Φ600 mm 4130連鑄圓坯的質量影響因素與改善措施分析

胡佐宇，馬小亮，董詩朋

（承德建龍特殊鋼有限公司河北省鍛造用鋼技術創新中心，河北 承德 067201）

AISI 4130鋼是美國標準ASTM A29/A29M-05“熱加工碳素鋼和合金鋼棒材的一般要求”中合金鋼的一個牌號，4130鋼有較高的強度和韌性，低溫沖擊性能好等特點，用于生產閥體鍛件、軸、螺栓、齒輪等。此鋼種主要用于生產大型鍛件，若出現質量問題，就只能報廢，造成浪費。本文主要針對大型鍛件用Φ600 mm連鑄圓坯質量原因造成的鍛件超聲波探傷不合格的問題，分析探討煉鋼過程中可能存在的影響因素，并提出改進建議。

1 工藝流程

連鑄圓坯生產流程：轉爐—LF精煉—VD真空脫氣—圓坯連鑄。

閥體生產工藝流程：圓坯—下料—加熱—鍛造—成型—空冷—機加工—正火—探傷—成品。

2 產品技術要求

向加工閥體鍛件企業供應坯料的廠家需滿足以下技術要求。

2.1 化學成分

4130鋼化學成分要求如表1所示。

表1 4130鋼化學成分要求 %

2.2 低倍組織

連鑄圓坯橫截面酸浸低倍試片上不允許有肉眼可見的白點、分層、夾渣和翻皮缺陷，允許存在的各類低倍組織缺陷的合格級別要求：規格D≤Φ600 mm，中心疏松≤1.0，縮孔≤0.5，中心裂紋、中間裂紋、皮下裂紋和皮下氣泡為0級。

2.3 鍛后超聲波探傷

連鑄圓坯經需方加熱、鍛造（鍛造比≥3），鍛件內部超聲波檢測應按照ASTM A388（可以使用酸浸法）和ASTM E428中以直徑≤3.2 mm的平底孔為基礎，利用距離幅度曲線進行直線法校正，驗收標準如下：

1）利用直射法和斜射法檢驗時，不允許有任何超過校正基準線的不連續信號。任何解釋為裂紋或熱裂的信號也是不允許的。

2）不允許有每個均超過基準距離幅度校正曲線50%，且彼此間距離在13 mm以內的復合信號（即兩個或兩個以上的信號）。

2.4 非金屬夾雜物檢驗

非金屬夾雜物按GB/T10561 A法進行檢驗，A、B、C、D、Ds級別分別≤1.5級，A+B+C+D+Ds≤5級。

3 問題現狀和分析

通過對閥體鍛件因原料（連鑄圓坯）質量問題出現的缺陷類型進行調查，發現該缺陷主要帶來的問題為鍛后超聲波探傷不合格。而影響Φ600 mm大斷面連鑄圓坯質量的主要缺陷類別有：夾雜物超標、夾渣、皮下氣泡和低倍疏松或縮孔超標等，這幾類缺陷都是連鑄圓坯生產過程由于控制不當而可能出現的質量問題。

夾渣缺陷：在連鑄過程中，因結晶器液面的不穩定或中間包澆注液面低造成，在生產過程中易被發現，可以在出坯子時把此部分鑄坯剔除。

皮下氣泡：因原料潮濕或緩冷工序失效等造成，此類缺陷有發生過，但只要做好物料干燥和將釋放氣體緩冷充分，便能控制住此種缺陷的產生。

低倍疏松或縮孔：在鑄坯凝固過程中，因連鑄過程的過熱度高或鑄坯冷卻水異常造成。因此，必須控制連鑄澆注過熱度，并做好對冷卻系統的維護。

連鑄圓坯夾雜物：其形成與冶煉的每道工序中的不穩定因素皆息息相關，分析時，需要先對夾雜物進行定性，然后定量分析其來源后，才能發現產生問題的根本原因。此類缺陷在鑄坯低倍檢驗過程中也不易被發現，常常會在下道工序加工過程中被發現，進而造成經濟損失。

