Mn13鋼種的凝固特性研究及連鑄工藝實踐

元鵬飛，李忠利

（山西太原不銹鋼股份有限公司煉鋼二廠，山西 太原 030003）

奧氏體高錳鋼是由Robert Hadfield先生在1882年發明的，它具有高強度、高韌性、高延伸率、無磁性、出色的耐磨性以及使用過程冷作硬化等性能[1-2]。以Mn13為典型代表的高錳耐磨鋼已在造船、汽車、機械、發電、水泥、礦山、煤炭等行業普遍使用，并廣泛應用于拋丸機、球磨機、粉碎機、保險柜、防彈車等易被強沖擊磨損的機械部位。

當鋼中w（Mn）＞12%時柱狀晶發達，有形成粗晶和裂紋傾向[3]。目前國內主要采用模鑄工藝生產Mn13鑄件或鋼錠，最后軋制成材。根據文獻報道[4]，目前僅寶鋼于2009年建成投產的1臺立式連鑄機可以生產Mn13連鑄坯，除此之外暫無立彎式連鑄機生產Mn13連鑄坯的實踐經驗。采用立彎式連鑄機生產Mn13鑄件，因鑄坯在進入弧形段和矯直段時變形應力較大，容易產生應力集中現象，控制不當則會使鑄坯產生通長縱裂缺陷。

本文通過研究Mn13鋼種凝固特性，分析連鑄工藝難點，制定改進措施，成功開發出立彎式連鑄機生產Mn13鋼種的工藝技術。

1 Mn13生產情況

1.1 Mn13鋼種成分

Mn13鋼種成分如表1所示。由表可知，Mn13主要成分包括碳和錳。高錳鋼中的碳主要有兩個作用，一是有利于形成單相奧氏體組織；二是固溶強化。含碳量增加，強度硬度增加，塑性及韌性降低。錳是穩定奧氏體的元素，錳量增加，高錳鋼的強度、塑性及沖擊韌度均提高。碳和錳達到一定含量時，可獲得單一的奧氏體組織，可以得到較好的強韌匹配，同時可提高高錳鋼的耐磨性。

表1 Mn13鋼種成分 %

1.2 連鑄機型

生產Mn13鋼種的連鑄機為奧鋼聯1機1流連鑄機，鑄坯斷面規格為220 mm×1 260 mm，拉速為0.7~1.0 m/min。結晶器采用組合式銅板結晶器，銅板內嵌三排熱電偶可進行黏結漏鋼檢測。結晶器振動為液壓式振動，可實現正弦或非正弦振動工藝。扇形段包括1個彎曲段、5個弧形段、2個矯直段和4個水平段，且具備動態輕壓下功能。二次冷卻采用氣水冷卻方式，具備邊部幅切功能。

1.3 Mn13連鑄生產中存在的問題

Mn13連鑄生產初期主要存在鑄坯表面縱裂、鑄坯中心偏析、開澆頭坯黏結、封頂尾坯撕裂等問題。Mn13鑄坯內弧存在的通長縱裂紋缺陷（見下頁圖1）寬度約15 mm，深度約20 mm。縱裂會造成鑄坯整爐判廢，成材率不到50%。由于縱裂發生時對應結晶器內熱電偶曲線紊亂、摩擦力異常升高，采取降低拉速、控制過熱度、優化水口插入深度和減弱一冷水工藝等措施，依然無法從根本解決該問題。其次，Mn13容易在連鑄開澆階段的拉矯機起動時發生結晶器內初生坯殼黏結問題，嚴重時會造成黏結漏鋼事故（見下頁圖2）。由于Mn13具備高碳鋼鋼種特性，在尾坯封頂時液芯不易凝固補縮，易造成低拉速時間長，從而導致坯尾在進入弧形段后發生角部坯殼被輥子撕裂問題（見下頁圖3）。除此之外，Mn13連鑄坯在凝固過程中，碳化物沿晶界析出，在鑄坯中心還存在嚴重碳偏析，導致軋后分層不合。

圖1 內弧通長縱裂

圖2 開澆起步黏結

圖3 尾坯封頂掉肉

2 Mn13鋼種凝固特性研究

2.1 凝固相變研究

Mn13屬于高碳高錳鋼種，圖4為w（Mn）=13%的Fe-Mn-C三元合金相圖[5]，圖5為w（C）=1%的Fe-Mn-C凝固過程中相組織變化[5]。

圖4 w（Mn）=13%的Fe-Mn-C三元合金相圖

圖5 w（C）=1%的Fe-Mn-C凝固組織變化

由圖4和圖5可知：Mn13鋼種的凝固過程是單一的奧氏體相晶粒長大，同時伴隨著碳化物在晶界析出的過程。一方面，該鋼種凝固組織中柱狀晶發達，晶粒粗大；另一方面，由于連鑄凝固是快速的非平衡凝固過程，由此導致沿晶界的碳化物偏析非常嚴重；同時Mn13具備高碳鋼鋼種特性，其高溫強度低、凝固收縮大，導致結晶器內初生坯殼極易發生厚薄不均勻問題。綜上因素導致了Mn13鋼種強烈的縱裂傾向[6]。

