馬氏體耐熱鋼4Cr10Si2Mo的連鑄生產(chǎn)工藝探討

葉 英 安航航

(1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京100029; 2:中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

馬氏體耐熱鋼4Cr10Si2Mo的連鑄生產(chǎn)工藝探討

葉 英1安航航2

(1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京100029; 2:中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

馬氏體耐熱鋼由于其物理特性，在連鑄生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)表面凹陷、中心疏松及中心縮孔等質(zhì)量缺陷。通過對馬氏體耐熱鋼在連鑄過程中的凝固特點、高溫特性和缺陷形成的機理進(jìn)行分析、研究，優(yōu)化連鑄生產(chǎn)工藝，有效地改善了鑄坯質(zhì)量。

馬氏體耐熱鋼 連鑄工藝 鑄坯質(zhì)量

1 前言

4Cr10Si2Mo為典型馬氏體Cr-Si系耐熱氣閥鋼[1]。由于其合金含量高、鋼水粘度大、導(dǎo)熱性差、凝固結(jié)構(gòu)具有較發(fā)達(dá)的粗大柱狀晶帶，連鑄生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)鑄坯表面凹陷、中心疏松和縮孔、等軸晶率低等質(zhì)量問題[2-3]，國內(nèi)絕大多數(shù)特鋼廠采用模鑄生產(chǎn)。某鋼廠試驗采用連鑄方式生產(chǎn)，生產(chǎn)中采取了一系列工藝措施來提高馬氏體耐熱氣閥鋼的鑄坯質(zhì)量。本文主要介紹連鑄工藝優(yōu)化實踐情況。

2 連鑄機基本情況

馬氏體耐熱氣閥鋼生產(chǎn)工藝流程：25tEAF直流電弧爐+25tIF中頻爐(熔化返回料，控制碳、磷含量)+25tVD真空精煉爐(脫硫、脫氣和去夾雜、成分微調(diào)和控制溫度)-合金鋼連鑄機(150mm ×150mm)。表1為連鑄主要技術(shù)參數(shù)，表2為4Cr10Si2Mo主要化學(xué)元素成分。

3 缺陷形成機理

3.1 表面縱向凹陷

馬氏體耐熱氣閥鋼在凝固過程中，在γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料鄷r，凝固坯殼收縮變形，坯殼生長不均，造成強度不均，保護(hù)渣流入強度低的地方,使凝固殼減薄、生長滯后，鑄坯在結(jié)晶器中冷卻不均勻、局部收縮是造成縱向凹陷的主要原因。

表1 鑄機主要技術(shù)參數(shù)

表2 4Cr10Si2Mo主要化學(xué)元素成分(單位：%)

3.2 中心疏松縮孔

方坯凝固末端液相穴相當(dāng)尖，易產(chǎn)生搭橋，當(dāng)橋下面的鋼水繼續(xù)凝固時，得不到上部鋼液的補充，下部區(qū)域產(chǎn)生小鋼錠凝固組織，從而出現(xiàn)周期性的、斷續(xù)的縮孔和疏松。任何促使鑄坯凝固時柱狀晶發(fā)達(dá)的因素均是導(dǎo)致疏松、縮孔的主要原因。

3.3 等軸晶率低

等軸晶是在較大的成分過冷區(qū)內(nèi)，其周圍為過冷熔體的條件下形成的。要提高鑄坯的等軸晶率，改善中心疏松、縮孔和偏析，細(xì)化鑄坯晶粒，需要進(jìn)行兩個關(guān)鍵操作：

1)增大過冷度。對于連鑄坯鋼液凝固到一定程度后，鄰近固-液界面液相中的溶質(zhì)集中會處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，形成成分過冷。當(dāng)固液—界面的成分過冷大于形核所要求的過冷度時，在固液界面析出新的晶核，這些晶核長大阻止柱狀晶向鑄坯內(nèi)延生長。降低溫度梯度將有效提高過冷度，實際生產(chǎn)中，降低溫度梯度對結(jié)晶組織形貌起主要作用。

