謝云飛 葉成立 郭 建 楊先芝 王鵬剛 羅世樹

(1. 二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013；2. 中廣核工程有限公司，廣東518124)

1 問題描述

近期，我廠生產(chǎn)了兩爐環(huán)形鍛件產(chǎn)品，均采用了58 t錠型，一錠出3件鍛件產(chǎn)品。其中爐次A生產(chǎn)的3支環(huán)形鍛件質(zhì)量狀況良好，超聲檢測均未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm的缺陷，而爐次B生產(chǎn)的環(huán)形鍛件因存在較嚴(yán)重的缺陷而報(bào)廢(見圖1)。兩爐環(huán)形鍛件在生產(chǎn)時采用相同的工藝、設(shè)備及操作人員，但產(chǎn)生了不同的質(zhì)量結(jié)果(見表1)。為了找出產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，我們針對缺陷產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)分析，對兩爐環(huán)形鍛件產(chǎn)品的冶煉澆注生產(chǎn)過程進(jìn)行了詳細(xì)對比。

2 缺陷分析

由于爐號B的冒口件產(chǎn)品部分缺陷已經(jīng)在加工過程中暴露出來，通過肉眼觀察，可以看出缺陷分布面積較大，顏色為白色，大小約為1～4 mm，缺陷形狀規(guī)律性不強(qiáng)，屬于冶煉或澆注過程產(chǎn)生的非金屬外來夾雜物。

2.1 夾雜物來源分析

為了弄清該件環(huán)形鍛件夾雜物的來源，我們在該工件暴露的缺陷部位套取了3個小試片(見圖2)，并對試片進(jìn)行了掃描電鏡和能譜分析。能譜分析時在每塊試片上隨機(jī)選取一處夾雜物，再對所選取的夾雜物進(jìn)行小區(qū)域的面掃描，最終發(fā)現(xiàn)3件試片上的夾雜物均含有Ca、Si、Al、Mg、Fe、O、F和C元素。圖3是夾雜物掃描電鏡和能譜分析結(jié)果。

根據(jù)日本鑄鍛鋼公司T.Haraduchi[1]等人的研究可知，真空滴流脫氣澆注的大型鋼錠中外來夾雜物主要來源為中間包浮渣。

圖1 爐號B冒口件肉眼可見缺陷Figure 1 Visual defects of heat B at riser end

爐次工件超聲情況工件在鋼錠中位置A123未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm當(dāng)量的缺陷未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm當(dāng)量的缺陷未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm當(dāng)量的缺陷冒口件中間件水口件B456工件表面有大量肉眼可見缺陷,局部?2 mm當(dāng)量的密集缺陷局部?2 mm當(dāng)量的密集缺陷局部?2 mm當(dāng)量的密集缺陷冒口件中間件水口件

圖2 缺陷部位試片F(xiàn)igure 2 Defect site test piece

圖3 夾雜物掃描電鏡及能譜分析結(jié)果Figure 3 Scanning electron microscope and energy spectrum analysis results of inclusions

爐渣種類CaOSiO2Al2O3MgOCaF2FeO+MnO鋼包爐精煉爐渣中間包浮渣夾雜物1夾雜物2夾雜物345～6020～4033.939.919.910～2510～2014.915.414.85～1515～3019.119.623.25～102～103.436.46～125～1512.714.923.3≤15～2014.22.71.6

因此，為了更好的說明本環(huán)形鍛件中夾雜物來源，我們將能譜掃描結(jié)果中的Ca、Si、Al、Mg、Fe、O、F和C元素原子比，按全部結(jié)合成同類氧化物分子，換算成較常見的熔渣成分后，與鋼包爐精煉爐渣以及中間包浮渣成分進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2。鋼包精煉爐的主要造渣材料為石灰，因此表2中鋼包精煉爐渣中CaO含量較高，一般高達(dá)50%左右；再加上鋼包爐長時間的脫氧和白渣精煉后，爐渣中O含量(FeO+MnO)極低，一般小于1%。該爐鋼的脫氧和渣中O含量從后期該工件本體上取樣可以證明，O含量均小于7×10-6。綜上所述，可以得出，該工件上暴露出的夾雜物成分與中間包浮渣成分更相近。

