氣閥鋼方坯連鑄機設計特點

黃小東

(中冶華天南京工程技術有限公司， 江蘇 南京 210019)

氣閥鋼方坯連鑄機設計特點

黃小東

(中冶華天南京工程技術有限公司， 江蘇 南京 210019)

摘要：結合某特鋼廠R8 m二機二流不銹鋼方坯連鑄機的設備情況，介紹馬氏體不銹鋼氣閥鋼和奧氏體不銹鋼氣閥鋼的設計特點、凝固組織和凝固特點。

關鍵詞：連鑄機； 馬氏體不銹鋼氣閥鋼； 奧氏體不銹鋼氣閥鋼； 表面質(zhì)量； 內(nèi)部質(zhì)量

引 言

氣閥鋼屬于不銹鋼中的高級鋼種，也屬于耐熱鋼，主要包括奧氏體氣閥鋼和馬氏體氣閥鋼；奧氏體氣閥鋼主要鋼種為21-4N、21-2N和23-8N等，馬氏體氣閥鋼代表鋼號為1Cr6Si2Mo、4Cr9Si2、5Cr8Si2、5Cr9Si3和4Cr10Si2Mo等。氣閥鋼目前主要運用于高速汽車、戰(zhàn)車、艦艇等內(nèi)燃機的氣閥；氣閥的工況條件惡劣：工作溫度高、承受應力大、燃氣腐蝕嚴重、氣閥錐面磨損嚴重等惡劣的工況；由于氣閥工作條件苛刻，用戶對氣閥鋼的表面、內(nèi)部質(zhì)量要求高，因此這種需求推進了氣閥鋼的研究和生產(chǎn)；然而傳統(tǒng)的模鑄生產(chǎn)制約了氣閥鋼的產(chǎn)量，因此，連鑄生產(chǎn)氣閥鋼的意義重大。

1 國內(nèi)氣閥鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查結果表明，在國內(nèi)用連鑄機生產(chǎn)氣閥鋼的企業(yè)為數(shù)不多，除寶鋼公司和大連鋼鐵公司用連鑄生產(chǎn)少部分的氣閥鋼外，其他特鋼廠基本上都是用模鑄生產(chǎn)氣閥鋼，這樣嚴重制約了氣閥鋼的生產(chǎn)；寶鋼公司和大連鋼鐵公司的連鑄設備都是國外進口的，用國產(chǎn)連鑄機生產(chǎn)氣閥鋼國內(nèi)目前沒有。直到2012年4月12日，在江蘇某特鋼有限公司全國產(chǎn)連鑄機設備上生產(chǎn)高端氣閥鋼的成功，標志著國產(chǎn)連鑄機生產(chǎn)氣閥鋼的時代開始；目前該連鑄能夠生產(chǎn)馬氏體和奧氏體氣閥鋼，性能穩(wěn)定，連鑄坯表面、內(nèi)部質(zhì)量良好，不需修磨，可以直接軋鋼成材，大大提高了氣閥鋼的生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)約了成本。

2 氣閥鋼的主要特性

2.1 馬氏體氣閥鋼的特性和凝固組織

馬氏體不銹鋼氣閥鋼的鋼種的主要化學成分特點為：高碳、高硅、鉻含量不高，基本不含鎳合金元素；所以馬氏體不銹鋼氣閥鋼對裂紋敏感，表面易凹陷，斷面收縮率大，具有高溫強度大等特點；其連鑄坯凝固組織為：鋼液凝固先析出δ相，然后發(fā)生L+δ→γ轉(zhuǎn)變，最后凝固成δ+γ，常溫下是奧氏體和馬氏體的混合組織。

2.2 奧氏體氣閥鋼的特性和凝固組織

奧氏體不銹鋼氣閥鋼的鋼種的主要化學成分特點為：高碳、高錳、高鉻、高鎳、高氮；所以奧氏體不銹鋼氣閥鋼對裂紋敏感性、斷面收縮率都遠大于馬氏體不銹鋼氣閥鋼，具有高溫強度大等特點；其連鑄坯凝固組織為：鋼液凝固先析出δ相，然后發(fā)生L+δ→γ轉(zhuǎn)變，最后凝固成δ+γ，常溫下是單一的奧氏體組織。

