高韌性抗熱耐磨鑄鋼襯板的研發

萊鋼集團機械制造有限公司 （山東萊蕪 271104） 張懷鵬 朱小波 于俊才

襯板是高爐渣處理設備的關鍵部件，在服役過程中受到熔渣的熱負荷、沖擊、高溫磨損作用，易出現沖擊斷裂和磨料磨損，故要求其具有高耐磨性、強韌性和抗高溫氧化性。萊鋼高爐現役襯板制造成本高，高溫磨損快，使用壽命短，達不到設計要求。為此，我公司開始研制成本低、韌性高、抗熱耐磨性更好的新型襯板。

1.化學成分的選擇

根據高韌性、抗熱耐磨鑄鋼襯板的工況條件，針對現役襯板抗熱耐磨性能差的現象，再考慮到經濟原因，合理設計了高韌性、抗熱耐磨襯板的化學成分，與現役襯板材料相比，C、Cr、Si、Mn、RE、S和P含量基本相同，而降低了合金Ni的含量，提高了合金元素W、Nb的含量。試驗襯板與現役襯板化學成分對比見表1。

表1 試驗襯板與現役襯板的化學成分（質量分數） （%）

2.熔煉和鑄造工藝

（1）熔煉 采用0.5t堿性爐襯中頻感應電爐熔煉鋼液。熔煉工藝如下：①先向爐中加入廢鋼、生鐵及鉻鐵合金，待其大部分熔化后再加入鎳板，最后加入高熔點鎢鐵和鈮鐵。②鋼液熔清并調整化學成分后，提溫至1720～1760℃高溫熔煉。③在出鋼前數分鐘內加入硅鐵和硅鈣脫氧，然后加入適量鋁絲進行終脫氧。④在澆包中加入稀土復合變質劑進行變質處理。⑤鋼液出爐溫度為1500～1600℃，為了保證鋼液成分的準確性，出爐前使用光譜儀測量成分。⑥往包內撒入適量保溫聚渣劑覆蓋，并鎮靜5min左右，扒渣。⑦澆注溫度為1530～1570℃。

（2）鑄造 襯板單件重52kg，木模收縮率選2.3%～2.5%，采用普通分模造型和呋喃樹脂砂自硬鑄型生產，涂刷醇基鋯粉涂料，要求攪拌充分，均勻刷涂兩次，加溫快干。冒口尺寸比普碳鋼大20%～30%，設置兩個楔形易割保溫冒口。

試生產的襯板表面質量較好，尺寸精度較高，未見縮孔等鑄造缺陷。

3.熱處理工藝

鑄態材料組織粗大，存在著嚴重的枝晶偏析，影響材料的韌性和強度，必須經過適宜的熱處理來改善組織狀況，提高性能。試驗襯板熱處理工藝為固溶處理＋穩定化處理。

（1）固溶處理 將襯板加熱到Ac3＋50～90℃（1070～1150℃）并保溫一段時間，使鋼中的碳化物等過剩相充分溶解到固溶體中，得到化學成分基本均勻的單相奧氏體組織，然后快速冷卻，以得到過冷奧氏體固溶組織，目的是改善襯板的韌性和耐熱性。

襯板屬薄壁件，低溫階段升溫過快易開裂；高溫階段升溫太慢，保溫時間太短，都會影響鑄件質量。因此，正確的操作是550℃以下，升溫速度控制在50～100℃/h；至>550℃時，升溫速度控制在100～200℃/h。只有足夠的保溫時間才能使碳化物充分溶解，根據襯板的厚度和試驗條件確定保溫時間，取3～4h為宜。固溶處理工藝曲線如圖1所示。

