高合金鋼P(yáng)9模鑄工藝優(yōu)化實(shí)踐

白永康， 原凌云， 郝旭明， 張振祥， 宋 苗

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼一廠， 山西 太原 030032）

P9系列高合金鋼，是含w（Cr）=9%左右的耐熱鋼，由美國燃燒工程公司冶金材料實(shí)驗(yàn)室公司和美國國立橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，具有非常良好的高溫穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性，廣泛應(yīng)用于電站鍋爐、石油石化等行業(yè)。其使用環(huán)境苛刻，用戶對產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量的要求非常高。該鋼種對成品的非金屬夾雜物、超聲波探傷等有較高要求，P9低倍組織檢驗(yàn)要求見表1[1]。

表1 P9低倍組織檢驗(yàn)要求

太鋼不銹鋼股份有限公司采用“鐵水預(yù)處理+電爐+LF+VD+模鑄+軋制+鍛造”或“鐵水預(yù)處理+電爐+LF+VD+模鑄+電渣+鍛造”工藝生產(chǎn)P9系列高合金鋼，工藝改進(jìn)前，在探傷檢驗(yàn)中合格率特別低，甚至在鍛造后的低倍檢驗(yàn)中仍會發(fā)現(xiàn)縮孔（縮孔尺寸達(dá)到了 200 mm）[2]。

為進(jìn)一步提高P9系列高合金鋼模鑄鋼錠的質(zhì)量，降低鋼錠縮孔和疏松級別，本文提出了改進(jìn)P9系列高合金鋼的工藝措施，以快速達(dá)到用戶要求，提升實(shí)物質(zhì)量和市場競爭力。

1 工藝研究

1.1 工藝流程

原有的工藝流程：鐵水預(yù)處理+電爐+LF+VD+模鑄+軋制+鍛造”或“鐵水預(yù)處理+電爐+LF+VD+模鑄+電渣+鍛造”。但是8.4 t鋼錠尺寸較大，受限于徑鍛機(jī)的鍛造能力，不能直接用于鍛造，因此在必須通過軋制到一定的規(guī)格后才能進(jìn)行鍛造。這就多出了一部分軋制費(fèi)用，且在軋制后仍存在縮孔缺陷（縮孔尺寸達(dá)到了200 mm），成品質(zhì)量不穩(wěn)定，完全不能滿足要求?！半娫?鍛造”工藝，成品質(zhì)量較穩(wěn)定，但是電渣工序費(fèi)用太高。

改進(jìn)后的工藝流程為：鐵水預(yù)處理+電爐+LF+VD+5.8 t模鑄+鍛造。這一工藝流程使用的是5.8 t鋼錠模進(jìn)行模鑄，而且可以直接用于鍛造，減少了軋制工序，縮短了工藝流程，降低了生產(chǎn)成本。

1.2 化學(xué)成分（見表2）

表2 P9化學(xué)成分 %

P9屬于低碳高合金鋼，鉻和鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，液態(tài)收縮量較大，容易產(chǎn)生縮孔。在精煉過程中，以上各種成分要求均能保證。

P9是包晶鋼，發(fā)生包晶反應(yīng)時的固相率在0.9～1之間；包晶反應(yīng)完成后還有大量的δ→γ轉(zhuǎn)變發(fā)生，收縮傾向大，容易產(chǎn)生裂紋，所以澆注后動車時間要長一點(diǎn)。

2 改進(jìn)措施

2.1 提高澆注溫度

鋼液凝固過程中最重要的兩個溫度是液相線和固相線，它們決定了鋼水在什么時候開始凝固，在什么時候完全凝固。鋼錠中隨時間而變化的溫度分布將決定著縮孔疏松的產(chǎn)生。金屬隨著溫度的降低會出現(xiàn)三種不同方式的收縮，當(dāng)在不同階段所對應(yīng)的補(bǔ)縮機(jī)制不能進(jìn)行有效補(bǔ)縮時，便會產(chǎn)生縮孔疏松。如下頁圖1所示，剛澆入的過熱金屬液會依次經(jīng)歷：液態(tài)收縮、凝固收縮以及固態(tài)收縮。液態(tài)收縮，這是一種正常的熱收縮，金屬液體積會隨溫度的降低而線性減小。凝固收縮，這種收縮是由金屬相變引起的，凝固時金屬液由“隨機(jī)緊密堆積”結(jié)構(gòu)變?yōu)橐?guī)則的密排晶體結(jié)構(gòu)，縮孔疏松基本上在此階段產(chǎn)生。固態(tài)收縮，與液態(tài)收縮一樣，金屬體積呈線性減小，但是固態(tài)金屬卻無法實(shí)現(xiàn)自由收縮，因此可能導(dǎo)致鋼錠的熱裂。