2)設(shè)置結(jié)晶器電磁攪拌，用電磁力打斷柱狀晶，打斷的柱狀晶成為形成等晶的晶核，增加等柱晶的比例。

過熱度高以及電磁攪拌參數(shù)不合理是等軸晶率低的主要原因。

4 提高鑄坯質(zhì)量的工藝優(yōu)化實踐

提高馬氏體耐熱氣閥鋼鑄坯質(zhì)量，主要使鑄坯擁有：較低的表面縱向凹陷、高的等軸晶率、低的中心疏松和縮孔；現(xiàn)場工藝優(yōu)化主要圍繞：鋼水過熱度與拉速合理匹配、均勻坯殼控制、組合電磁攪拌參數(shù)優(yōu)化、二冷工藝優(yōu)化來實施。

4.1 鋼水過熱度與拉速合理匹配

過熱度是決定等軸晶區(qū)大小的一個重要參數(shù)。過熱度低，則鑄坯等軸晶區(qū)大。過熱度高, 柱狀晶區(qū)大，甚至產(chǎn)生柱狀晶搭橋現(xiàn)象形成中心疏松或縮孔； 且造成拉坯速度慢，不利于鑄坯緩冷；也不利于鑄坯矯直，因為拉速低造成鑄坯表面硬度大。

對于4Cr10Si2Mo，要保證澆注順利、良好的鑄坯質(zhì)量、保證后期的緩冷，過熱度與拉速的合理匹配很重要。

在投產(chǎn)初期，為保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，中包過熱度一般在50℃以上，拉速范圍為0.85m/min～1.4m/min。當(dāng)拉速達(dá)1.4m/min時，鑄坯出現(xiàn)嚴(yán)重中心疏松和縮孔。后來通過采取合理措施：控制過程溫降，強化鋼包烘烤提高包襯溫度在1000℃以上，嚴(yán)格執(zhí)行溫度每升高5℃，拉速降低0.05 m/min，后期過熱度得到了有效控制，中包過熱度能穩(wěn)定在20℃～40℃之內(nèi)，拉速穩(wěn)定在0.7m/min～1.1m/min之內(nèi)，鑄坯質(zhì)量有較大提高。中包鋼液溫度變化如表圖1和圖2所示。

圖1 生產(chǎn)前期不同爐次大包上臺溫度

圖2 生產(chǎn)前期一個澆次連澆三爐鋼中包測溫度

4.2 均勻坯殼控制

4.2.1 結(jié)晶器液面波動控制

結(jié)晶器液面波動過大，會造成渣條卷入到鋼液中，被出生坯殼捕捉后引起坯殼厚度不均，導(dǎo)致鑄坯表面縱裂甚至漏鋼。起初由于中間包容量較小(10t)，以及大包操作工操作不熟練，另外結(jié)晶器電磁攪拌強度太大，使彎月面上下波動劇烈達(dá)到±6mm；后來通過采用結(jié)晶器液面波動控制系統(tǒng)，優(yōu)化結(jié)晶器電磁攪拌電流，同時嚴(yán)格管理操作工，最終液面波動控制在±3mm。

4.2.2 合適的結(jié)晶器冷卻強度及保護(hù)渣

合理選用保護(hù)渣對于減少鑄坯表面縱向凹陷至關(guān)重要，尤其是保護(hù)渣的粘度、半球熔化溫度、熔化速度和堿度。由于國內(nèi)對4Cr10Si2Mo連鑄專用保護(hù)渣相關(guān)研究較少，對保護(hù)渣的選型成分設(shè)計上參照近似馬氏體不銹鋼的保護(hù)渣[4]，其理化參數(shù)見表3。

結(jié)晶器冷卻強度的大小對鑄坯表面縱向凹陷也有較大影響，因此合理、均勻的結(jié)晶器冷卻的強度可以降低表面凹陷的概率。表4為在相同工藝參數(shù)下結(jié)晶器水量為105,95,85m3/h下測得的鑄坯表面出現(xiàn)凹坑概率。

表3 馬氏體不耐熱氣閥鋼保護(hù)渣主要理化參數(shù)

