船用曲臂鍛件用54 t下注鋼錠的試制

管仲毅 陳建東 王文柏 李 奇 韓國(guó)盛 艾馨鵬 胡亮亮 高 峰

(上海重型機(jī)器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

長(zhǎng)期以來(lái)，我公司按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)船用曲臂鍛件用鋼(以下簡(jiǎn)稱曲臂鍛件用鋼)。鍛件用鋼采用雙真空錠(真空精煉、真空澆鑄)進(jìn)行冶鑄。鋼錠的有效利用率為70%～75%，與同行的鋼錠利用率≥80%相比存在一定的差距。由于大鋼錠凝固過(guò)程中存在底部沉積錐(負(fù)偏析帶)，錠身頂部存在V型偏析、A型偏析(正偏析帶)及嚴(yán)重的中心偏析、中心疏松、一般疏松等影響質(zhì)量的問(wèn)題，因此，一旦錠型確定之后，基本上不再更改。

2010年10月，我公司設(shè)計(jì)并鑄造了50 t系列浮動(dòng)鋼錠模(即能在一定范圍內(nèi)通過(guò)改變錠身高度、冒口高度，達(dá)到調(diào)節(jié)錠型的目的)。成功試制出了大型船用曲臂鍛件用鋼，本次試制的曲臂鍛件用鋼錠利用率達(dá)到83.3%。曲臂鍛件用下注鋼錠的研制成功，縮短了我公司與國(guó)內(nèi)外同行之間的技術(shù)差距，也是我公司在爭(zhēng)先創(chuàng)優(yōu)活動(dòng)過(guò)程中的一次有益嘗試。

1 工藝條件

1.1 50 t系列浮動(dòng)鋼錠錠型見圖1。

1.2 曲臂鍛件用鋼元素成分執(zhí)行MAN《材料手冊(cè)》P182-3 S34MnV標(biāo)準(zhǔn)。具體的化學(xué)成分見表1。

1.3 冶煉方法為電爐冶煉→真空精煉。

圖1 50 t系列浮動(dòng)鋼錠錠型圖Figure 1 The series of 50 t floating ingot shapes

1.4 在正火件加長(zhǎng)部分試塊半徑的1/2處取樣作理化性能檢測(cè)，曲臂鍛件力學(xué)性能要求：RP0.2≥350 MPa、Rm為610 MPa～750 MPa、A≥15%、Z≥40%、硬度為180HBW～220HBW、常溫沖擊吸收功Akv≥18 J。

1.5 曲臂鍛件出白后進(jìn)行超聲波探傷，探傷方法為垂直法。檢查部位：總厚天地面、紅套孔、曲柄部。探傷執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：MAN 0743099-1.0(2007.11.29版)，探傷合格后，申請(qǐng)船檢。

2 生產(chǎn)試制方案

根據(jù)曲臂鍛件用鋼的技術(shù)條件及相關(guān)要求，我公司大型鑄鍛件研究所煉鋼工藝研究室制定了冶鑄工藝，主要質(zhì)量控制要點(diǎn)如下。

表1 S34MnV化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of S34MnV (mass fraction, %)

表2 S34MnV鋼鋼水入真空前成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The composition of S34MnV molten steel before VD process (mass fraction, %)

2.1 選用一類生鐵，優(yōu)選本溪、鞍鋼、首鋼、寶鋼等地產(chǎn)生鐵。

2.2 氧化終點(diǎn)要求：[C]≤0.30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、[P]≤0.004%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(取雙份樣確認(rèn))。

2.3 出鋼時(shí)加入鋁錠預(yù)脫氧。

2.4 LFV爐鋼水入真空前溫度控制在1 640～1 670℃，S34MnV鋼成分控制見表2。

2.5 采用4+2蒸汽射流噴射泵，有效真空度≤65 Pa，從抽真空開始到達(dá)有效真空度時(shí)間≤10 min。根據(jù)多爐次的試驗(yàn)，我們得出在有效真空度≤65 Pa的情況下，120 t LFV爐鋼水脫氣時(shí)間與[H]的關(guān)系曲線符合圖2的走勢(shì)，故制定工藝時(shí)，將有效真空度下的真空處理時(shí)間確定為45 min～50 min。

