45#鋼H25高爐開口釬的開發(fā)與應(yīng)用

孟翔熙，張玉明

（撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司，遼寧撫順113001）

0 前言

高爐開口用釬桿是出鐵的必備工具。在高爐開口機鑿開鐵口的過程中，是靠開口釬頭旋轉(zhuǎn)切削和沖擊破碎打開出鐵口。其中，高爐開口機旋轉(zhuǎn)扭矩和沖擊力靠高爐開口機釬桿傳遞給釬頭。高爐開口機釬桿工作環(huán)境和受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的，其一端承受著高爐開口機較高的扭矩和沖擊負(fù)荷，而另一端將鉆入高溫出鐵口爐體內(nèi)，沖擊載荷以沖擊循環(huán)應(yīng)力波的方式在釬桿內(nèi)傳播。

當(dāng)前，高爐開口機方面，各鋼鐵公司都為提高生產(chǎn)效率而加大爐前設(shè)備的自動化改造力度，高爐開口機鑿巖機已開始從人工、氣動小功率開口機向機電液一體化高沖擊能、具有沖擊、旋轉(zhuǎn)和正反打功能發(fā)展。高爐開口機沖擊功可以高達300J以上，沖擊頻率達到近4000次/min，旋轉(zhuǎn)扭矩近400N·m。在爐體出鐵口堵材上，高強度無水炮泥的使用愈來愈普遍，鐵口爐體強度也不斷提高。

隨著國家鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，高爐的數(shù)量在不斷增加，300m3以上的高爐都在使用高爐開口釬，需求量在7000～8000噸/年，部分出口到印度、日本、韓國等地。材質(zhì)要求：40MnB、40CrMnMo、45Mn、45Mn2、55SiMnMo、35SiMnMoV、T8、40Mn2、60Si2Mn等。

1 分類

高爐開口釬按外形主要分為六角形高爐開口釬和圓形高爐開口釬。六角形高爐開口釬分實芯和空芯；圓形高爐開口釬分實芯和空芯。

2 技術(shù)要求

采用GB/T1301-2008《鑿巖釬桿用中空鋼》；部分采用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)或生產(chǎn)單位的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)格及代號見表1。化學(xué)成分要求見表2。

2.1 檢驗

鋼材表面不得有裂紋、結(jié)疤、夾雜、折疊缺陷；表面上的局部缺陷應(yīng)予清除，清除深度從公稱尺寸算起應(yīng)不大于該尺寸的公差；深度小于尺寸公差之半的個別劃痕、壓痕、麻點可不清除。硬度要求及脫碳層要求見表3、表4。

表1

表2

表3

表4

2.2 生產(chǎn)工藝流程

高爐開口釬的主要生產(chǎn)工藝有以下三種：鉆孔法、鑄管法、熱穿-熱拔法。

我公司生產(chǎn)高爐開口用釬工藝為熱穿-熱拔法，具體工藝流程見圖1。

圖1 高爐開口釬工藝流程

3 高爐開口釬市場需求

中空鋼是制造釬具的原料，屬于半成品，主要需求對象為釬具加工廠，市場分布零散，沒有需求較集中的地區(qū)。由于近幾年釬具行業(yè)內(nèi)幾個主要企業(yè)的激烈競爭，使得沒有冶煉和軋制能力的釬具特鋼加工廠紛紛倒閉或停產(chǎn)，主體釬具廠重型釬具產(chǎn)量以每年30%速度增加，因此中空鋼的客戶數(shù)量呈現(xiàn)小幅上升趨勢。

建龍集團內(nèi)部各個鋼鐵子公司對高爐開口釬的需求情況如下：

撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司需求情況，見表5。黑龍江建龍高爐開口釬需求情況，見表6。唐山建龍高爐開口釬需求情況，見表7。承德建龍高爐開口釬需求情況，見表8。國內(nèi)主要地區(qū)中空鋼及高爐開口釬用量分布，見表9。