表4 不同結(jié)晶器冷卻水流量下鑄坯表面凹陷的概率

生產(chǎn)4Cr10Si2Mo鋼種的合理結(jié)晶器冷卻強度為95m3/h，結(jié)晶器冷卻水溫差為5℃～7℃。

4.2.3 合適的結(jié)晶器錐度

4Cr10Si2Mo馬氏體耐熱氣閥鋼導(dǎo)熱性能差，且收縮大。錐度的大小必須合適，過大的錐度會造成結(jié)晶器對坯殼的擠壓，導(dǎo)致角部凹陷，坯殼與結(jié)晶器摩擦增加，加劇結(jié)晶器磨損, 還會出現(xiàn)表面增銅。在角部區(qū)域，由于氣隙的作用會形成熱節(jié)點，易造成坯殼減薄并引起裂紋。錐度過小又會使氣隙增大、熱流減小、坯殼減薄，容易發(fā)生漏鋼并誘發(fā)皮下裂紋和縱向凹陷。起初生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器下口磨損嚴(yán)重，且出現(xiàn)表面縱裂凹陷，后來通過優(yōu)化采用三段式拋物線錐度解決了此問題。

4.3 組合電磁攪拌參數(shù)優(yōu)化

綜合采用結(jié)晶器電磁攪拌(M-EMS)和末端電磁攪拌(F-EMS)可極大改善鑄坯凝固組織，提高鑄坯質(zhì)量[5]。為研究組合電磁攪拌對鑄坯低倍組織缺陷的影響，拉速在1.0m/min，過熱度在20℃～40℃，末端電磁攪拌位置為6.8m，攪拌方式均為交替方式(正轉(zhuǎn)5s、停頓1s、反轉(zhuǎn)5s)，考慮不同的電磁攪拌電流對鑄坯低倍組織缺陷的影響，如表5所示。

由表5中數(shù)據(jù)可以看出，提高結(jié)晶器電攪電流能明顯提高鑄坯的等軸晶率，鑄坯低倍組織缺陷級別也相應(yīng)降低，但是增大末端電磁攪拌電流時等軸晶率幾乎無變化，可能是由于末端電磁攪拌位置有所偏差，其次是由于冷卻強度過大，鑄坯中形成的凝固液心較短。結(jié)晶器電攪和末端電磁攪拌組合，電攪電流不是越大越好，最佳結(jié)晶器電磁攪拌電流為280A，頻率為3.5Hz，末端電磁攪拌電流為350A，頻率為7Hz。

表5 組合電磁攪拌參數(shù)對低倍組織缺陷的影響

根據(jù)電磁攪拌試驗結(jié)果，對末端電磁攪拌位置進(jìn)行優(yōu)化。采用射釘實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝固末端位置在6.8m時，鑄坯幾乎完全凝固，驗證了以上實驗結(jié)果。根據(jù)射釘鑄坯低倍結(jié)果，分別計算得到鑄坯的凝固系數(shù)K為28.90和29.61，按照末端電磁攪拌處液相率為30%，確定合適的末端電磁攪拌位置為距結(jié)晶器彎月面4.6m。采用結(jié)晶器電磁攪拌電流為280A，頻率為3.5Hz，末端電磁攪拌流為350A，頻率為7Hz，進(jìn)行實驗，低倍結(jié)果如表6所示。

表6 最優(yōu)組合電磁攪拌參數(shù)的鑄坯低倍結(jié)果

4.4 二冷工藝優(yōu)化

二冷強度過大，造成斷面上溫度梯度過大，會促進(jìn)柱狀晶生長，減少等軸晶比例。馬氏體不銹鋼二次冷卻強度設(shè)計的關(guān)鍵：

1)二冷配水設(shè)計要考慮馬氏體不銹鋼較低的熱導(dǎo)率。

2)要考慮馬氏體不銹鋼的熱力學(xué)性能，特別是高溫強度低、容易產(chǎn)生高溫蠕變特點，冷卻強度較碳鋼弱，要重視冷卻的均勻性。圖3為4Cr10Si2Mo鋼的高溫力學(xué)曲線，零強度溫度(ZST)為1386℃，零塑性溫度(ZDT)為1350℃。

3)要考慮馬氏體不銹鋼合適的出坯溫度, 為后續(xù)鑄坯緩冷提供條件。

根據(jù)冶金規(guī)則及高溫力學(xué)曲線，對于4Cr10Si2Mo馬氏體耐熱鋼，采用弱冷，拉速為1.0m/min，比水量為0.22L/kg，應(yīng)用動態(tài)二冷配水系統(tǒng)，保證均勻冷卻。表7為本鑄機的二冷回路基本參數(shù)。

圖3 4Cr10Si2Mo的高溫力學(xué)曲線

表7 二冷回路基本參數(shù)(單位:m)