2.6 真空后的目標(biāo)要求，[H]≤1.0×10-6、(O)≤25×10-6、[Al]≤0.025%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.7 真空后不允許再補(bǔ)加合金，真空畢到出鋼時(shí)間≤25 min。

2.8 出鋼溫度為1 560～1 580℃。

2.9 澆鑄前錠模外壁溫度≥40℃。

圖2 120 t LFV爐有效真空度≤65 Pa時(shí)真空處理時(shí)間與[H]的關(guān)系曲線Figure 2 The curve for the vacuum processing time and the content of hydrogen when the effective vacuum is ≤65 Pa in the LFV furnace

2.10 開澆前在距模底200 mm～300 mm處吊掛保護(hù)渣0.70 kg/t鋼～0.8 kg/t鋼。開澆開始后再通過(guò)篩網(wǎng)均勻加入保護(hù)渣0.60 kg/t鋼～0.80 kg/t鋼(澆注過(guò)程中要求液面上升平穩(wěn)，液芯瞬間裸露時(shí)間<3 s)。模底保護(hù)渣吊掛情況見圖3。

2.11 采用氬氣保護(hù)澆鑄，氬氣保護(hù)罩見圖4。

圖3 開澆前保護(hù)渣吊掛情況Figure 3 The covering slag is hanged before casting

2.12 下注用流鋼磚選用優(yōu)質(zhì)莫萊石磚，該磚的成分含量及主要理化性能見表3。

圖4 氬氣保護(hù)罩Figure 4 The Ar gas protecting device

表3 莫萊石磚的化學(xué)成分及主要理化性能Table 3 The chemical composition and main physical and chemical property of mullite brick

2.13 錠身澆鑄時(shí)間：22 min～30 min，冒口補(bǔ)縮時(shí)間≥12 min。

3 生產(chǎn)試制工藝路線

生產(chǎn)試制工藝路線為：100 t EBT→120 t LFV→IC(2×54 t)氬氣保護(hù)→鋼錠熱送鍛件廠加熱爐→加熱→鍛壓→彎曲成型→熱裝爐→熱處理(正火+擴(kuò)氫回火)→兩平面出白→UT初探→理化性能測(cè)試→UT終探→申請(qǐng)船檢→交貨。

4 生產(chǎn)試制情況

4.1 100 t EBT爐冶煉

4.1.1 裝料

100 t EBT爐采用二包料裝料方法，為達(dá)到熔氧結(jié)合大渣量早期脫磷的目的，裝料時(shí)先在爐底鋪加石灰。

4.1.2 供氧、升溫

爐門采用1支自耗式氧槍供氧，爐內(nèi)低溫處采用2支爐壁氧槍供氧，噴碳粉造泡沫渣，埋弧升溫。

4.1.3 流渣換渣去磷

第一批換渣溫度1 570～1 590℃，換渣期間為防止裸露弧光損傷爐墻及設(shè)備，可抬高電極停電。首批氧化渣可以盡量放干凈一些。脫磷冶金反應(yīng)方程式[1]：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

由于脫磷為放熱反應(yīng)，溫度過(guò)高效果差。但因?yàn)閇P]主要是由生鐵帶來(lái)，為確保生鐵全熔后達(dá)到有效脫磷的目的，故首批換渣溫度與理論上要求的最佳脫磷溫度相比上升20～30℃。第二批換渣溫度選擇1 610～1 630℃，在換渣前取樣全分析，視[P]情況確定再次補(bǔ)加石灰量及換渣溫度。試制曲臂鍛件用鋼第二批換渣前測(cè)溫1 630℃并取樣，取樣[P]為0.003%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，之后補(bǔ)加石灰，終點(diǎn)[P]為0.003%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。出鋼溫度1 680℃。出鋼到20 t時(shí)，爐后加鋁錠預(yù)脫氧。

4.2 120 t LFV鋼包爐精煉

4.2.1 采用鋁錠預(yù)脫氧，采用Al粉、C粉、CaSi粉擴(kuò)散脫氧

120 t LFV鋼包精煉爐精煉時(shí)石灰用量12 kg/t鋼～15 kg/t鋼(根據(jù)爐渣流動(dòng)情況，石灰與螢石之比控制在3.5～4.5∶1)。鋼包到達(dá)LF爐加熱工位后，再次補(bǔ)加鋁錠預(yù)脫氧。前期加入鋁錠預(yù)脫氧的好處是脫氧產(chǎn)物Al2O3內(nèi)生夾雜物在隨后的精煉、真空處理階段有足夠的時(shí)間上浮到爐渣中而得以去除。