2.2 爐次B中間包浮渣卷入鋼錠內(nèi)部機(jī)理分析

中間包浮渣主要由鋼水對中間包耐火材料的燒蝕、澆注操作中空氣引起的氧化和鋼包爐兌中間包時流入的爐渣三部分組成。中間包浮渣在澆注過程中會浮在鋼液面上，隨著澆注過程的進(jìn)行，會逐漸增多。但在澆注末期，中間包中鋼水總量減少，鋼液面低于臨界高度后，會在澆注水口附近產(chǎn)生匯流漩渦[2]，最終鋼渣混入鋼錠模。匯流漩渦是由于中間包在澆注末期液面直降至臨界高度時產(chǎn)生的，澆注末期是否發(fā)生卷渣現(xiàn)象，與中間包剩余鋼水量的臨界高度值相關(guān)，若中間包剩余鋼水量高度高于臨界高度則不會發(fā)生卷渣現(xiàn)象，反之，則會發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

在中間包浮渣進(jìn)入鋼錠模之后，形成錠模浮渣的主要來源。在真空澆注過程中，鋼錠模內(nèi)的鋼液面由于C+O→CO而沸騰，強(qiáng)烈地沸騰引起部分錠模浮渣混入鋼水，在鋼錠凝固過程中未完全上浮至冒口而被留在鋼錠中。

對于發(fā)生中間包卷渣的臨界高度，金楊等人[2]前期進(jìn)行過模擬研究。研究結(jié)果建議在當(dāng)前的工藝模式下，應(yīng)至少預(yù)留80 mm高度的中間包鋼水以防止中間包浮渣卷入鋼錠模。因此，加上工藝保險(xiǎn)系數(shù)，按我廠長期的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，中間包單包澆注時，中間包內(nèi)富余鋼水量達(dá)到2.5 t以上可有效避免澆注末期的水口卷渣現(xiàn)象。

2.3 冶煉澆注過程分析

由于鋼水在1580℃左右的高溫中澆注入中間包，加之大鋼包兌完鋼水后會加入稻殼為中間包鋼水保溫，同時出于對操作者人身安全考慮，人無法從中間包上口來觀察鋼液面高度?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)通行的控制中間包余水的方法是：中間包內(nèi)余水量等于精煉包內(nèi)總鋼水量減去鋼錠實(shí)際重量。本次生產(chǎn)環(huán)形鍛件用鋼錠錠型為58 t，實(shí)際生產(chǎn)時兩爐環(huán)形鍛件粗水均為60 t，加上合金1.4 t，總鋼水量均為61.4 t。鋼錠實(shí)際重量的控制主要采用人工肉眼觀察來確定：在澆注末期由班長從圖4中的窺視孔觀察保溫帽內(nèi)鋼液高度，達(dá)到工藝要求時停止?jié)沧ⅲ僮髡邔τ跐沧⒔K點(diǎn)高度的觀察存在一定的人為誤差。通過檢查澆注記錄，發(fā)現(xiàn)兩支鋼錠的實(shí)際澆注高度不一致，爐次B鋼錠冒口實(shí)高1050 mm，爐次A冒口實(shí)高為1000 mm。因此，兩爐鋼錠的實(shí)際重量也不一樣，導(dǎo)致爐次B中間包內(nèi)余水偏少(具體鋼水量情況見表3)，實(shí)際預(yù)留鋼水高度低于臨界值，發(fā)生了中間包卷渣現(xiàn)象，而爐次A實(shí)際預(yù)留鋼水高度高于臨界值，未發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

1—受鋼鋼水包 2—中間包 3—窺視孔 4—真空蓋5—導(dǎo)流管 6—真空室 7—鋼錠模 8—密封橡皮圈圖4 真空澆注示意圖Figure 4 Vacuum casting schematic

爐次總鋼水量t冒口實(shí)高mm錠模內(nèi)鋼水量t中間包內(nèi)剩余鋼水t中間包余水高度mmAB61.461.41000105058.959.52.51.99471

綜上所述，因控制澆注終點(diǎn)冒口高度的人為操作誤差，未能在中間包內(nèi)留夠足量鋼水，使中間包的浮渣進(jìn)入鋼錠模是造成該環(huán)形鍛件出現(xiàn)大量夾雜物缺陷的原因。

3 結(jié)論

針對中間包浮渣進(jìn)入鋼錠模內(nèi)而引起超聲檢測不合格的問題，我們準(zhǔn)備調(diào)大保險(xiǎn)系數(shù)，在計(jì)算環(huán)形鍛件真空鋼錠配料時，調(diào)整總鋼水量，避免在澆注末期因人為觀察判斷誤差導(dǎo)致中間包內(nèi)剩余鋼水偏少，浮渣卷入錠模的事故發(fā)生。