2.3 馬氏體、奧氏體氣閥鋼的高溫特性

不同的不銹鋼的高溫力學性能相差很大，如表1所示，1Cr13，2Cr13及含鉻16%～18%的鐵素體不銹鋼在1300℃下的抗拉強度僅為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的1/5，在連鑄過程中易出現(xiàn)凹陷和裂紋，必須低拉速澆鑄，保證連鑄坯與結晶器之間有均勻渣膜，以便保證連鑄坯良好的傳熱和潤滑[1-3]；同樣，奧氏體和馬氏體氣閥鋼的高溫力學性能相差很多，如表2所示；奧氏體氣閥鋼(21-4N,21-2N,23-8N)易產(chǎn)生裂紋、凹陷等，馬氏體氣閥鋼(4Cr9Si2，5Cr8Si2，5Cr9Si3)易凹陷，中心易出現(xiàn)疏松和偏析，因此，在生產(chǎn)過程中必須弱冷和低拉速操作。

表1 普通不銹鋼的高溫力學性能

表2 馬氏體、奧氏體氣閥鋼的高溫力學性能

2.4 馬氏體、奧氏體氣閥鋼的凝固特性

2.4.1 馬氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點

馬氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點為：由于該鋼種含碳量為0.35%～0.5%，含硅量為1.5%～3.5%，含鉻量為8%～12%，含微量的鎳合金元素，有部分鋼種含少量的鉬合金元素，所以該鋼種在高溫下對裂紋敏感性大，柱狀晶發(fā)達，等軸晶率低，中心疏松和偏析出現(xiàn)的幾率大，表面凹陷趨勢大，因此在設計工藝參數(shù)時，應該著重考慮鋼水過熱度、結晶器水量、二冷水量，振動參數(shù)等重要參數(shù)的設計，經(jīng)過實際生產(chǎn)表明：該鋼種應該是高過熱度，低拉速為主的工藝路線生產(chǎn)，這樣可以減少質(zhì)量缺陷，提高成材率。

2.4.2 奧氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點

由于奧氏體不銹鋼氣閥鋼的化學成分特點為：高合金、高碳、高錳和高氮，所以奧氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點為：收縮大、高溫強度大、高溫塑性區(qū)間窄、易產(chǎn)生裂紋、粘度大、易絮流、表面易凹陷、晶粒粗大和等軸晶率低等特點。

3 氣閥鋼連鑄機的設計

3.1 主要技術參數(shù)

根據(jù)氣閥鋼特性確定連鑄機及相關設備的主要技術參數(shù)如表3所示。

表3 連鑄機及相關設備主要技術參數(shù)

3.2 工藝特點

3.2.1 全程保護澆鑄

馬氏體、奧氏體不銹鋼氣閥鋼合金元素高，其中含少量的鈦、鋁和鉬等元素，在澆鑄過程中易氧化產(chǎn)生TiO2,Ti(CN),Al2O3等高熔點物質(zhì)，造成水口的絮流[4]、致使?jié)茶T中斷，以及連鑄坯中夾雜物的等級增高，出現(xiàn)不合格的產(chǎn)品；因此在澆鑄過程中必須全程保護澆鑄。所以在該連鑄機設計時，在大包與中間罐之間加長水口保護鋼流，中包用整體水口澆鑄，防止鋼水從中包進入結晶器時被氧化；另外，中包加覆蓋劑，結晶器加保護渣等措施來保護鋼液不被氧化，同時吹氬氣防止鋼流過程中吸入空氣而氧化鋼液。

3.2.2 中間罐的流場模擬和連續(xù)測溫

通過中包流場模擬的分析，合理設計中包內(nèi)襯，并在合適的位置設置擋墻和擋壩，可以很好地控制鋼流的流場，增加層流，減少紊流，有利于鋼液中的夾雜物上浮，減少鋼中的非金屬夾雜物；同時可以很好地控制溫度場，進而確保各流的溫度均勻，為動態(tài)配水打下基礎；根據(jù)不同的氣閥鋼的特型選用不同的中包覆蓋劑，這樣可以防止覆蓋劑吸收夾雜物和變性，防止二次污染鋼液。

