高宏生 王怡群 馬軍平 王海珍 高全德 王曉飛

(中原特鋼股份有限公司，河南459008)

聚酯工程用馬氏體不銹鋼細(xì)長(zhǎng)主軸是工程關(guān)鍵設(shè)備——臥式圓盤反應(yīng)器的心臟部件，長(zhǎng)度在8 m～12 m，細(xì)長(zhǎng)比(L/D)超過30。它在高溫、低壓、彎矩、扭矩和腐蝕介質(zhì)條件下工作，要求沿軸線方向具有較高的化學(xué)和物理均勻一致性，具有良好的抗彎曲、抗斷裂、抗疲勞、抗蠕變、抗松弛和抗腐蝕等性能。

1 聚酯反應(yīng)器馬氏體不銹鋼細(xì)長(zhǎng)主軸制造難點(diǎn)

(1)聚酯反應(yīng)器馬氏體不銹鋼細(xì)長(zhǎng)主軸選用DIN1.4122鋼，化學(xué)成分要求見表1。

DIN1.4122鋼為馬氏體不銹鋼，若澆鑄20 t～30 t的大鋼錠，有一系列問題。比如，表面質(zhì)量差，鍛造前需進(jìn)行表面精整，即使這樣表面精整鍛造性能也不好；高鉻鋼水粘度大，長(zhǎng)時(shí)間澆鑄過程中鋼水受耐火材料污染嚴(yán)重，夾雜物難以分離而容易卷帶存留錠中；由于合金含量接近20%，高合金鋼水在自然冷卻條件下凝固成大鋼錠，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏析和沉積錐[1]等。

(2)非金屬夾雜物等級(jí)(按GB/T10561標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定)：A+B+C+D≤3.0。使用工況要求鋼質(zhì)具有高的純凈度。但不銹鋼鋼液粘，夾雜物不易

(3)馬氏體不銹鋼細(xì)長(zhǎng)主軸采取調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，顯微金相組織為回火索氏體+鐵素體+少量顆粒碳化物。顆粒碳化物在組織中呈彌散分布，不得出現(xiàn)沿晶界網(wǎng)狀分布的碳化物析出相。調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能要求見表2。

表1 主軸用DIN1.4122鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of DIN1.4122 steel used for main shaft (mass fraction,%)

表2 主軸調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties after main shaft quenching and tempering

注：表中沖擊功是3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功平均值，允許一個(gè)試樣的沖擊功小于規(guī)定值，但不得小于規(guī)定值的70%。

從表2可以看出，主軸對(duì)材料的冶金質(zhì)量和性能要求極其苛刻。主軸材料是一種高強(qiáng)度的脆性材料，但用戶除了要求高強(qiáng)度外，還額外提出了高韌性指標(biāo)，并對(duì)金相組織也做出了嚴(yán)格限制。由于主軸用DIN1.4122鋼含有較多的碳化物形成元素，在鋼液凝固過程中接近共晶的碳化物易聚集，降低鋼的塑韌性。為提高此鋼的塑韌性，應(yīng)努力提高鋼的純凈度、均勻性，并細(xì)化晶粒。