表5 撫順新鋼鐵高爐開口釬需求情況

表6 黑龍江建龍高爐開口釬需求情況

表7 唐山建龍高爐開口釬需求情況

表8 承德建龍高爐開口釬需求情況

表9 國內(nèi)中空鋼用量

4 45#鋼高爐開口釬開發(fā)試驗

4.1 選定理由

為了提高開鐵口工作效率，縮短開鐵口時間，開口機的扭矩和沖擊能不斷地增大；另外，為了延長爐體壽命，提高鐵口穩(wěn)定性，構(gòu)筑鐵口的炮泥特性發(fā)生了較大變化，添加了碳化硅和剛玉等材料，使鐵口炮泥的強度明顯增強，并在高爐爐缸的高溫條件下經(jīng)過燒結(jié)、滲鐵作用，更有利于提高炮泥的抗拉壓性能，從而使鐵口的抗壓強度和硬度得到顯著增加。這些變化顯著增加了開鑿鐵口時開口釬桿的工作負(fù)荷。

為達到高爐開口機鑿巖機的性能要求，高爐開口機釬桿必須具有高的強度和良好的沖擊韌性。而為了使鑿入高溫爐體內(nèi)并被加熱的釬桿不破斷，要求釬桿同時具有高的熱強度。

為保證使用壽命，我公司基本采用55SiMnMo鋼制造高爐開口機釬桿。而隨著鉬鐵價格的上漲，造成55SiMnMo高爐開口機釬桿制造成本和使用成本提高。

針對上述問題，通過分析高爐開口機用釬具承受載荷特性及其工作環(huán)境，參照現(xiàn)用55SiMnMo組織和性能特點，確定高爐開口機釬具性能要求和使用組織要求；綜合機械性能和制造工藝，以及降低材質(zhì)成本和高爐開口機釬桿制造成本等多方面考慮，采用45#鋼作為研究對象。45#鋼化學(xué)成分，見表10。

4.2 45#鋼熱處理條件及物理機械性能

GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的45#鋼推薦熱處理制度為850℃正火、840℃淬火、600℃回火，達到的性能為屈服強度≥355MPa。

表10 45#鋼化學(xué)成分

GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45#鋼抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，伸長率為16%，斷面收縮率為40%，沖擊功為39J，硬度最佳狀態(tài)為HRC30-40。

4.3 45#鋼的常規(guī)應(yīng)用情況

45#鋼機械性能良好，廣泛用于運動零件，如空氣壓縮機、泵的活塞，蒸汽渦輪機的葉輪，重型機械的軸、蝸桿、齒輪等等，表面耐磨的零件如曲軸、機床主軸、滾筒，較高強度的工具等等。

4.4 45#鋼調(diào)質(zhì)熱處理分析

45#鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能好，且價格低、來源廣，應(yīng)用廣泛。它的最大弱點是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。

45#鋼的調(diào)質(zhì)處理就是指淬火加高溫回火的雙重處理手段。調(diào)質(zhì)處理后具有較高的范性和韌性，強度也較高，廣泛應(yīng)用于要求高強度并受沖擊或交變載荷的重要工件。

4.4.1 淬火冷卻過程分析

（1）淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力

①熱應(yīng)力：鋼快速冷卻過程中表層先冷，中心后冷，始終存在表心溫差，在冷卻初期表層溫度下降較快，表層較大的收縮受到心部的牽制，表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部產(chǎn)生壓應(yīng)力。

②組織應(yīng)力：鋼淬火時的組織應(yīng)力主要是由于溫差造成馬氏體轉(zhuǎn)變時間差而引發(fā)的。表面處于Ms點以下，而心部尚處于Ms點以上，表層形成馬氏體發(fā)生體積膨脹受到未轉(zhuǎn)變的心部牽制，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