去除鋼水中的非金屬夾雜物是LF爐精煉的目的之一。鋼中的非金屬夾雜物都呈獨(dú)立相存在，精煉渣吸收鋼中夾雜物的原理有三種形式[2]：一是鋼渣界面上的氧化物夾雜與熔渣間進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)而使夾雜進(jìn)入渣相；二是氧化物夾雜停留在渣鋼界面上并溶解在渣中；三是由于界面能的作用，渣鋼界面上的氧化物夾雜自發(fā)地轉(zhuǎn)入渣相。由擴(kuò)散脫氧理論可知[3]，精煉渣分散成顆粒、液滴或氣泡后，開始就從鋼液中去除，達(dá)到平衡時(shí)，精煉介質(zhì)中所接受的夾雜物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夾雜物在鋼中的濃度。因此，顆粒、液滴或氣泡中的擴(kuò)散在反應(yīng)初始階段很快，速率控制的環(huán)節(jié)在鋼液一側(cè)。隨著鋼液中酸溶鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Al2O3內(nèi)生復(fù)合型夾雜物也相應(yīng)增加，但是夾雜物呈液態(tài)，絕大部分都落在低于1 600℃的范圍內(nèi)。通過(guò)后續(xù)的氬氣攪拌、VD真空處理，這些以Al2O3為核心的復(fù)合型夾雜物很容易聚集，上浮到爐渣中而去除。所以，通過(guò)120 t LFV鋼包爐精煉后，內(nèi)生夾雜物大多是尺寸非常小的球形夾雜，這種夾雜能夠避免曲臂鍛件用鋼產(chǎn)生各向異性。對(duì)本次試制曲臂鍛件的沖擊試樣斷口使用掃描電鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)斷口呈韌窩狀，延展性能良好，具體見圖5。

對(duì)圖5中的能譜結(jié)果進(jìn)行分析可以看到，試制曲臂鍛件中的夾雜物主要是以Al2O3為核心的多相夾雜，夾雜物的形式是以錳鋁榴石(xMnO·Al2O3·3SiO2)、鈣鎂斜長(zhǎng)石((CaO、MgO)·Al2O3·2SiO2)存在，此類內(nèi)生夾雜細(xì)小、熔點(diǎn)低、呈球狀，不存在長(zhǎng)條狀及紡錘狀的硫化錳夾雜，這與C-Mn鋼采用鋁脫氧再經(jīng)VD爐處理后的特點(diǎn)相吻合。本次試制曲臂在正火件加長(zhǎng)部位取小樣的定量高倍檢測(cè)分析結(jié)果見表4。

表4 試制曲臂鍛件高倍檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The microscopic inspection results of crank forging in trial manufacture

圖5 試制曲臂鍛件沖擊試樣斷口形貌及其能譜Figure 5 The patterns and energy spectrum analysis for the impact fracture surface of the trail manufacturing crank forging

表5 試制曲臂鍛件用鋼入真空前的成分控制 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5 The composition control for the trial manufacturing crank forging before VD process (mass fraction，%)

4.2.2 120 t LFV鋼包爐鋼水入真空前的操作控制

4.2.2.1 成分控制見表5。

由表5可見，所有元素全部進(jìn)入熔煉控制規(guī)范。

4.2.2.2 渣量控制。VD處理時(shí)，LF爐的精煉渣不參與鋼包內(nèi)鋼水的循環(huán)對(duì)流攪拌，鋼水翻滾過(guò)程中浮到鋼液面后向四周散開，因而鋼液中上浮的夾雜物隨之被高堿度精煉渣所吸附。我公司經(jīng)過(guò)多爐次操作，就渣量與真空處理后的[H]得到如圖6的關(guān)系曲線。

圖6 120 t LFV爐精煉渣渣量與[H]的關(guān)系曲線Figure 6 The curve about the refining slag ang [H] in the 120 t LFV furnace

