼入真空前的實際鋼水溫度為1 668℃。

4.2.2.4 有效真空度。根據我公司4個主泵+2個副泵及船用曲臂質量控制的特點，試制曲臂鍛件用鋼進入VD處理時選擇的有效真空度≤65 Pa。

4.3 真空畢的操作要求

一是盡量少補加合金；二是盡量縮短真空畢到出鋼之間的精煉時間；三是出鋼溫度盡可能往中限靠(出鋼溫度越高，下注過程中鋼水對流鋼磚的侵蝕程度就越嚴重)。試制曲臂鍛件用鋼，經過60 min(其中有效真空度≤65 Pa處理48 min)真空處理后，定[H]為1.0×10-6、(O)為6.2×10-6，真空畢到出鋼的精煉時間為16 min，出鋼溫度為1 574℃，真空畢后的鋼水成分見表6。

表6 試制曲臂鍛件用鋼真空畢的化學成分 (質量分數，%)Table 6 The chemical composition of trial manufacturing crank forging after VD process (mass fraction, %)

4.4 氬氣保護大氣下注情況

曲臂鍛件用鋼采用氬氣保護大氣下注澆鑄工藝。大包滑動機構裝備三層吹氬滑板，開澆前外引流。試制曲臂鍛件用鋼澆鑄時三層吹氬滑板能夠正常自開。鋼包開澆后，吊掛在模底的保護渣瞬間覆蓋液面，保護渣溶成渣膜，可有效吸附鋼水中的夾雜物。液面上升過程中，液芯部分的保護渣熔損后，通過篩網均勻補加保護渣。試制曲臂鍛件用54 t下注鋼錠錠身澆鑄時間28 min，冒口補縮14 min，冒口欠澆高度350 mm。澆鑄結束后，加發熱劑56 kg/錠、稻殼灰保溫劑20 kg/錠，脫模時間18 h。

4.5 加熱、鍛壓及鍛后熱處理

4.5.1 鍛壓

鋼錠脫模后，立即裝車熱送至鍛件廠，按照規程和具體的工藝進行加熱、鍛壓。試制曲臂分為4火進行鍛壓，彎鍛示意見圖7。第一火：1 220℃保溫，20 h后壓鉗把、輕壓滾圓；第二火：1 230℃保溫，35 h后鐓粗、WHF法拔長；第三火：1 200℃保溫，10 h后出坯；第四火，1 160℃保溫7 h后彎鍛、完工。

圖7 試制曲臂彎鍛示意圖Figure 7 The schematic diagram of crankthrow bending

4.5.2 熱處理

鍛壓結束后及時裝入加熱爐進行正火和鍛后擴氫處理。采用一次鍛后正火及擴氫回火的熱處理工藝。通過正火、回火達到均勻組織、細化晶粒的目的。300～350℃的過冷保溫是為了使奧氏體充分溶解，然后再進行擴散去氫回火。試制曲臂鍛件采用630～650℃進行35 h擴散去氫處理。理論研究表明，在此溫度下氫的溶解度比較小，擴散系數較大，去氫效果最好。

4.5.3 理化性能檢測

鍛件經回火后冷卻到室溫，在規定部位(正火件加長部分)切片，檢測力學性能、低倍及高倍組織。力學性能檢測結果見表7，切片酸浸低倍照片見圖8，顯微組織見圖9。

由表7可見，力學性能全部合格，并且數據均有較大的富余量，說明該曲臂用S34MnV鋼所制定的化學成分、熱處理工藝能滿足曲臂性能要求。

圖8可見，試制曲臂鍛件一般疏松小于2.0級，證明該鍛件壓透、壓實效果較好。

通過對圖9的觀察，試制曲臂鍛件用S34MnV鋼的金相組織為珠光體(圖中呈黑色的部分)+鐵素體(圖中呈白色的部分)，晶粒大小均勻，夾雜物及晶粒度級別見表4。