根據(jù)P9的化學(xué)成分，選取合適的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

由（1）式得，液相線溫度為1 502℃，由（2）式得，固相線溫度為1 459℃，兩相區(qū)僅43℃。兩相區(qū)較窄，凝固較快，線收縮量大，容易產(chǎn)生內(nèi)部裂紋和縮孔，與實(shí)際相符。

鑄前溫度提高25℃，使得過熱度足夠高，延長液態(tài)補(bǔ)縮時間，減少凝固區(qū)面積，增加液相區(qū)面積，使鋼錠填充在液態(tài)補(bǔ)縮期完成，降低漿態(tài)補(bǔ)縮和枝晶間補(bǔ)縮難度，將二次縮孔控制在可接受的范圍內(nèi)[3]。

圖1 金屬的三種收縮方式

2.2 優(yōu)化鋼錠模

澆注P9系列高合金鋼一直使用的是8.4 t錠模，但是在后部質(zhì)量檢驗(yàn)過程中，縮孔問題均得不到有效解決，且“軋制+鍛造”過程費(fèi)用較高。

我公司2015年與中科院金屬研究所合作，對現(xiàn)有的錠模進(jìn)行研究，預(yù)測縮孔疏松產(chǎn)生的位置和嚴(yán)重程度，采用直接模擬法，使用的軟件是美國USE公司開發(fā)的ProCAST軟件[4]。

圖2 5.8 t鋼錠溫度（℃）場計(jì)算結(jié)果

圖2 為5.8 t鋼錠的溫度場計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明鋼錠溫度場變化均勻，鋼錠按順序凝固，鋼錠最后同時凝固區(qū)域小，鋼錠內(nèi)部縮孔疏松趨勢小，鋼錠凝固時鋼錠錠身溫度為700～930℃，冒口溫度為1 030～1 150℃。由于P9鋼兩相區(qū)較窄鋼錠中心形成縮孔疏松的傾向較小。

圖3為5.8 t鋼錠疏松縮孔計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明鋼錠中心區(qū)域容易形成疏松，鋼錠的冒口收縮比較好。一次縮孔主要集中冒口中，降低冒口澆注速度，延長冒口的澆注時間，有利于減少鋼錠中心的縮孔疏松缺陷。

圖3 5.8 t鋼錠疏松縮孔率計(jì)算結(jié)果（%）

下頁圖4為8.4 t鋼錠縮孔疏松計(jì)算結(jié)果，通過疏松計(jì)算結(jié)果可知鋼錠內(nèi)部容易形成疏松缺陷，采用大的鍛比或者最終產(chǎn)品的規(guī)格較小時，使鋼錠內(nèi)部的疏松缺陷可以得到減輕或消除，如果只是鋼錠表面變形鋼錠內(nèi)部沒有形成大的變形，或最終產(chǎn)品規(guī)格較大，不能滿足正常的鍛造比，容易導(dǎo)致產(chǎn)品探傷不合格[5]。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，決定采用現(xiàn)有的5.8 t錠模。

2.3 延長澆注時間

延長錠身澆注時間。錠身澆注時間由7～10 min調(diào)整為9～11 min，在實(shí)際生產(chǎn)中，按上限控制。由于提高了鑄溫，如果錠身澆注過快，會使得鋼水在同樣的時間內(nèi)散熱面積增加，增加了鋼錠內(nèi)部的凝固區(qū)面積，增加產(chǎn)生縮孔的概率，所以要延長錠身澆注時間。同時帽口填充時間由5～7 min調(diào)整為6～10 min，杜絕細(xì)流填充，保證帽口填充效果。增加帽口填充時間可以使鋼水填充到凝固時產(chǎn)生的間隙中，使鋼錠更致密，減小縮孔。但是要杜絕細(xì)流澆注時，由于流量太小不足以上升到足夠的高度，在鋼錠中間某個部位就開始凝固，反而阻擋了鋼水上升到帽口部位的通道，使得鋼錠中上部產(chǎn)生二次縮孔。

圖4 8.4 t鋼錠疏松縮孔率計(jì)算結(jié)果（%）

3 工藝優(yōu)化效果

通過工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高合金鋼P(yáng)9模鑄后直接鍛造工藝流程，在鍛造成為Φ175 mm規(guī)格后探傷結(jié)果滿足不大于Φ3.2級的合格率（達(dá)到了95%以上）；同時減少了電渣工序，減少費(fèi)用約3 000元/t。

4 結(jié)論

1）使用5.8 t鋼錠模，更改了工藝路線后，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2）通過對液相線和固相線的計(jì)算，了解兩相區(qū)的寬窄，掌握鋼水的凝固特性，然后選擇澆注溫度，可以有效解決鋼錠縮孔問題。

3）延長澆注時間，根據(jù)錠型、鋼種和澆注溫度選擇合理的錠身和冒口澆注時間，可以有效提高鋼錠的質(zhì)量。