由圖6可見，大渣量脫氣效果顯然不如小渣量好。分析原因，主要是鋼包的液面直徑相同，爐渣之間存在著界面張力。在達(dá)到有效真空度之前的放散操作過(guò)程中，鋼水沒(méi)有沖破渣面時(shí)，鋼液隨爐渣一起往真空蓋上面涌動(dòng)。一旦鋼液頂破渣層，爐渣就不往上涌動(dòng)了，而是向邊上散開，爐渣在其界面張力的作用下就存在著要覆蓋鋼水的趨勢(shì)。渣量越大，這樣的趨勢(shì)就越嚴(yán)重。相反，如果渣量小一些，爐渣要覆蓋鋼水的趨勢(shì)就小一些。因而小渣量脫氣處理過(guò)程中鋼水暴露在真空中的量就越多，在真空作用下，鋼水中的氣體分壓下降越多，真空脫氣的效果也就越好。我公司VD處理時(shí)的渣量控制為16 kg/t鋼～20 kg/t鋼(石灰∶螢石=4∶1)。本次試制曲臂鍛件用鋼在LFV爐操作過(guò)程中石灰用量1 500 kg，螢石用量400 kg，渣量控制約為18 kg/t鋼。

4.2.2.3 入真空前溫度。我公司120 t LFV爐精煉操作工經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的總結(jié)，得出VD處理過(guò)程中100 t鋼水溫降大約2℃/min。根據(jù)曲臂鍛件用鋼下注出鋼溫度要求，試制曲臂鍛件用鋼入真空前的實(shí)際鋼水溫度為1 668℃。

4.2.2.4 有效真空度。根據(jù)我公司4個(gè)主泵+2個(gè)副泵及船用曲臂質(zhì)量控制的特點(diǎn)，試制曲臂鍛件用鋼進(jìn)入VD處理時(shí)選擇的有效真空度≤65 Pa。

4.3 真空畢的操作要求

一是盡量少補(bǔ)加合金；二是盡量縮短真空畢到出鋼之間的精煉時(shí)間；三是出鋼溫度盡可能往中限靠(出鋼溫度越高，下注過(guò)程中鋼水對(duì)流鋼磚的侵蝕程度就越嚴(yán)重)。試制曲臂鍛件用鋼，經(jīng)過(guò)60 min(其中有效真空度≤65 Pa處理48 min)真空處理后，定[H]為1.0×10-6、(O)為6.2×10-6，真空畢到出鋼的精煉時(shí)間為16 min，出鋼溫度為1 574℃，真空畢后的鋼水成分見表6。

表6 試制曲臂鍛件用鋼真空畢的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 The chemical composition of trial manufacturing crank forging after VD process (mass fraction, %)

4.4 氬氣保護(hù)大氣下注情況

曲臂鍛件用鋼采用氬氣保護(hù)大氣下注澆鑄工藝。大包滑動(dòng)機(jī)構(gòu)裝備三層吹氬滑板，開澆前外引流。試制曲臂鍛件用鋼澆鑄時(shí)三層吹氬滑板能夠正常自開。鋼包開澆后，吊掛在模底的保護(hù)渣瞬間覆蓋液面，保護(hù)渣溶成渣膜，可有效吸附鋼水中的夾雜物。液面上升過(guò)程中，液芯部分的保護(hù)渣熔損后，通過(guò)篩網(wǎng)均勻補(bǔ)加保護(hù)渣。試制曲臂鍛件用54 t下注鋼錠錠身澆鑄時(shí)間28 min，冒口補(bǔ)縮14 min，冒口欠澆高度350 mm。澆鑄結(jié)束后，加發(fā)熱劑56 kg/錠、稻殼灰保溫劑20 kg/錠，脫模時(shí)間18 h。

4.5 加熱、鍛壓及鍛后熱處理

4.5.1 鍛壓

鋼錠脫模后，立即裝車熱送至鍛件廠，按照規(guī)程和具體的工藝進(jìn)行加熱、鍛壓。試制曲臂分為4火進(jìn)行鍛壓，彎鍛示意見圖7。第一火：1 220℃保溫，20 h后壓鉗把、輕壓滾圓；第二火：1 230℃保溫，35 h后鐓粗、WHF法拔長(zhǎng)；第三火：1 200℃保溫，10 h后出坯；第四火，1 160℃保溫7 h后彎鍛、完工。

