呂紀永，陳子坤，王忠英，施　楓

(1.常熟市龍騰特種鋼有限公司， 江蘇 常熟　215511； 2.鋼鐵研究總院華東分院， 江蘇 淮安　223002)

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高品質耐磨球用鋼生產(chǎn)工藝優(yōu)化*

呂紀永1，陳子坤2，王忠英2，施楓2

(1.常熟市龍騰特種鋼有限公司， 江蘇 常熟215511； 2.鋼鐵研究總院華東分院， 江蘇 淮安223002)

分析了影響高品質耐磨鋼的主要因素，針對影響質量的因素提出了生產(chǎn)高品質耐磨鋼的主要措施，并結合生產(chǎn)裝備的具體特點對生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化。

耐磨球用鋼； 高品質； 工藝優(yōu)化

引言

耐磨材料是新材料領域的核心，對高新技術的發(fā)展起著重要的推動作用，耐磨球用鋼是礦山機械作業(yè)中所必需的耐磨材料之一。伴隨著礦山開采業(yè)的飛速發(fā)展，對耐磨球用鋼的質量提出了更高的要求，要求耐磨球具有良好的內(nèi)部質量及耐磨性，整體硬度的均勻性和良好的韌性，以降低在礦料破碎中耐磨材料的消耗。耐磨球在耐磨材料中占很大比重，國內(nèi)需求量與對外出口量逐年遞增，對磨球的耐磨性要求更高。因此，耐磨球用鋼的制造工藝方法及技術裝置水平要不斷創(chuàng)新，提高質量、擴大產(chǎn)量、降低成本以適應市場激烈競爭的需要，同時還面臨著科技與經(jīng)濟發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)不少特鋼企業(yè)，先后對耐磨球用鋼的少數(shù)品種進行了分散開發(fā)，但由于各廠的裝備與工藝技術的差別，磨球質量也有所差別，并對磨球加工后的性能研究不足，不能形成系統(tǒng)的系列性的研發(fā)，使得我國耐磨球用鋼及耐磨球產(chǎn)品在高端用鋼和國際市場仍缺乏競爭力。

本文以國內(nèi)某特鋼企業(yè)所具有的特鋼轉爐-大棒材生產(chǎn)線、世界一流的耐磨球加工設備及全系列鋼球品種需求為研究對象，進行全系列品種的研制開發(fā)，對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化、改進，提升耐磨球用鋼產(chǎn)品質量，最終形成完整的高品質耐磨球用鋼系列品種開發(fā)及生產(chǎn)技術集成。成功開發(fā)了w(C)含量為0.58%～1.05%的全系列合金鋼球用鋼品種，其鑄坯和軋材產(chǎn)品各項性能、質量良好，完全滿足高品質耐磨球的加工需求。

1　生產(chǎn)工藝及主要設備參數(shù)

1.1工藝路線介紹

100 t LD轉爐→100 t LF精煉爐→CCM連鑄( 310 mm×360 mm/220 mm×260 mm) →鑄坯緩冷→空氣煤氣雙蓄熱式步進加熱爐→15架連軋機組→熱鋸切定尺(3臺熱鋸)→冷床→緩冷(入坑緩冷)→檢驗、修磨。

1.2主要工況介紹

主要工況如表1所示。

表1　主要工況

2　耐磨球用鋼全系列品種介紹

傳統(tǒng)的磨球制造工藝為鑄造，材料主要有高碳鋼和高鉻合金鋼兩種，鑄造磨球因表面粗糙，內(nèi)部疏松，球的內(nèi)部組織粗大，在使用過程中破碎率高、沖擊韌性小，球越大、磨機越大，產(chǎn)生破碎的幾率也就越大等原因，不能滿足礦山機械發(fā)展的需求。鍛造、軋制磨球具有生產(chǎn)效率高，所生產(chǎn)的磨球表面光滑，內(nèi)部致密、晶粒度高，球的抗跌落性和沖擊韌性較強，球的破碎率低等特點。以軋代鑄、以軋代鍛工藝成為耐磨球生產(chǎn)的主要方式，特別是隨著轉爐-連鑄特殊鋼冶煉生產(chǎn)技術日趨成熟，耐磨球用鋼的生產(chǎn)主要采用連鑄-連軋生產(chǎn)圓棒，進而軋球的生產(chǎn)工藝。

