馬氏體氣閥鋼縱裂形成原因及連鑄工藝優化

薛青春

（山東鑫海科技股份有限公司， 山東 莒南 276600）

1 馬氏體氣閥鋼的生產情況

馬氏體Cr-Si 系氣閥鋼是內燃機進氣閥、排氣閥常用材料，600～800 ℃具有良好的抗氧化性和高溫強度，在中小型柴油發動機、重載汽車排氣閥部件中得到廣泛應用[1]。

某廠2018 年7 月份試制生產馬氏體氣閥鋼（以下簡稱氣閥鋼）180 mm×180 mm 規格方坯2 個澆次，均在連鑄澆鑄過程中因鑄坯出現縱裂而導致漏鋼事故，不僅造成生產成本大幅度提高，還嚴重影響生產秩序和產品成材率，圖1 為漏鋼處前面缺陷圖，馬氏體氣閥鋼主要成分見表1，某廠連鑄機主要技術參數見表2。

表1 馬氏體氣閥鋼主要成分 %

表2 某廠連鑄機主要技術參數

2 縱裂缺陷形成原理及主要影響因素

2.1 縱裂缺陷形成原理

從根本上講，鑄坯表面縱裂是由于坯殼在結晶器內冷卻不均勻導致應力集中而發生[2]。初生坯殼生長不均勻造成強度不均勻，在坯殼薄弱處產生局部應力集中，同時在保護渣流入低的地方，使凝固坯殼成長滯后，在坯殼表面形成凹陷，當應力的增加超出凹陷處坯殼表面高溫強度及允許變形率時，鑄坯皮下裂紋發展成細小縱裂紋，細小的縱裂紋出結晶器后在二冷區將沿著樹枝晶間低塑性去繼續撕裂，形成粗大縱裂紋，嚴重時出現縱裂漏鋼。

2.2 縱裂缺陷形成影響因素

由縱裂紋形成原理可知，縱裂是否產生主要取決于結晶器內初生坯殼厚度、坯殼高溫力學強度、坯殼所受應力大小，以及出結晶器后坯殼所受機械應力與熱應力大小。從連鑄生產實際及裝備工作狀況看，鑄坯表面是否出現縱裂缺陷主要有以下幾個因素：

1）設備方面。結晶器錐度及熱工作狀態（傳熱效率、有無變形、超過允許深度的劃傷），結晶器、夾持段對弧等。

2）工藝方面。澆鑄溫度，鋼水成分，水口尺寸，水口浸入深度以及在結晶器內對中，結晶器液面波動，鋼液在結晶器內流動狀態，拉坯速度與澆鑄溫度。

3）結晶器保護渣性能。單靠設備及工藝操作不能完全解決問題時，還需有性能（如粘度、堿度）與該鋼種澆鑄條件匹配的結晶器保護渣。

3 縱裂缺陷形成原因及主要控制措施

3.1 縱裂缺陷形成原因

經過現場實地跟蹤生產情況，調取生產原始記錄等方式，該廠生產氣閥鋼時發生縱裂缺陷，主要由以下幾個原因：

3.1.1 水口不對中

操作人員在操作過程中存在隨意性外，比如，澆鑄過程中水口對中不良，見圖2。

圖2 結晶器內中包水口對中情況

3.1.2 澆鑄溫度高

因該鋼種在之前澆鑄過程中發生因溫降過快導致絮流的生產事故，在實際生產澆鑄溫度過熱度遠高于工藝要求的目標過熱度，見表2。

表2 實際澆鑄過熱度與工藝要求目標過熱度 ℃

3.1.3 保護渣選用不合理

該廠原以生產300 系、400 系不銹鋼為主，主要使用兩種保護渣，兩次澆鑄氣閥鋼時交替試用兩種保護渣，均發生縱裂缺陷導致的漏鋼事故，表明現場使用的保護渣性能與所澆鑄鋼種不匹配，影響結晶器內坯殼形成的均勻性，300 系、400 系保護渣主要成分及理化性能見表3。

3.2 改進措施及執行效果

針對現場發現的問題及工藝存在的不足，后續試制生產澆次主要從以下3 個方面進行改進。

3.2.1 現場跟蹤指導

避免操作隨意性，現場跟蹤指導操作人員操作，同時將水口浸入深度調整至（85±5）mm 以減輕液面波動，改進后實際生產水口對中及浸入深度，見圖3。

表3 保護渣主要成分及理化性能（質保書數據）

圖3 改進后水口對中及浸入深度

3.2.2 適當延長中間包烘烤時間

鋼包增加保溫層，降低澆鑄過程中間包溫降速度，進而保證在降低澆鑄過熱度同時不發生絮流事故，第三次試制時過熱度見表4。

表4 第三次試制中包過熱度與工藝要求目標過熱度 ℃

3.2.3 試用型號專用保護渣

使用較高堿度的保護渣，兼顧潤滑功能的同時改善結晶器內傳熱，確保結晶器內初生坯殼均勻性，新型號保護渣主要成分及理化性能見表5。

表5 新型號保護渣主要成分及理化性能（質保書數據）

4 結語

結合第三次試制時制定措施，在實際生產中均得到執行，試制過程中未發現鑄坯表面存在縱裂缺陷，說明采取措施有效。在后續生產中，按照改進后的操作要求和工藝要求進行生產2 個澆次馬氏體氣閥鋼，均未出現縱裂缺陷，鑄坯表面質量良好。