模具鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)化實踐

田永久，于海岐，劉清海，崔福祥，方恩俊，呂志勇，黃巖

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎工藝裝備，是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平高低的重要標志。隨著我國模具行業(yè)的迅速發(fā)展，模具鋼用量不斷增加，特別是大型、精密、復雜、長壽等技術含量高的模具比例逐年增大。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）的寬厚板連鑄機自投產(chǎn)以來，逐步以生產(chǎn)300 mm×2 100 mm以上超寬、超厚規(guī)格連鑄坯為主，98%以上的連鑄坯直供5500 mm軋機，軋后缺陷平均發(fā)生率為0.58%，主要產(chǎn)品結構為船板鋼、管線鋼、橋梁鋼、容器鋼、模具鋼、核電鋼及止裂鋼等。盡管模具鋼產(chǎn)量占比僅為9.3%，但缺陷發(fā)生率明顯高于其他鋼種，主要為軋后鋼板內(nèi)部“硬芯”、“砂眼”缺陷，發(fā)生率達1%以上，嚴重影響了產(chǎn)品整體質(zhì)量。為此，本研究針對模具鋼種的缺陷進行系統(tǒng)分析，在對連鑄坯、軋材檢驗分析的基礎上優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，制定了模具鋼內(nèi)部質(zhì)量控制技術，徹底消除軋材“硬芯”、“砂眼”缺陷，提高了模具鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

1 生產(chǎn)設備及工藝流程

1.1 設備概況

鲅魚圈模具鋼連鑄坯生產(chǎn)設備概況為：3座260 t鐵水預處理裝置，3座260 t頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐，2套260 t LF鋼包精煉爐，2套260 t RH真空脫氣爐，2臺1機2流1450板坯連鑄機，可生產(chǎn)規(guī)格為200 mm×（750～1 450 mm）的連鑄坯，1臺單流2300板坯連鑄機，可生產(chǎn)規(guī)格為300 mm×（1 550～2 300 mm）的連鑄坯，鑄機均采用 VAI公司的動態(tài)輕壓下技術、液位自動控制及二冷水自動控制模型等控制系統(tǒng)。

1.2 工藝流程

模具鋼生產(chǎn)工藝流程如下：

鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→精煉 （LF→RH）→1450連鑄機澆鑄 （常規(guī)板坯）/2300連鑄機澆鑄（厚板坯）

1450連鑄機主要生產(chǎn)供薄規(guī)格模具鋼（成品厚度≤50 mm）的連鑄坯，產(chǎn)量相對較低，內(nèi)部質(zhì)量相對穩(wěn)定；2300連鑄機主要生產(chǎn)供厚規(guī)格模具鋼（成品厚度≥100 mm）的連鑄坯，如 45、50、熱塑模具鋼1.2311等。

2 內(nèi)部質(zhì)量影響因素分析

2.1 連鑄坯低倍檢驗分析

隨機選取300 mm×2 300 mm規(guī)格模具鋼鑄坯做熱酸低倍檢測，鑄坯熱酸低倍缺陷形貌見圖1，鑄坯熱酸低倍評級結果見表1所示。

圖1 鑄坯熱酸低倍缺陷形貌Fig.1 Macrostructure Appearance of Defects in Casting Blanks after Pickling by Hot Acid

表1 鑄坯熱酸低倍評級結果Table 1 Macrostructure Rating Results of Casting Blanks after Pickling by Hot Acid

從圖1看出，連鑄坯中心偏析、中間裂紋嚴重；由表1看出，中間裂紋達到3.0級。經(jīng)測量，中間裂紋距離鑄坯內(nèi)弧表面40～90 mm。

為確定鑄坯熱酸低倍評級和鋼板內(nèi)部缺陷的對應關系，將以上鑄坯軋制為95 mm×2 300 mm規(guī)格鋼板，對鋼板取樣檢驗，進一步分析內(nèi)部組織形態(tài)的變化。

2.2 軋材檢驗分析

按照普軋工藝軋制鋼板，并沿鋼板厚度方向采用機械切割觀察斷面質(zhì)量，如圖2所示。由圖2可見，鋼板厚度1/4位置肉眼可見一處“砂眼”缺陷。本研究對缺陷位置取全厚度試樣，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后觀察組織形貌。

圖2 鋼板斷口形貌及缺陷取樣Fig.2 Fracture Appearance of Steel Plates and Samples Taken at Defects

2.2.1 全厚度鋼板金相顯微鏡檢測

為了研究鋼板性能變化規(guī)律，對試樣的表面、厚度1/4、中心分別做金相顯微鏡及洛氏硬度檢測，結果見圖3。由圖3（a）看出，表面組織較為細小均勻，為回火索氏體組織及碳化物，無偏析組織，測得洛氏硬度為 28 HRC；由圖 3（b）看出，厚度1/4位置組織為回火索氏體+回火馬氏體+碳化物，部分組織依然保留馬氏體位向關系，存在輕微偏析，測得洛氏硬度為32 HRC；由圖3（c）看出，芯部組織為回火索氏體+回火馬氏體+鐵素體，發(fā)現(xiàn)少量塊狀白亮偏析組織，測得洛氏硬度為44 HRC。