（2）穩定化處理 試驗襯板在較高的溫度(400～800℃)下工作時，固溶處理后碳化物(主要是碳化鉻) 會重新析出，故還需進行穩定化處理。穩定化處理工藝是將鑄件加熱至Ac1＋30～50℃（850～900℃），最好加熱到穩定元素的碳化物幾乎全部析出的溫度，并保溫一段時間，然后空冷，使奧氏體鋼中的碳充分與鈦、鈮化合形成穩定的碳化物，從而發揮它們的穩定作用，使襯板在長期服役過程中形位尺寸變化能在可控范圍內，避免形成高鉻碳化物，提高其抗晶間腐蝕能力。穩定化處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 試驗襯板的熱處理工藝曲線

4.試驗結果與分析

（1）顯微組織觀察 將試驗襯板和現役襯板各取一鑄態和熱處理態試樣，進行金相組織觀察與對比，如圖2所示。由圖2a、b可知，兩種襯板的鑄態組織為奧氏體+少量鐵素體+碳化物，碳化物呈連續網狀分布。由圖2c、d可知，熱處理后試驗襯板的組織為奧氏體+碳化物，且組織明顯細化和均勻化。試驗襯板與現役襯板相比，由于含量較高的Nb、W元素，組織中有一定數量的顆粒狀MC型碳化物。呈M23C6型的碳化物彌散分布在晶內和晶界上，能有效阻礙晶界滑移，提高鋼的強度。

圖2 襯板金相組織

（2）高溫抗氧化性試驗 采用增重法，通過計算試樣單位面積、單位時間的氧化增加質量即氧化速度來評定其高溫抗氧化性能。氧化速度越快，材料抗氧化性能越差，反之，抗氧化性能越好。從熱處理后的試驗襯板上取樣，測3組數據，取其平均值，并與現役襯板作對比，試驗結果見表2。

表2 抗氧化性試驗結果

由表2可以看出，現役襯板在900℃、1100℃下，氧化速度遠大于試驗襯板的氧化速度。參照GB/T13303—1991《鋼的抗氧化性級別評定標準》可知：試驗襯板在900℃下完全抗氧化，在1100℃下抗氧化，而現役襯板在900℃、1100℃下都是弱抗氧化，說明試驗襯板的抗氧化性顯著優于現役襯板。

（3）沖擊韌度測試 依據GB/T2106—2005《金屬夏比(V型缺口)沖擊試驗方法》，用JB—30型擺錘式沖擊試驗機測定試樣鑄態和熱處理態的沖擊值，結果見表3。通過固溶處理，適當控制溶質含量，可明顯提高強度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性。

表3 試樣的沖擊吸收能量 （J）

（4）耐磨性試驗 對鑄態和不同高溫抗氧化性試驗條件下的試驗襯板和現役襯板的試樣進行了耐磨性試驗。其結果見表4。由表中可知，900℃氧化后的耐磨性比鑄態時好，1100℃氧化后耐磨性和鑄態時差別不大。試驗襯板材料和現役襯板材料相比，其硬度和耐磨性是增加的。

表4 試樣鑄態的硬度及耐磨性

相對于現役襯板，試驗襯板中添加了較多量的Nb、W，其與C結合形成了具有很高熱穩定性的NbC、WC硬質點，提高了碳化物的硬度。尤其是NbC的晶格強度與晶格類型和奧氏體非常接近，所以NbC彌散分布在奧氏體基體上，與之牢固結合，起彌散強化作用，提高基體的強度。碳化物數量的增加，硬度的提高，以及基體強度的提高，對提高耐磨性都有貢獻，因此試驗襯板的耐磨性比現役襯板有明顯提高。而在1100℃下長期氧化時，鋼中的MC型碳化物較900℃時少，所以試驗襯板硬度及耐磨性減小。

5.結語

通過合理設計化學成分和正確制定鑄造與熱處理工藝，改善了試驗襯板材料的微觀組織，獲得了良好的力學性能。與現役襯板相比，硬度和耐磨性明顯增加，抗氧化性能顯著，經固溶處理+穩定化處理后提高了強韌性。新型高韌性、抗熱耐磨鑄鋼襯板的研發成功，對降低生產成本，延長使用壽命起到積極作用，將具有廣闊的市場空間。