③淬火鋼中的殘留應(yīng)力

不同因素對淬火鋼中內(nèi)應(yīng)力的影響見表11。

表11

（2）淬火裂紋

①縱向裂紋：又稱為軸向裂紋，是典型的組織應(yīng)力引發(fā)的裂紋，由表面向內(nèi)開裂，裂紋深而長，常發(fā)生于淬透的工件。

②橫向裂紋或弧狀裂紋：裂紋經(jīng)常發(fā)生于工件尖角處，未淬透的工件在過渡區(qū)易產(chǎn)生拉應(yīng)力峰值，此類裂紋常萌生于一定深度的表層或工件內(nèi)部。

③內(nèi)孔縱向裂紋：鋼的淬透性足夠大時內(nèi)孔表面的內(nèi)應(yīng)力以組織應(yīng)力為主，切向拉應(yīng)力較大，易在內(nèi)孔壁面上形成沿縱向分布的裂紋。

④截面薄厚懸殊引起的淬火裂紋：冷卻時在薄厚相差懸殊的部位馬氏體相變的時間差很大，形成很大的組織應(yīng)力，以致產(chǎn)生裂紋。

⑤應(yīng)力集中引起的裂紋：鋼件上有尖角、缺口等存在的情況下，易在淬火時造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生的裂紋，尤其是在應(yīng)力集中截面尺寸急劇變化的共同作用下，淬裂的可能性更大。

（3）影響淬火畸變的因素

①鋼的成分和原始組織：鋼的導(dǎo)熱率、淬透性、Ms點溫度、馬氏體相變的體積增量及熱彈塑性力學(xué)行為等都和奧氏體化學(xué)成分和奧氏體化溫度有關(guān)，對鋼的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及它們所引起的變形有明顯影響。

②零件的尺寸和形狀：零件的尺寸變化直接影響到淬硬深度，影響到淬火應(yīng)力分布。隨著工件壁厚的增加，熱應(yīng)力型的畸變趨向增大，壁厚減薄，則組織應(yīng)力型的畸變趨向增大。

③熱處理工藝的影響：提高奧氏體化溫度，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力均隨之增加，并對淬火組織中馬氏體、殘留奧氏體、碳化物等各相的比有決定性的影響，而各相的比容又互不相同，工具鋼的微變形就是通過調(diào)節(jié)奧氏體化溫度來控制畸變。

④淬火前后各種因素的綜合影響：除上面已提到的因素之外，淬火前機械加工、塑性成形、焊接及校直等都會在工件中造成殘留內(nèi)應(yīng)力。如果未經(jīng)去應(yīng)力處理，會在淬火加熱時因殘留應(yīng)力的松弛而引起畸變，此外淬火加熱時因工件放置方法不當(dāng)或夾具不良以及鋼的自重的作用也會造成顯著的畸變。

（4）淬火介質(zhì)應(yīng)具有的特性

①合適的冷卻特性，碳鋼和低合金鋼淬火冷卻到650℃之前，奧氏體還比較穩(wěn)定，允許以較慢的速度冷卻，以減少工件因內(nèi)外溫差而引起的熱應(yīng)力。在650-450℃范圍，要求有足夠快的冷卻速度（超過臨界冷卻速度），低于100℃特別是在Ms點以下應(yīng)緩慢冷卻，以減少組織應(yīng)力，防止過大的畸變和淬裂。

②良好的穩(wěn)定性，介質(zhì)在使用過程中性能穩(wěn)定，不易分解、變質(zhì)或老化。各種淬火油和有機物水溶液則存在不同程度的老化傾向，應(yīng)盡可能選用老化緩慢，易于維護的品種。