圖3 鋼板表面、厚度1/4和芯部組織金相顯微鏡及洛氏硬度檢測結果Fig.3 Microstructural Test Results of Steel Plate Surface,1/4 Thickness in Steel Plate and Center in Steel Plate Detected by Metallurgical Microscope and Rockwell Hardness Checking

此類鋼板基體組織要求洛氏硬度控制在28～36 HRC以內(nèi)，上述分析得知，鋼板表面及1/4位置滿足要求，芯部洛氏硬度遠遠高于其他位置且已超出標準要求，存在“硬芯”缺陷。

2.2.2 全厚度鋼板原位分析檢測

為確定偏析元素種類及分布，對鋼板厚度（95 mm）方向原位分析檢測，結果如圖4。由圖4看出，主要偏析元素為 C、P、Cr、Mn、Si，計算各元素偏析度 （最大值/平均值）順序為P（3.76）>Cr（2.63）>Mn（2.10）>C（1.96）>Si（1.73）。

圖4 全厚度鋼板原位分析檢測結果Fig.4 In-situ Analysis Results of Steel Plate in Through Thickness

2.2.3鋼板缺陷金相顯微鏡檢測

為確定缺陷形成時機，測量“砂眼”缺陷位置,距離鋼板上表面20～40 mm截取缺陷試樣，對缺陷做金相顯微鏡檢驗，缺陷拋光態(tài)組織和腐蝕態(tài)組織見圖5。由圖5（a）可以看出,在缺陷位置試樣內(nèi)可見一條主裂紋呈折線狀向內(nèi)擴展，裂紋尖端尖銳，部分裂紋內(nèi)存在脫碳層；由圖5（b）看出,試樣基體顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，缺陷處顯微組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，與基體組織形態(tài)略有不同，存在一條裂紋。

圖5 缺陷拋光態(tài)組織和腐蝕態(tài)組織Fig.5 Microstructures of Defects in Polished State and Corroded State

綜合上述檢驗結果可知，鋼板“砂眼”缺陷同鑄坯中間裂紋位置一一對應，可確定為鑄坯態(tài)產(chǎn)生的中間裂紋軋后遺傳導致。

3 工藝優(yōu)化及應用效果

3.1 優(yōu)化鋼種成分

冶煉過程均按照低磷鋼標準控制P元素含量（≤0.015%）；對主要的易偏析元素Cr、Mn的成分進行了兩次優(yōu)化，在滿足鋼種性能前提下逐步降低其含量，以抑制鑄坯中心偏析，成分優(yōu)化后鑄坯中心偏析情況見表2。

表2 成分優(yōu)化后鑄坯中心偏析情況Table 2 Situation on Central Segregation of Casting Blanks after Optimization of Compositions

3.2 優(yōu)化二冷配水比例

比水量由原來的0.63 m/h降低至0.38 m/h，采用弱冷方式，降低鑄坯寬度、長度方向的溫度梯度，抑制中間裂紋產(chǎn)生。

3.3 優(yōu)化輥縫評價標準

輥縫偏差由原來的±1.0 mm提高至±0.5 mm以內(nèi)。通過提高輥子堆焊材質(zhì)，避免在使用中出現(xiàn)輥面脫落；規(guī)范潤滑系統(tǒng)及保護氣體檢驗、使用標準；使用力矩扳手緊固螺栓，消除受力不均導致的間隙變化；清理扇形段各基準面、水口、液壓管周圍，并做好防護。

圖6 為優(yōu)化前后輥縫及中間裂紋對比，由圖6可知，優(yōu)化后輥縫±0.5mm合格率由83%提高至96%，鑄坯中間裂紋≤1.0級合格率由77%提高至96%。

圖6 優(yōu)化前后輥縫及中間裂紋對比Fig.6 Comparison of Roll Gap and Intermediate Cracks before and after Optimization

采取上述優(yōu)化工藝后，模具鋼內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)步提高，鑄坯中心偏析≤B0.5級的比例達到100%，鑄坯中間裂紋穩(wěn)定控制在1.0級以下，軋后鋼板內(nèi)部“硬芯”、“砂眼”缺陷發(fā)生率為零。

4 結語

采用酸洗、金相檢驗、原位分析等方法對模具鋼種連鑄坯和鋼板缺陷試樣進行了檢測，分析認為模具鋼“硬芯”缺陷為連鑄坯中心偏析導致；模具鋼“砂眼”缺陷為連鑄坯中間裂紋導致。據(jù)此對模具鋼的生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，優(yōu)化鋼種成分，冶煉過程P含量保持≤0.015%，降低主要易偏析元素Cr、Mn的含量；優(yōu)化二次配水比例，比水量由0.63 m/h降低至0.38 m/h；優(yōu)化輥縫評價標準，輥縫偏差由±1.0 mm提高至±0.5 mm以內(nèi)。工藝優(yōu)化后，鑄坯中心偏析≤B0.5級的比例達到100%，鑄坯中間裂紋穩(wěn)定控制在1.0級以下，軋后鋼板內(nèi)部“硬芯”、“砂眼”缺陷發(fā)生率為零。