大型鍛件用新型水冷板坯鋼錠

文／任樹洋，馮永虎，楊后雷，陳曉亮，曹智勇，劉殿山·通裕重工股份有限公司

大型鍛件用新型水冷板坯鋼錠

文／任樹洋，馮永虎，楊后雷，陳曉亮，曹智勇，劉殿山·通裕重工股份有限公司

本文介紹了一種可以用于生產(chǎn)大型鍛件的新型水冷板坯鋼錠，對使用該鋼錠鍛造的齒條鋼鍛件進(jìn)行了成品化學(xué)成分和力學(xué)性能分析，結(jié)果表明鍛件的水、冒口化學(xué)成分偏差很小，碳偏差不超過0.05%，力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼錠利用率達(dá)到了83%。

大型鍛件是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)事業(yè)發(fā)展所必需的各種大型、關(guān)鍵設(shè)備、裝置中的主要基礎(chǔ)零部件，其生產(chǎn)能力與技術(shù)水平是衡量一個國家的重工業(yè)發(fā)展水平與重大關(guān)鍵技術(shù)裝備自給能力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。按我國重機(jī)行業(yè)的規(guī)定，凡是需要1000t以上鍛造壓機(jī)生產(chǎn)的自由鍛件都稱為大型鍛件。一般來說，單件重量大于5t的軸類鍛件和大于2t的餅類鍛件均屬于大型鍛件。

目前，世界上最大的用于自由鍛造的鋼錠是650t，并成功用于重達(dá)350t的整體低壓轉(zhuǎn)子的制造中。隨著鋼錠重量的增加，鋼錠各類的冶金缺陷如疏松、縮孔、偏析、夾雜物聚集等也越來越難以控制。特別是宏觀化學(xué)成分偏析問題，凝固后鋼錠的水、冒口偏析區(qū)往往超過材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，如切除量不夠往往會造成最終鍛件的報廢。鋼錠重量越大，鋼液在鋼錠模內(nèi)完全凝固所需的時間越長，鋼液冷卻速度越慢，偏析往往也就越嚴(yán)重?？梢哉f，控制好大型鋼錠的成分偏析是保證大型鍛件質(zhì)量的最關(guān)鍵因素之一。

我公司從控制鋼液凝固速度的原理出發(fā)，成功開發(fā)出了適用于自由鍛造的水冷模鑄板坯，可以用于大型鍛件的生產(chǎn)。該種板坯鋼錠在化學(xué)成分偏析控制上具有很大的優(yōu)勢，且鋼錠利用率高。

水冷板坯鋼錠規(guī)格及制造過程

我公司生產(chǎn)的水冷模鑄鋼錠形狀上是長方體，長度為2500mm，寬度方向在580～1040mm之間可調(diào)節(jié)，高度方向可在3000～4000mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，鑄錠重量為40～76t。

水冷模鑄鋼錠結(jié)晶器如圖1所示，底部和長寬方向的四個面周圍采用流動水進(jìn)行冷卻，且長寬方向的水冷板均可移動調(diào)節(jié)。鋼液通過澆注管道澆入水冷結(jié)晶器，澆注的同時循環(huán)水進(jìn)行冷卻，鋼錠表面凝固收縮后，微調(diào)寬度方向的水冷板使鋼錠表面和冷卻板進(jìn)行接觸，保證鋼錠快速冷卻，以達(dá)到控制偏析的目的。待鋼錠凝固完成后，先調(diào)節(jié)鋼錠周圍水冷板偏離鋼錠一定距離，吊出水冷結(jié)晶器，再將鋼錠取出。生產(chǎn)出的水冷板坯鋼錠如圖2所示，可以看出該鋼錠表面質(zhì)量良好且冒口較小。

圖1 水冷模鑄鋼錠結(jié)晶器示意圖

圖2 水冷板坯鋼錠(52t）

水冷板坯鋼錠的應(yīng)用及優(yōu)勢

目前，我公司利用水冷板坯結(jié)晶器生產(chǎn)了15爐鋼錠(重量總計約900t），用于制造厚板類和模塊類等鍛件，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，合格率高，化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)、超聲波無損檢測(UT）等均符合技術(shù)要求。下面對我公司制造的ASTM A517 Gr.Q齒條鋼產(chǎn)品的檢驗結(jié)果進(jìn)行介紹。

圖3 水、冒口化學(xué)成分取樣位置示意圖

用于自升式海洋石油鉆井平臺的齒條鋼是由厚板坯加工而來的，通常所用的厚板坯尺寸為177.8mm×2210mm×8890mm，材質(zhì)為 ASTM A517 Gr.Q，其化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見表1、2。我公司利用水冷板坯鋼錠鍛造成齒條鋼毛坯，鍛后熱處理后水、冒口端分別鋸片取樣分析成品化學(xué)成分，調(diào)質(zhì)處理后在1/4和1/2壁厚取樣進(jìn)行拉伸試驗、夏比沖擊試驗。

如圖3所示是鍛后水、冒口鋸切圖和化學(xué)成分取樣圖，成分試樣在板坯1/2壁厚位置每隔300mm取一處光譜試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，水口試樣用S表示，冒口試樣用M表示。所用光譜儀型號為ARL-3460，成品化學(xué)成分檢測結(jié)果見表3。由表3可以看出，水、冒口化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，Si、Mn、Mo、V等元素的含量均和熔煉成分接近，C、Cr和Ni略有偏析存在。冒口端最大碳含量為0.19%，水口端最小碳含量為0.14%，碳偏差在0.05%范圍內(nèi)。整體上該鍛件成品化學(xué)成分較均勻，說明水冷板坯鋼錠在成分偏析控制上達(dá)到了很好的效果。

該齒條鋼鍛件鋸掉水、冒口后實際重量為43.1t，采用的水冷板坯鋼錠重量為52t，實際鋼錠利用率為83%，且兩端化學(xué)成分均合格。從生產(chǎn)的6塊齒條鋼寬厚板UT結(jié)果看，有一塊寬厚板鍛件冒口端存在600mm×600mm區(qū)域的密集缺陷區(qū)，其余寬厚板鍛件均未發(fā)現(xiàn)當(dāng)量大于φ2mm的缺陷。對鍛件毛坯粗加工、調(diào)質(zhì)處理后，在1/4和1/2壁厚處取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果見表4，從檢測結(jié)果可以看出，各項指標(biāo)均大大優(yōu)于ASTM A517標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求。

■ 表1 ASTM A517 Gr.Q的化學(xué)成分

■ 表2 齒條鋼的力學(xué)性能要求

■ 表3 齒條鋼鍛件水、冒口端的化學(xué)成分

■ 表4 齒條鋼水、冒口端力學(xué)性能要求及檢測值

結(jié)束語

為了控制大型鍛件用鋼錠的成分偏析，我公司研發(fā)了水冷模鑄鋼錠并將其成功用于齒條鋼等產(chǎn)品的生產(chǎn)中，成品化學(xué)成分分析表明水、冒口兩端最大的碳偏差不超過0.05%，且各項力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。該水冷鋼錠利用率為83%，鋼錠利用率較高。

任樹洋，主任工程師，主要從事大型鍛件用鋼錠的冶煉、鍛造及熱處理工藝研發(fā)工作，獲得山東省技術(shù)創(chuàng)新二等獎兩項，擁有發(fā)明專利兩項，實用新型專利一項。