③冷卻均勻性，工件不同表面和部位冷卻不可能是均勻的。種種不均勻程度與淬火介質(zhì)的種類、品種以及攪拌方式有關(guān)。

④能使工件淬火后保持清潔，不腐蝕工件。

⑤淬火時不產(chǎn)生大量的煙霧。不產(chǎn)生有毒和刺激性氣體，帶出的廢液對環(huán)境不構(gòu)成污染，符合環(huán)保的要求。

⑥不易燃、易爆，使用安全。

4.4.2 淬火溫度

45#鋼淬火溫度在A3+（30-50）℃，在實際操作中，一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時間。如果實際裝爐量大，就需適當(dāng)延長保溫時間。不然，可能會出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時間過長，也會出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重的弊病，影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為，如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定，加熱保溫時間需延長1/5。

因為45#鋼淬透性低，故一般采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后，應(yīng)該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因為當(dāng)工件冷卻到180℃左右時，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此，當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗操作，當(dāng)水中的工件抖動停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜動不宜靜，應(yīng)按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運動。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件，會導(dǎo)致硬度不均勻，應(yīng)力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。

45#鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達到HRC56-59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就說明工件未得到完全淬火，組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織，這種組織通過回火，仍然保留在基體中，達不到調(diào)質(zhì)的目的。

4.4.3 回火溫度

45#鋼的回火溫度為在A1溫度以下加熱，使之變成穩(wěn)定的回火組織的工藝過程，此過程不僅能保證組織轉(zhuǎn)變，而且能夠消除內(nèi)應(yīng)力?；鼗饻囟仁菦Q定回火后組織和性能的最重要因素。在選擇回火溫度時，應(yīng)避開低溫回火脆性溫度區(qū)（300℃左右）。進行高溫回火時對于具有高溫回火脆性的材質(zhì)，盡量采用600℃以上回火，保溫后采用水冷或油冷，避免出現(xiàn)高溫回火脆性。

45#鋼淬火后的高溫回火，加熱溫度通常為500-600℃，硬度要求為HRC22-34。因為調(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機械性能，所以硬度范圍比較寬。不同的硬度要求需調(diào)整不同的回火溫度，如有些軸類零件要求強度高，硬度要求就高；而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件，因調(diào)質(zhì)后還要進行銑、插加工，硬度要求低些。關(guān)于回火保溫時間，視硬度要求和工件大小而定，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火時間關(guān)系不大，但必須回透，一般工件回火保溫時間總在一小時以上，截面積較小的工件可適當(dāng)降低回火保溫時間。

4.4.4 回火各階段的特點

①馬氏體分解，碳化物沉淀。

②滲碳體的形成。

③合金碳化物的形成二次硬化。

④殘留奧氏體的分解。

⑤回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。

4.5 45#鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝

4.5.1 調(diào)質(zhì)后物理機械性能要求

硬度：HRC30-40；

屈服強度：≥400N/mm2；

抗拉強度：≥750N/mm2。

圖2 物理機械性能對比直方圖

4.5.2 淬火及回火溫度

利用軋制余溫對H25中空鋼進行淬火處理，淬火溫度830-850℃，淬火后H25中空鋼溫度300-350℃；因H25六角中空鋼截面積較小，回火溫度選為530-560℃。

4.5.3 淬火介質(zhì)

考慮到成本及H25壁薄、截面積小的因素，采用溫度20-30℃的流動水作為淬火的冷卻介質(zhì)。

4.5.4 淬火設(shè)備及操作

制作專用H25中空鋼淬火設(shè)備，其要求：①底面傾角為5°；②提供流動水裝置；③排水裝置；④最深水位30 mm；⑤最淺水位5mm；⑥紅外線側(cè)溫儀。

軋制余溫均為900-950℃，為保證淬火溫度的準(zhǔn)確性及減小淬火型變形，淬火前先空冷降溫，輔以紅外測溫儀監(jiān)測溫度；淬火操作為人工操作，由淺水區(qū)向深水區(qū)翻轉(zhuǎn)，且翻轉(zhuǎn)速度要求均勻，保證中空鋼桿體均勻冷卻，降低中空鋼的形變量及內(nèi)應(yīng)力。待溫度降至要求范圍后（此過程由紅外測溫儀監(jiān)測溫度），送入冷床人工擺直并自然空冷。