2.2 凝固速率研究

某公司進行了Mn13鋼種的模注試驗：鑄造一個邊長為300 mm的立方體鑄模；在冒口和鑄件中放置熱電偶，以記錄鑄件不同位置凝固溫度變化曲線（見圖6）。由圖6可知：澆注完成后的8 min內，型腔溫度幾乎沒有變化；8~11.5 min，型腔溫度從1 425℃降至1 275℃，即每分鐘降溫43℃；12 min后，鑄件和冒口全部凝固。而碳鋼則需要60min才能完全凝固。

圖6 Mn13鑄錠凝固過程溫降趨勢

將Mn13鑄件縱向解剖并滲透探傷（見圖7）。由圖7可知，Mn13凝固收縮非常大，收縮率高達10%左右。

圖7 Mn13鑄錠縱向解剖

由試驗可知：Mn13鋼水從澆注溫度冷卻到液相線溫度期間，鋼水過熱較大；而溫度降低到液相線以下時，其凝固速率非常快，凝固溫度范圍窄。

3 Mn13連鑄工藝控制措施及工藝要點

3.1 縱裂解決措施

針對Mn13鋼種縱裂問題，主要通過優化一冷、二冷及保護渣工藝解決。具體包括：降低一冷水量，減緩結晶器內初生坯殼厚度的不均勻性，減緩縱裂傾向；降低二冷水量，避免表面溫度過低，減小液芯和表面的溫度梯度，減緩縱裂傾向；優化保護渣理化性能，提高保護渣堿度，以提高結晶器內固態渣膜熱阻，控制傳熱[7]，降低保護渣黏度，增加Na2O、F-等助熔劑含量，保證充分的潤滑，進而從根本上解決鑄坯通長縱裂問題。保護渣工藝優化情況如表2所示。

表2 Mn13專用保護渣工藝優化

3.2 中心偏析及軋后分層解決措施

針對Mn13鑄坯中心偏析問題，制定合理的電磁攪拌工藝和動態輕壓下工藝，以減輕嚴重的中心碳偏析。電磁攪拌采用電流為400 A、頻率為5 Hz，15 s的換向工藝。優化動態輕壓下的壓下量工藝，糊狀區壓下量由常規品種鋼的1.9 mm增加至2.3 mm，較好地解決了鑄坯中心偏析及軋后分層問題。

3.3 開澆工藝要點

針對Mn13開澆起步時鑄坯容易黏結問題進行分析：該鋼種澆注時溫度低，結晶器內鋼水開澆出苗過程中，由于保護渣來不及充分熔化并形成足夠液渣，導致坯殼潤滑效果差，進而造成黏結。針對此問題采取以下工藝優化措施：封堵引錠時減少冷料加入量，防止冷料吸熱降溫；開澆時加入發熱型起注渣，提高彎月面處溫度，促進保護渣熔化；在出苗過程中盡早加入保護渣，延長保護渣熔化時間。

3.4 封頂工藝要點

針對Mn13封頂尾坯液芯不易凝固補縮、低拉速時間長導致尾坯過弧形段時受應力作用，最終造成坯殼撕裂問題，制定以下工藝改進措施：封頂時將拉速由0.5 m/min急降至0.1 m/min，降速后在結晶器壁和坯殼之間打水冷卻，迅速將尾坯凝固，保證低拉速時間控制在3 min以內，然后快升速將尾坯拉出鑄機。采取以上措施后，尾坯封頂效果良好，未發生尾坯撕裂或弓坯等問題。

4 結論

1）通過對Mn13鋼種凝固特性進行研究發現：Mn13鋼種凝固過程為單一奧氏體相，晶粒長大容易粗化導致柱狀晶發達，同時伴隨碳化物在晶界析出，這是導致該鋼種縱裂敏感性強的主要原因。

2）通過優化一冷、二冷和保護渣工藝，優化保護渣理化性能，成功解決了縱裂問題。

3）優化動態輕壓下的壓下量工藝，將糊狀區壓下量由常規品種鋼的1.9 mm增加至2.3 mm，較好地解決了鑄坯中心偏析及軋后分層問題。

4）通過堵引錠時減少冷料加入量，開澆時加入發熱型起注渣，并在出苗過程中盡早加入保護渣，減少了鑄坯黏結問題。

5）封頂時將拉速由0.5 m/min急降至0.1 m/min，保證低拉速時間控制在3 min以內，尾坯封頂取得了良好效果。