圖7 試制曲臂彎鍛示意圖Figure 7 The schematic diagram of crankthrow bending

4.5.2 熱處理

鍛壓結(jié)束后及時(shí)裝入加熱爐進(jìn)行正火和鍛后擴(kuò)氫處理。采用一次鍛后正火及擴(kuò)氫回火的熱處理工藝。通過(guò)正火、回火達(dá)到均勻組織、細(xì)化晶粒的目的。300～350℃的過(guò)冷保溫是為了使奧氏體充分溶解，然后再進(jìn)行擴(kuò)散去氫回火。試制曲臂鍛件采用630～650℃進(jìn)行35 h擴(kuò)散去氫處理。理論研究表明，在此溫度下氫的溶解度比較小，擴(kuò)散系數(shù)較大，去氫效果最好。

4.5.3 理化性能檢測(cè)

鍛件經(jīng)回火后冷卻到室溫，在規(guī)定部位(正火件加長(zhǎng)部分)切片，檢測(cè)力學(xué)性能、低倍及高倍組織。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表7，切片酸浸低倍照片見圖8，顯微組織見圖9。

由表7可見，力學(xué)性能全部合格，并且數(shù)據(jù)均有較大的富余量，說(shuō)明該曲臂用S34MnV鋼所制定的化學(xué)成分、熱處理工藝能滿足曲臂性能要求。

圖8可見，試制曲臂鍛件一般疏松小于2.0級(jí)，證明該鍛件壓透、壓實(shí)效果較好。

通過(guò)對(duì)圖9的觀察，試制曲臂鍛件用S34MnV鋼的金相組織為珠光體(圖中呈黑色的部分)+鐵素體(圖中呈白色的部分)，晶粒大小均勻，夾雜物及晶粒度級(jí)別見表4。

圖8 切塊酸浸后的低倍照片F(xiàn)igure 8 The macrograph after acid leaching of slice

表7 試制曲臂鍛件的力學(xué)性能Table 7 The mechanical properties of the trial manufacturing crank forging

(a)10H699-1 (b)10H699-2圖9 試制曲臂鍛件組織形貌 500×Figure 9 The microstructure of crank forging in trial manufacturing 500×

4.6 無(wú)損檢測(cè)

出白后探傷，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)?1.2 mm以上的夾雜，也沒(méi)出現(xiàn)成片陰影區(qū)，探傷結(jié)果合格。

5 結(jié)論

(1)電爐冶煉曲臂鍛件用鋼時(shí)配入船用割板邊角料、一類生鐵，殘余有害元素As、Sn、Sb、Bi、Pb能控制在標(biāo)準(zhǔn)要求以內(nèi)。

(2)120 t LFV鋼包爐冶煉S34MnV入真空前所有元素成分都控制在規(guī)范要求以內(nèi)，真空處理結(jié)束后不再補(bǔ)加合金。

(3)根據(jù)S34MnV鋼的特點(diǎn)，采用鋁錠預(yù)脫氧，Al粉、C粉、CaSi粉擴(kuò)散脫氧。通過(guò)氬氣攪拌、VD真空處理后，內(nèi)生夾雜物是尺寸非常小的球形夾雜，不存在長(zhǎng)條狀或紡錘狀的MnS夾雜。

(4) 120 t LFV鋼包爐試制曲臂鍛件用S34MnV鋼進(jìn)行VD真空處理時(shí)，有效真空度≤65 Pa、有效真空處理時(shí)間45 min～50 min，渣量18 kg/t鋼(石灰∶螢石=4∶1)，真空畢定[H]為1.0×10-6、(O)為6.2×10-6。

(5) 試制曲臂鍛件用54 t鋼錠大氣下注時(shí)的錠身澆鑄時(shí)間為28 min，冒口補(bǔ)縮時(shí)間為14 min。

(6)試制曲臂鍛件采用4火鍛造，WHF法鐓粗、拔長(zhǎng)。

(7)試制曲臂鍛件鍛后采用一次正火、630～650℃35 h擴(kuò)氫回火熱處理工藝。

[1] 邱紹岐，祝桂華.電弧爐煉鋼原理及工藝[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2008，149-150.

[2] 趙和明，王新華，謝兵. Al2O3-CaO基預(yù)熔精煉渣吸收Al2O3夾雜的動(dòng)力學(xué)研究[J]，特殊鋼，2005，26(1)：21-23.

[3] 奧特斯，鋼冶金學(xué)[M]，倪瑞明譯. 北京：冶金工業(yè)出版社，1997.