2 制造工藝研究

2.1 純凈度控制

統(tǒng)計(jì)我公司電渣重熔H13鋼142爐284個(gè)試樣的夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：A+B+C+D≤2.5的占48%，A+B+C+D≤3.0的占69%，142爐試樣平均檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，B類和D類夾雜物占夾雜物總量的95.8%，B類夾雜物為氧化鋁，主要是用鋁脫氧的沉淀脫氧產(chǎn)物，D類是球狀氧化物，大多是鈣的脫氧產(chǎn)物。為確保非金屬夾雜物等級(jí)合格，必須努力控制A類、C類為零，盡量降低B類、D類夾雜物的評(píng)級(jí)，降低鋼中的氧含量。主軸鍛件需要采用15 t～25 t的精煉鋼錠鍛造，由于采用精煉鋼錠生產(chǎn)存在表面質(zhì)量差、夾雜物難以分離而容易卷帶存留在錠中以及有嚴(yán)重的偏析和沉積錐等一系列的問題，為此采取EBT+LF-VD+ESR的煉鋼工藝。煉鋼在LF爐中要加強(qiáng)攪拌和脫氧、脫硫，控制熔渣中的FeO+MnO≤1.5%，最好FeO+MnO≤1.0%，在LF爐鋼中硫控制在≤0.008%，最好控制在≤0.005%。經(jīng)電渣重熔后，進(jìn)一步脫硫，鋼中硫應(yīng)控制在≤0.003%。VD擴(kuò)散時(shí)間和澆鋼鎮(zhèn)靜時(shí)間長(zhǎng)一些，讓夾雜物充分上浮。生產(chǎn)12 t～20 t電渣錠就相當(dāng)于15 t～25 t精煉鋼錠。采用電渣錠，不僅這些問題迎刃而解，而且電渣重熔鋼具有高熱塑性、高均勻性、高致密度、高純凈度的重要特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。電渣重熔應(yīng)選擇堿性高、脫氧、脫硫效果好、粘度低、去夾雜好的渣系。電渣重熔前要清理掉電極坯表面的氧化皮，電渣重熔時(shí)應(yīng)做好低氫控制、脫氧控制、補(bǔ)縮控制。影響電渣鋼中總氧含量的決定因素是渣中aFeO值，因此應(yīng)加強(qiáng)脫氧，努力降低渣中aFeO值。電渣重熔脫氧加鋁不要加的過多，鋼中殘鋁不易超過0.025%，殘鋁過高在晶界析出氮化鋼易導(dǎo)致鍛造裂紋。此鋼合金含量高，易偏析，電渣重熔時(shí)應(yīng)控制金屬熔池“扁、平、淺”，這有利于夾雜物和氣體排出，提高電渣錠成分的均勻性。電渣重熔前后化學(xué)成分的變化見表4。

電渣重熔顯示了較好的脫硫效果，所有爐次的硫含量均控制在0.003%以下，其它元素電渣重熔前后基本沒變化。

提高熔渣堿度，加強(qiáng)脫氧，可降低鋼中氧含量，降低鋼中的非金屬夾雜物等級(jí)。

采用不同的渣系和脫氧制度的電渣重熔工藝制度見表5。采用不同工藝制度電渣重熔后鋼中夾雜物的平均等級(jí)見表6。電渣重熔前后鋼中氣體含量的變化見表7。

提高熔渣堿度，可降低渣中FeO、MnO、Cr2O3等不穩(wěn)定氧化物的活度，減少渣中不穩(wěn)定氧化物對(duì)金屬熔池的傳遞供氧。電渣重熔的渣/鋼之間反應(yīng)接觸界面是電弧爐的7 000倍[2]，可對(duì)鋼進(jìn)行充分渣洗，配合強(qiáng)脫氧，可有效降低鋼的氧含量，從而降低重熔鋼中B類和D類氧化物的等級(jí)。電渣鋼的氧含量與電極坯的氧含量、重熔渣系的堿度、脫氧制度、保護(hù)氣體的種類以及重熔過程中電極浸入渣池的深度等因素有關(guān)。

表3 電渣重熔H13鋼非金屬夾雜物等級(jí)Table 3 Non-metallic inclusion levels for ESR H13 steel

表4 電渣重熔前后DIN1.4122鋼化學(xué)成分的變化 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 The variation of chemical composition of DIN1.4122 steel before and after electroslag remelting (mass fraction,%)

表5 采用不同的渣系和脫氧制度的電渣重熔工藝制度Table 5 The ESR processes system adopted different slags system and deoxidation methods

表6 采用不同工藝制度電渣重熔后鋼中夾雜物的平均等級(jí)Table 6 Average level of inclusion in steel after different ESR processes

表7 電渣重熔前后鋼中氣體含量的變化(10-6)Table 7 The variation of gas contents in steel before and after electroslag remelting (10-6)

2.2 鍛造

DIN1.4122鋼合金含量高，導(dǎo)熱性差，鍛造加熱前期要緩慢升溫，確保加熱均勻。由于鍛件長(zhǎng)度為8 m～14 m，細(xì)長(zhǎng)比(L/D)超過30，鍛造時(shí)我公司采取油壓機(jī)-精鍛機(jī)聯(lián)鍛的方式，即在50MN油壓快鍛機(jī)上開坯，進(jìn)行大送進(jìn)量、大壓下量鍛造，充分壓實(shí)鍛件芯部和打碎鋼中的碳化物以及金屬化合物。油壓機(jī)開坯至?600 mm后，轉(zhuǎn)到14 MN精鍛機(jī)上拉打成形，在精鍛機(jī)4個(gè)錘頭以175 次/min的高速徑向壓縮下，鍛打過程不降溫，一次打完。避免采用油壓機(jī)鍛造成形，鍛件需多次返爐加熱的不便。若鍛造溫度低于900℃，則會(huì)增大DIN1.4122鋼鍛造開裂的機(jī)率。