因此，以下重點分析在煉鋼過程中可能造成連鑄坯夾雜物超標缺陷的情況。

4 檢驗與分析

4.1 夾雜物缺陷的檢驗

由于出現探傷不合格的位置在中心，現從缺陷鍛件中心取樣進行分析。

4.1.1 B類大型夾雜物

圖1是金相顯微鏡下缺陷的高倍分析圖，由此發現，夾雜物主要是B類大型夾雜物，夾雜物評級為2級。圖2是電鏡掃描B類夾雜物能譜分析結果。

圖1 B類超尺寸夾雜

圖2 能譜分析結果

4.1.2 Ds類夾雜物

圖3是金相顯微鏡下發現的Ds類夾雜物，夾雜物評級為2級，圖4是電鏡掃描Ds類夾雜物能譜分析結果。

圖3 Ds類夾雜物

圖4 Ds類夾雜物能譜分析

4.2 夾雜物缺陷的分析

通過金相顯微鏡檢測發現，B類夾雜物和Ds類夾雜物分別評級為2級。從電鏡掃描能譜結果看，B類超長夾雜物和Ds類夾雜物均為Al2O3與CaO組成的復合夾雜物。

出現Al2O3與CaO組成的復合夾雜物的位置主要是在中心位置，其產生的主要原因為：精煉過程脫氧后的夾雜物上浮不充分，連鑄過程鋼水被二次氧化，且夾雜物在中心偏聚。

5 改善措施及控制方案

5.1 改善措施

1）改善鋼包流場，強化夾雜物的上浮效果，提高鋼水純凈度。

2）將鋁脫氧工藝前移，防止后期夾雜物聚集，來不及上浮。

3）優化連鑄保護澆鑄，有效地降低鋼水在連鑄環節的酸溶鋁損失，防止鋼水的二次氧化，從而進一步減少鋼中夾雜物含量。

5.2 工藝控制方案

1）轉爐全程采用泡沫渣操作、以均勻脫碳，減少吸氮；采用大渣量深脫碳，以加強脫磷。控制終點w（C）≥0.10%，終點w（P）≤0.010%；出鋼溫度大于1 620℃，避免高溫回磷；出鋼時隨鋼流加入鋁錠，做好鋼水預脫氧；出鋼進行留鋼操作，嚴禁下渣。

2）采取LF精煉+VD真空脫氣的控制方案。精煉爐選用配比w（Al2O3）=33%~38%的精煉渣系，控制渣堿度為8～10；保持爐渣合適流動性，白渣保持時間＞15 min；喂入鋁線，確保精煉爐一次樣w（Al）≥0.025%，禁止二次補鋁；按內控要求進行成分微調。鋼水進行VD真空脫氣處理，注意盡量不進行補鋁操作。控制好精煉渣的流動性和真空溫度，真空處理時間大于20 min；破空后軟吹氬時間大于20 min，破空后喂入少量鈣線，進行夾雜物變性處理，降低大顆粒夾雜物，提高鋼水純凈度。

3）連鑄選用性能優良的專用保護渣，穩定中間包液面，采用整體式水口，做好保護澆注，防止鋼水二次氧化；采用低過熱度澆注，中包鋼水過熱度控制在15～25℃，拉速控制在0.21~0.23 m/min；二冷配水采用弱冷工藝，采用結晶器+末端電磁攪拌技術，保證鑄坯內部質量。

6 結論

1）4130閥體鍛件用鋼連鑄圓坯因夾雜物上浮不充分和二次氧化形成了Al-Ca系復合夾雜物，因斷面直徑大，夾雜物在中心偏聚，造成了下道工序鍛造后超聲波探傷不合格。

2）通過改善鋼包流場，改變加鋁工藝，后期禁止補鋁和做好連鑄全程保護澆注，控制住了Al-Ca系復合夾雜物的在鋼中的聚集。

3）實施改善措施及新制定的工藝控制方案后，未再收到此方面的客戶投訴，也未出現過類似非金屬夾雜物。