配置中間罐連續(xù)測溫裝置來測中包鋼液溫度，以便合理地控制鋼液溫度，隨時掌控鋼液的過熱度，以確保澆鑄的正常進行，合理給定拉速和水量。

3.2.3 結晶器液面檢測及塞棒自動控制

通過塞棒機構和液面自動控制的配合使用來控制從中包到結晶器的鋼流量，塞棒機構和液面自動控制的配合能夠精確地控制結晶器液面的波動，控制在 ±3 mm之內(nèi)，這樣可以防止由于結晶器液面波動造成的卷渣、增加鋼中的非金屬夾雜物的缺陷，減少由于結晶器液面波動對振痕和皮下裂紋的不利影響。

3.2.4 保護渣的設計

結合氣閥鋼的特性，不同的氣閥鋼選用不同的專用結晶器保護渣，這樣可以更加合理保證保護渣能夠吸收鋼液中的非金屬夾雜物，同時減少坯殼與結晶器熱面的氣隙，進而減少熱阻，保證結晶器熱流密度的合理分配，確保連鑄坯在結晶器內(nèi)有合適的坯殼厚度，保證澆鑄的正常進行；通過保護渣專用的制度的建立，可以減少由于保護渣不合理造成振痕深、表面質(zhì)量差，凹陷、皮下氣泡和皮下裂紋等缺陷的影響。

3.2.5 結晶器錐度的設計

結合鋼種的特性，不同的鋼種選用不同結晶器的錐度，根據(jù)鋼種的凝固收縮特性設計結晶器的錐度，結晶器的錐度為連續(xù)錐度，該錐度有利于減小新生坯殼與結晶器之間熱阻，使新生坯殼均勻生長，減少連鑄坯表面質(zhì)量和振痕；同時有利于專用的保護渣填充新生坯殼與結晶器之間的間隙，減少熱阻，有利于熱量的導出。

3.2.6 氣霧冷卻

由于奧氏體和馬氏體氣閥鋼導熱系數(shù)低，所以冷卻方式采用氣霧冷卻-弱冷，氣霧冷卻能夠保證連鑄坯均勻冷卻，能夠防止造成連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量缺陷，如中心疏松、中心偏析、中心縮孔、角裂紋和其它類型的裂紋等。

氣霧冷卻的控制方式為非穩(wěn)態(tài)控制，界面圖如圖1所示：以坯齡為控制參數(shù)進行冷卻控制，建立起坯齡和水量的對應關系；在非穩(wěn)態(tài)控制中，拉速不再直接決定水量的大小，而是通過拉速計算出連鑄坯所在位置，從而決定在二冷區(qū)相應的位置供應所需的水量，并同時計算出連鑄坯的液心位置，為下一個位置給水做好準備；另外，在動態(tài)非穩(wěn)態(tài)控制方式的基礎上，某些氣閥鋼需要在二冷區(qū)設置保溫罩的措施來防止溫度下降過快，造成連鑄坯的開裂。

圖1 二冷配水軟件界面

3.3 設備要點

3.3.1 直臂式大包回轉(zhuǎn)臺和升降中間罐車

為了節(jié)約投資，鋼包回轉(zhuǎn)臺采用直臂式；配置大包加蓋裝置，減少鋼包內(nèi)鋼水的溫降；配置鋼包稱重系統(tǒng)，通過檢測鋼包的重量來防止鋼包下渣；為了方便鋼包長水口的安裝，設計時充分考慮中包蓋頂?shù)酱蟀_之間的距離；中間罐車采用液壓升降和橫移，這種設計便于中包水口和結晶器的對中及渣線的調(diào)整。