2.3 鍛后熱處理

主軸鍛件鍛后熱處理的目的是細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力，軟化組織，得到球狀珠光體組織，降低鍛件中氫含量，防止白點(diǎn)產(chǎn)生。主軸鍛件鍛后冷卻過程中，外層的殘余奧氏體馬上分解，里層的殘余奧氏體在珠光體區(qū)域轉(zhuǎn)變，將沿奧氏體晶界析出二次網(wǎng)狀碳化物，尤其在750～850℃時(shí)最為嚴(yán)重。為防止網(wǎng)狀碳化物析出，鍛后熱處理時(shí)重結(jié)晶的奧氏體化溫度可適當(dāng)高些(930℃左右)。此鋼鉻高，殘余奧氏體穩(wěn)定，過冷是殘余奧氏體分解最關(guān)鍵的一步，過冷保溫時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)有利于殘余奧氏體分解，也有利于細(xì)化晶粒。為此，對(duì)?450 mm主軸鍛件采取鍛后空冷至350～400℃，加快冷卻速度，再通過正火，進(jìn)一步消除在鍛后冷卻過程中已形成的網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化晶粒，確保其級(jí)別≥4級(jí)。主軸鍛件鍛后熱處理曲線見圖1。

2.4 調(diào)質(zhì)熱處理

調(diào)質(zhì)熱處理是確保材料性能的關(guān)鍵過程。由于該材料合金含量高，為脆性較大的馬氏體不銹鋼，同時(shí)噸位較大(工件的調(diào)質(zhì)噸位單件有11 t重)，屬大型調(diào)質(zhì)件，在加熱時(shí)存在較大的熱應(yīng)力。在淬火冷卻時(shí)，由于主軸臺(tái)階較多(5個(gè)臺(tái)階)，直徑差較大(直徑差200 mm)，冷卻時(shí)間很難確定。對(duì)于較粗直徑段，怕冷卻時(shí)間不夠，達(dá)不到淬火效果，對(duì)于較細(xì)直徑段，又怕冷卻時(shí)間過長(zhǎng)，產(chǎn)生淬火裂紋。為此，我公司采取淬火加熱時(shí)分兩段預(yù)熱，以減少加熱應(yīng)力。在淬火冷卻時(shí)除了采取水基淬火液處理提高綜合性能外，還采取了短時(shí)間隙冷卻，進(jìn)一步減少熱應(yīng)力和隨后的組織應(yīng)力。在經(jīng)過690℃回火處理后，綜合性能良好。力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表8。

圖1 DIN1.4122主軸鍛件鍛后熱處理曲線Figure 1 The post forging heat treatment curve of DIN1.4122 steel main shaft forging

Rm/MPaRp0.2/MPaA5(%)AKU/JHBW協(xié)議要求10A0550-1(錠尾端)10A0550-2(冒口端)9C0537-1(錠尾端)9C0537-2(冒口端)≥750850800835840≥550670615620605≥1420202121≥2030 27 2331 33 3525 25 2728 30 26220～280223 224 230 224-225、227、233、230-

3 結(jié)論

(1)電渣重熔是獲取高純凈度、高均勻性的優(yōu)質(zhì)不銹鋼大鍛件的重要手段，它解決了采用精煉鋼錠表面質(zhì)量差、夾雜物難以分離而容易卷帶存留在錠中以及有嚴(yán)重的偏析和沉積錐等一系列的問題。

(2)采取油壓機(jī)-精鍛機(jī)聯(lián)鍛是制造細(xì)長(zhǎng)鍛件的有效手段，油壓機(jī)開坯有利于壓實(shí)，精鍛件鍛打效率高，有利于成形。

(3)對(duì)于脆性較大的大型調(diào)質(zhì)件，在淬火加熱時(shí)分兩段預(yù)熱，以減少加熱應(yīng)力。在淬火冷卻時(shí)除了采取水基淬火液處理提高綜合性能外，還采取了短時(shí)間隙冷卻，進(jìn)一步減少熱應(yīng)力和隨后的組織應(yīng)力。

[1] 向大林，王克武，朱孝渭.快堆工程用不銹鋼大鍛件的研制.大型鑄鍛件，2003(2):6-7.

[2] 向大林.關(guān)于巨型鋼錠電渣技術(shù)之我見.大型鑄鍛件，2010(4):38.