4.5.5 回火操作

回火保溫時間為45分鐘，后空冷至室溫。

4.6 調(diào)質(zhì)前后的物理機械性能對比

對未進行調(diào)質(zhì)處理和調(diào)質(zhì)處理的45#鋼H25高爐開口釬分別取24組試樣，并對每組試樣進行硬度、屈服強度、抗拉強度三項物理機械性能檢驗，兩種條件下產(chǎn)品的性能差異，見表11，表12。

表11 未調(diào)質(zhì)45#鋼H25中空鋼物理機械性能

通過數(shù)據(jù)可以看出調(diào)質(zhì)的45#鋼H25高爐開口釬較未調(diào)質(zhì)的高爐開口釬，平均硬度提高了HRC13.25，平均屈服強度提高了156.25N/mm2，平均抗拉強度提高了192.71N/mm2（見表13）。利用軋制余熱調(diào)質(zhì)處理的45#鋼H25高爐開口釬的物理機械性能滿足了4.5.1中所設(shè)定的性能要求。

4.7 高爐應(yīng)用試驗

生產(chǎn)220支約3噸45#鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的H25高爐開口試驗釬，于撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠新一號高爐（580m3）進行開鐵口應(yīng)用試驗，均未出現(xiàn)扭曲、彎曲、斷裂現(xiàn)象。

表12 調(diào)質(zhì)45#鋼H25中空鋼物理機械性能

表13 45#鋼H25中空鋼物理機械性能（平均值）

通過上述實驗表可知，45#鋼H25高爐開口釬在開鐵口使用過程中無扭曲和斷裂現(xiàn)象，能夠滿足高爐開鐵口使用要求。

5 成本對比分析

5.1 生產(chǎn)成本對比分析

以55SiMnMo材質(zhì)H25高爐開口釬為例與45#鋼H25高爐開口釬進行成本對比分析。

通過對原材料、輔助材料、燃動力、人工成本、附加成本、制造費用以及工序成本的數(shù)據(jù)收集，得出兩種材質(zhì)H25高爐開口釬的制造成本如下：

55SiMnMo材質(zhì)H25高爐開口釬噸鋼成本：8102元/噸；

45#鋼H25高爐開口釬噸鋼成本：5019元/噸。

45#鋼較55SiMnMo材質(zhì)噸鋼節(jié)約成本3083元/噸。

5.2 使用成本對比分析

以撫順新鋼鐵高爐開口釬使用成本對比分析為例。新鋼鐵煉鐵廠5座高爐45#鋼H25高爐開口釬使用量約為17.1噸/月。55SiMnMo鋼B25高爐開口釬月使用量約為16噸/月。55SiMnMo鋼H25高爐開口釬制造成本為8102元/噸，45#鋼H25高爐開口釬制造成本為5019元/噸。

通過以上測算分析，使用45#鋼H25 mm高爐開口釬較55SiMnMo鋼B25高爐開口釬可降低費用57150元/月。

6 45#鋼高爐開口釬的推廣

現(xiàn)45#鋼H25高爐開口釬已經(jīng)推廣到建龍集團內(nèi)部4家子公司（撫順新鋼鐵、黑龍江建龍、唐山建龍、承德建龍），投入使用近半年時間，每月使用總量約為70噸。質(zhì)量反映良好。

7 結(jié)束語

45#鋼H25高爐開口釬生產(chǎn)成本低、使用成本低、工藝操作簡單、原材料供應(yīng)渠道廣泛、調(diào)質(zhì)處理后機械性能高，在使用過程中無桿體扭轉(zhuǎn)、無斷裂現(xiàn)象，質(zhì)量穩(wěn)定，完全滿足了高爐開口用釬的使用要求。

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