現(xiàn)國內(nèi)磨球廠家需要的耐磨球用鋼，一般采用w(C)為0.58%～1.05%的高碳鋼，添加適量的Si，Mn，Cr等強化元素，以改善材料性能；根據(jù)耐磨球的加工工藝和用戶的不同使用要求，要求在不同使用環(huán)境下，磨球要具有較高的硬度、耐磨性和良好的韌性。本生產(chǎn)線已開發(fā)的高品質耐磨球用鋼具有鋼水潔凈度高，殘余有害元素含量低，化學成分能窄帶范圍控制等特點，系列品種實際化學成分滿足表2的技術要求。

表2　化學成分 /%

備注：以上化學成分范圍僅供參考，實際生產(chǎn)按目標值控制。

3　試生產(chǎn)質量問題分析

3.1主要質量問題

特鋼廠設備調(diào)試初期，進行了高品質耐磨球用鋼5個牌號的試生產(chǎn)，產(chǎn)品整體質量較差，不能滿足高品質耐磨球的使用要求，存在的質量問題有：

1)鋼水潔凈度差，非金屬夾雜物較多，且級別較高，90%以上比例非金屬夾雜物不能滿足≤1.5級的需求，特別是存在大顆粒B類夾雜物。

2)殘余元素及有害氣體含量較高，只能滿足w(P)≤0.030%，w(N)≤100×10-6的需求。

3)連鑄鋼坯和軋材低倍質量差，存在較嚴重的中心疏松和縮孔，鑄坯中心偏析較重等，特別是B3，B6，B7，BU鑄坯低倍質量缺陷嚴重，中心疏松、縮孔級別較高，如表3所示。連鑄坯經(jīng)軋制后低倍質量雖有所改善，但仍存在較重的中心疏松和縮孔殘余等缺陷，鋼材致密性差，表4為典型鋼種B7試生產(chǎn)低倍檢驗數(shù)據(jù)，軋材中心疏松≤1.5級的比例僅為46.4%，鋼棒在軋球和熱處理過程中容易開裂，不能完全滿足后續(xù)鋼球加工的需求，BU和B6軋材檢驗發(fā)現(xiàn)低倍質量差，疏松和縮孔嚴重，無法進行軋球生產(chǎn)。

表3　試生產(chǎn)品種及連鑄坯低倍質量

表4　試生產(chǎn)軋材低倍檢驗數(shù)據(jù)(以典型鋼種B7為例)

4)熱軋圓棒表面質量較差，存在耳子、折疊、裂紋、劃傷等表面質量缺陷。

3.2質量分析

3.2.1非金屬夾雜物超標分析

1)轉爐出鋼碳過低，鋼水過氧化現(xiàn)象嚴重；出鋼溫度偏低，LF精煉透氣塞攪拌效果差，精煉前期脫氧產(chǎn)生的大顆粒夾雜物上浮困難，化渣困難，精煉成渣速度慢，影響夾雜物的去除，精煉升溫時間長，渣線磚受高溫輻射侵蝕嚴重，易污染鋼水；合金在精煉爐加入，影響精煉效果；爐后的脫氧操作、渣料調(diào)整不到位等問題，影響精煉效果。

2)精煉渣吸附夾雜物的能力差，不能完全去除已經(jīng)產(chǎn)生的B類夾雜物。

3)鋼水真空處理結束后，在軟吹、連鑄澆注過程中二次氧化嚴重。

4)在冶煉過程前期加鋁較少，真空處理結束后補鋁嚴重，達到補鋁線160 m左右，補鋁過程存在鋼水裸露、氧化現(xiàn)象，而且沒有充足時間保證夾雜物上浮。

5)鋼包及中間包耐火材料侵蝕嚴重，導致外來夾雜物產(chǎn)生。

6)原輔材料質量不穩(wěn)定和生產(chǎn)組織及節(jié)奏控制上不到位，對鋼水純凈度產(chǎn)生影響。

3.2.2殘余元素和氮氣控制

1)轉爐出鋼下渣、回磷現(xiàn)象偏重,回磷量≥0.005%。

2)氮在鋼水中的形成及增加主要在于轉爐終點控制、轉爐出鋼合金化過程中、精煉埋弧造渣、吹氬控制、連鑄的吸氮、原輔材料中含氮情況，在VD處理過程中氮含量會有所降低，以上因素綜合影響鋼材中氮含量的高低。在生產(chǎn)過程中以上環(huán)節(jié)如果控制不好都會影響鋼水中氮含量，尤其是連鑄大包水口與長水口之間保護不好時容易增氮，以及中間包水口與浸入式水口之間密封不好也容易增氮，連鑄做好保護澆鑄是氮氣控制的重點。