5 應(yīng)用效果

通過對鑄機工藝參數(shù)的優(yōu)化，在降低過熱度、拉速后，適宜的冷卻強度和電攪參數(shù)下，鑄坯表面質(zhì)量良好，表面縱向凹坑基本沒有出現(xiàn)；鑄坯內(nèi)部無任何裂紋，中心疏松80%均在1.5級以下，中心縮孔90%在1.0級內(nèi)，鑄坯中心等軸晶率平均達(dá)到了40%。典型低倍見圖4。

圖4 鑄坯典型低倍組織

6 結(jié)論

1)鑄機設(shè)備的合理設(shè)計、二級控制模型的應(yīng)用以及對不銹鋼生產(chǎn)工藝的優(yōu)化是保證高品質(zhì)鑄坯質(zhì)量的前提；

2)合理的結(jié)晶器冷卻強度，合適的結(jié)晶器錐度和保護(hù)渣對保證結(jié)晶器內(nèi)坯殼的均勻性有重要的影響；

3)馬氏體耐熱鋼4Cr10Si2Mo連鑄坯主要的質(zhì)量問題是中心疏松和中心縮孔，嚴(yán)格控制過熱度與拉速的關(guān)系，合理的二冷參數(shù)及采用二冷動態(tài)配水系統(tǒng)，以及綜合采用結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌等技術(shù)是減少中心疏松和中心縮孔的有效方法。

[1]程世長,劉正東,楊鋼等.中國內(nèi)燃機氣閥鋼的現(xiàn)狀和建議[J].鋼鐵研究學(xué)報，2005，Vol,17(3)：4-7.

[2]楊杰,周書才,彭軍.馬氏體不銹鋼方坯連鑄工藝研究[J].煉鋼,2011,Vol.27(1):50-51.

[3]周書才,楊治力,楊杰.連鑄主要工藝參數(shù)對馬氏體不銹鋼方坯質(zhì)量的影響[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,Vol,7(4):31～32.

[4]楊軍．馬氏體不銹鋼板坯連鑄保護(hù)渣研制與應(yīng)用[J].鋼鐵,2012,Vol.47(2):26．

[5]戰(zhàn)國鋒,王恩剛,姜在偉等.電磁攪拌對馬氏體不銹鋼凝固組織的影響[J].鑄造,2009,Vol.58(12):1245～1246.

·業(yè)界動態(tài)·

鞍鋼成功開發(fā)440mm特厚鋼板

鞍鋼集團鋼鐵研究院與鞍鋼股份鲅魚圈分公司攜手開發(fā)出440mm特厚鋼板，探傷性能滿足客戶要求，并順利供貨，填補了國內(nèi)空白。

特厚鋼板廣泛應(yīng)用于電力、海工、化工、機械、軍工等國民經(jīng)濟的各個方面。傳統(tǒng)熱軋方式生產(chǎn)特厚鋼板的原料有模鑄鋼錠、電渣重熔鋼坯、鍛造鋼坯等，但其存在生產(chǎn)成本較高、成材率和探傷合格率較低的弊端，同時在以熱軋方式生產(chǎn)300mm以上鋼板時無法保證探傷性能。

440mm特厚鋼板的成功開發(fā)，不僅填補了國內(nèi)以低成本生產(chǎn)工藝軋制保探傷特厚鋼板的空白，而且對提升鞍鋼特厚鋼板的品牌形象和市場競爭力具有重要意義。為了讓更多用戶接受和認(rèn)可該工藝生產(chǎn)的特厚鋼板，鞍鋼目前正在進(jìn)行相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的制訂和申請。

Discussion of Continuous Casting Technology of Martensitic Heat-Resistant Steel 4Cr10Si2Mo

Ye Ying1An Hanghang2

(1：Beijing Metallurgical Equipment Research & Design Corporation Ltd. of MCC Group, Beijing 100029; 2：WISDRI Engineering and Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

Owing to physical characteristics of martensitic heat resistant steel, quality defects easily appeared in continuous casting process, such as surface depression, central porosity and central pipe and so on. By studying solidification characteristics and high temperature characteristic of martensitic heat resistant steel in continuous casting process, formation mechanism of defects were analyzed. After continue casting technology was optimized, billet quality has improved effectively.

Martensitic heat-resistant steel Continuous casting technology Billet quality

葉英，女，1963年出生，畢業(yè)于北京科技大學(xué)機械系冶金機械專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，高級工程師

TF777

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10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.009

2014-03-21)