3.3.2 結晶器液壓全板簧非正弦振動裝置

由于生產(chǎn)氣閥鋼對振動頻率和振幅的要求高，該連鑄采用液壓全板簧非正弦振動裝置，采用板簧導向，減少鉸接點，延長了振動裝置的使用壽命并提高防弧精度；比例伺服閥、傳感器的接線采用航空插頭的連接方式，方便安裝和維修；對比例伺服閥、傳感器通氬氣或氮氣保護，防止高溫蒸汽的腐蝕和干擾；同時由于該振動裝置具備在線調(diào)整頻率和振幅的功能，能夠適應不銹鋼對振幅變化的要求，通過這種振動裝置，可以減少振痕深度，使振痕均勻，減少表面裂紋，通過實踐證明，采用這種振動裝置目前生產(chǎn)出的氣閥鋼可以直接進入加熱爐，無需修磨，提高了連鑄坯的成材率。

3.3.3 結晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌

由于馬氏體不銹鋼氣閥鋼在生產(chǎn)過程中，斷面收縮大、等軸晶率低、柱狀晶粗大且發(fā)達、中心疏松、中心偏析、中心縮孔嚴重，同時奧氏體氣閥鋼的生產(chǎn)過程中，連鑄坯斷面收縮大，等軸晶率低、柱狀晶粗大且發(fā)達，裂紋敏感性強；因此，設計中采用結晶器和末端電磁攪拌相結合的措施來克服、減少這類質(zhì)量缺陷，通過設置合理的結晶器和末端電磁攪拌的攪拌強度、頻率和電流來實現(xiàn)對該類質(zhì)量缺陷的控制；通過凝固計算來確定末端電磁攪拌的位置，使之能夠充分發(fā)揮減少中心疏松、中心偏析、中心縮孔的作用。

3.3.4 多機架拉矯機設計

根據(jù)馬氏體和奧氏體氣閥鋼的特性，生產(chǎn)過程中對拉矯機的熱坯壓力有不同的要求，所以該工程設計中拉矯機采用三個獨立機架(如圖2所示)，并采用連續(xù)矯直技術，每個機架的油缸壓下力可以單獨調(diào)節(jié)，機架全部通水閉路冷卻；通過采用該形式的拉矯機合理調(diào)節(jié)熱坯力，避免由于矯直力過大產(chǎn)生矯直裂紋、中心裂紋等缺陷。

圖2 三機架拉矯機

3.3.5 拉矯機后的設備及出坯方式設計

連鑄坯出拉矯機后，通過火切機切割成所需要的定尺后，經(jīng)過輸送輥道、出坯輥道， 由移坯車下線到冷床，根據(jù)氣閥鋼的特性，連鑄坯需要下線進入緩冷坑緩冷，減少由于冷卻不當造成連鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋；考慮到在不銹鋼切割過程中，有大量的煙霧，火切機設除塵裝置來保護周邊環(huán)境。

4 結束語

(1)氣閥鋼的質(zhì)量要求遠高于普通不銹鋼，生產(chǎn)過程中要求全程保護澆鑄、塞棒自動控制鋼流、結晶器液面自動檢測、高頻小幅的振動模式、運用高效弱冷的方式等工藝來保證氣閥鋼的質(zhì)量要求；

(2)氣閥鋼的工藝要求決定其設備特點，本連鑄機采用了液壓升降的中罐車、結晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌和多機架拉矯機等先進設備；

(3)通過合理工藝參數(shù)設計和設備選型，成功地實現(xiàn)第一臺全國產(chǎn)連鑄機生產(chǎn)高端氣閥鋼；

(4)氣閥鋼在連鑄上的成功生產(chǎn)，突破傳統(tǒng)的模鑄生產(chǎn)方式，降低了成本，提高了效率。

參考文獻：

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[3] 高澤平. 合金鋼方坯連鑄技術[J]. 湖南冶金，2001，(5)：25—29.

[4] 楊建川. 不銹鋼的連鑄技術[J]. 南方鋼鐵，1998，(2)：35.

收稿日期：2018-01-04

作者簡介：黃小東(1978—)，男，高級工程師。電話：18196797630；E-mail：65024354@qq.com

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