3.2.3連鑄鋼坯和軋材低倍分析

通過對生產(chǎn)線工裝能力、產(chǎn)品質量情況及結合耐磨球用鋼的品種特性進行調(diào)研分析，鑄坯低倍疏松、縮孔殘余、偏析是此類高碳鋼連鑄過程質量控制的重點，也是質量控制的難點。該特鋼廠耐磨球用鋼軋材低倍質量較差，主要是由于鑄坯存在較嚴重的中心疏松、偏析、縮孔導致，雖經(jīng)過熱軋后其心部質量有所改善，但因粗軋非大輥徑開坯、大壓下量軋制，心部的軋制力滲透不足，內(nèi)部質量改善有限。而導致連鑄坯低倍質量問題的因素主要有鋼水純凈度較差、連鑄過熱度較高，拉速較高，電磁攪拌參數(shù)不合理等。

3.2.3.1 鋼水過熱度的影響

澆注溫度是影響柱狀晶生長的重要因素。澆注溫度高，鑄坯柱狀晶發(fā)達；澆注溫度低，鑄坯等軸晶發(fā)達[2]。因此，在不造成水口凝結的情況下，盡可能采用低過熱度澆注。對于此類高碳鋼，應盡可能進行低過熱度澆鑄，中間包第一爐過熱度控制≤40 ℃，連澆爐控制在20～30 ℃范圍之內(nèi)。

3.2.3.2 拉速的影響

拉速也是影響柱狀晶生長的重要因素。原工藝的拉速偏大，鑄坯在結晶器內(nèi)停留時間短，鑄坯液芯延長，推遲了等軸晶的形核和長大，擴大了柱狀晶區(qū)，易產(chǎn)生中心疏松和中心縮孔。降低拉坯速度，利于減輕中心疏松和中心縮孔等缺陷，在中間包過熱度合適的范圍內(nèi)采用恒拉速澆注，根據(jù)斷面不同制定恒拉速澆鑄工藝。

3.2.3.3 連鑄工藝的影響

1)根據(jù)不同牌號鋼種具有不同的化學成分、材料特性，優(yōu)化結晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌工藝參數(shù)。如結晶器電磁攪拌電流過大，易產(chǎn)生卷渣和加重中心區(qū)域的偏析和疏松；末段電磁攪拌電流過小，不能起到良好的冶金效果，對柱狀晶不能有效打碎，不能增大等軸晶的面積，導致鑄坯疏松和縮孔殘余嚴重。

2)適當降低二冷水比水量。冷卻不均或冷卻過強會導致中心疏松和中心偏析加劇。

3)結合過熱度與拉速的變化，對輕壓下參數(shù)進行優(yōu)化、調(diào)整，推算液芯長度和最有效的輕壓下模式。

3.2.3.4 軋制工藝的影響

1)加熱制度的影響：鑒于高碳(高Si)鋼導熱性差，裂紋敏感性強、鑄坯低倍質量差等特點，同時，為保證磨球鋼的致密度，一般需大斷面規(guī)格坯料進行大壓縮比軋制，不同軋材規(guī)格，使用不同斷面規(guī)格的鑄坯，因此坯料加熱工藝控制是工藝控制的重點。冷坯進爐加熱，前期升溫速度不宜過快，否則鑄坯內(nèi)外溫度差越大，產(chǎn)生的內(nèi)應力超出鋼坯強度極限，易產(chǎn)生開裂和裂紋；鑄坯在高溫段加熱需進行適宜的加熱溫度、加熱時間、加熱速度控制，既要保證加熱質量，又要對脫碳層和內(nèi)部組織進行控制。保證鑄坯均勻透燒，其心部的嚴重偏析才可進行有效高溫擴散，鑄坯心部溫度較高時，利于軋制時軋制力向心部滲透，有效壓合疏松、縮孔等缺陷[3]。

2)軋制制度的影響：利用開坯的單道次大壓下量軋制和粗軋后中間軋件內(nèi)部溫度高于表面溫度兩種控制思路，使得軋制力向鑄坯心部滲透，進行控制軋制，有效地改善鑄坯心部質量，壓合疏松、縮孔質量缺陷，提高鋼材致密度。

3)鋼材的緩冷：鋼材進行緩冷的目的是消除殘余應力和防止白點質量缺陷的發(fā)生。同時，有效的緩冷措施也能進一步改善鋼材的一般疏松。

4　工藝的優(yōu)化、完善

通過對磨球鋼產(chǎn)品特性的分析，結合生產(chǎn)線現(xiàn)有工裝及初期產(chǎn)品質量情況，對生產(chǎn)工裝和操作方式進行了適當?shù)母倪M，對主要影響高品質耐磨球用鋼質量的工藝進行了優(yōu)化，如終點碳的要求、合金化加料順行、精煉渣的成分、脫氧方式、鋼水過熱度、拉速等連鑄工藝、軋制工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，并進行了連續(xù)四個月的批量生產(chǎn)，坯、材質量明顯提升，滿足高品質耐磨球用鋼質量需求。全系列高品質耐磨球用鋼關鍵崗位質量控制點工藝要求如表5所示。

5　批量生產(chǎn)質量情況

5.1鑄坯低倍質量

經(jīng)過連續(xù)4個月的批量生產(chǎn)，共開發(fā)10個牌號，累計產(chǎn)量近12萬t，軋材規(guī)格為Ф40～105 mm，鑄坯低倍質量明顯改進，表6和圖1為典型品種B7工藝優(yōu)化后低倍質量情況。

表5　全系列高品質耐磨球用鋼關鍵崗位質量控制點工藝要求

表6　B7鑄坯低倍質量逐月統(tǒng)計(工藝優(yōu)化后)

圖1　B7鑄坯中心疏松占比示意圖

5.2鋼材低倍質量

工藝優(yōu)化后，從鋼材取樣低倍抽檢情況來看，所有鋼種低倍質量情況較之前有明顯好轉，中心疏松、一般疏松得到有效控制，目前中心疏松、一般疏松整體級別≤1.0級，90%以上≤0.5級，酸浸低倍樣上無肉眼可見縮孔缺陷。以**年5，6月鋼材低倍質量為例，鋼材心部致密度高，低倍質量良好，鋼材經(jīng)磨球廠探傷、軋球、熱處理后，加工使用良好，滿足高品質磨球質量需求。磨球鋼軋材低倍統(tǒng)計情況如表7所示，磨球鋼軋材中心疏松、一般疏松級別占比如圖2，3所示。

表7　磨球鋼軋材低倍統(tǒng)計

圖2　磨球鋼軋材中心疏松級別占比示意圖

圖3　磨球鋼軋材一般心疏松級別占比示意圖

5.3其他質量方面

批量生產(chǎn)后，鋼中非金屬夾雜物得到有效控制，除個別爐次夾雜物超標外，整體指標控制在粗系≤1.5級，細系≤1.0級，達標率達到95%以上。氣體含量w(H)≤1.0×10-6，w(O)≤15×10-6，w(N)≤70×10-6。鋼材無過熱、過燒現(xiàn)象，片層珠光體組織分布均勻，奧氏體晶粒度細小，晶粒度在6.5～7.0級之間。軋鋼時結合殘氧檢測，確保煤氣充分燃燒，有效控制了全脫碳層深度，脫碳層深度≤0.8%D，高于國家標準要求。鋼材表面劃傷等缺陷得到了有效控制，但偶有少部分鋼材上存在耳子、裂紋等缺陷。

6　結束語

(1)利用轉爐-連軋生產(chǎn)線，采用310 mm×360 mm連鑄坯軋制≤Ф105 mm規(guī)格的磨球鋼棒材，壓縮比≥10，在連鑄工藝與熱軋工藝共同優(yōu)化、相互彌補的前提下，棒材內(nèi)部質量致密度高，低倍質量良好，產(chǎn)品質量可滿足高品質耐磨球用鋼的需求。

(2)對于高碳合金耐磨球用鋼，連鑄應遵從弱冷慢拉的工藝思路，才能有效保證鑄坯低倍質量。

(3)對于高碳合金耐磨球用鋼，軋制工藝應優(yōu)先考慮熱軋生產(chǎn)方式。冷裝入爐時，應采取先期緩慢升溫，后期快速升溫的加熱思路，高溫軋制、道次大壓下量軋制和軋制力心部滲透技術，是軋鋼工序有效改進鑄坯低倍質量的手段，在一定程度上能有效促進鑄坯中心疏松和縮孔殘余的壓合。

[1]于桂玲, 苗紅生，等.軸承鋼的脫氧工藝優(yōu)化[J]. 煉鋼，2001,17(1): 27—30.

[2]王忠英.軸承鋼大方坯連鑄工藝研究[D].北京：鋼鐵研究總院，2001.

[3]于天忱，范連明，張元韜，等.低表面溫度軋制大規(guī)格軸承鋼GCr15工藝實踐[J].中國冶金，2011，21(2): 34—37.

2016-04-16

呂紀永(1967—)，男，工程師。E-mail:yelangbalu@163.com

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