莫光有

(廣州市冶金工業(yè)研究所，廣東510440)

齒輪鋼18CrNiMo7-6具有強(qiáng)度高、韌性好和淬透性?xún)?yōu)異等非常理想的綜合性能，主要用于制造高速、重載火車(chē)的電力機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)上的齒輪、齒輪軸、輪轂及左右聯(lián)軸器等零部件。

18CrNiMo7-6生產(chǎn)制備過(guò)程中是通過(guò)添加微合金元素，形成難溶的碳化物、氮化物來(lái)釘扎奧氏體晶界，阻止晶界的推移，從而細(xì)化奧氏體晶粒。在生產(chǎn)中通常是在冶煉時(shí)控制鋼中的Al、N含量，生產(chǎn)細(xì)小彌散的AlN，針扎晶界達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。當(dāng)鋼中Al含量較高，但N含量較低時(shí)，則不能形成足夠的AlN使其均勻的分布于奧氏體晶界。AlN數(shù)量較少必然導(dǎo)致其分布較多的位置使釘扎晶界作用明顯，分布較少的位置則不能釘扎晶界阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，這也是產(chǎn)生混晶，即晶粒局部異常長(zhǎng)大的主要原因。因此采用AlN細(xì)化晶粒時(shí)應(yīng)該選用適當(dāng)?shù)腁l/N比，從而獲得晶粒度級(jí)別較高、晶粒細(xì)小均勻的微觀組織。

18CrNiMo7-6電渣錠質(zhì)量缺陷主要有表面螺紋、氣孔、疏松、補(bǔ)縮位縮孔較深、Al含量燒損嚴(yán)重等。為了避免因各類(lèi)質(zhì)量缺陷的出現(xiàn)導(dǎo)致錠的成材率不高甚至錠報(bào)廢的現(xiàn)象，在制定18CrNiMo7-6電渣重熔工藝方案時(shí)需要綜合考慮影響電渣錠質(zhì)量的各方面因素，針對(duì)各種影響因素確定相對(duì)應(yīng)的措施。

1 與電渣錠質(zhì)量有關(guān)的主要因素

1.1 渣系及渣量

1.1.1 渣系

合適的渣系對(duì)于電渣錠質(zhì)量及冶煉經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有很大影響。渣系與電渣錠表面質(zhì)量關(guān)系如下：

(1)熔渣應(yīng)有一定的電阻，以保證較高的渣溫。

(2)渣熔點(diǎn)最好較合金鋼熔點(diǎn)低100～150℃，以利于金屬熔池對(duì)原始渣皮具有一定的再加工能力，使重熔錠表面光滑。

(3)有適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)。渣系選擇有幾種，如：CaF2-NaF、CaF2-CaO、CaF2-Al2O3、CaF2-Al2O3-CaO等，在選擇渣系時(shí)，需考慮到渣系應(yīng)該有適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)，有較低的熔點(diǎn)和粘度。相關(guān)資料表明，一般常用的二元渣系為“三七渣”(即70%CaF2+30%Al2O3)，“三七渣”渣系具有較好的電導(dǎo)，適度的熔點(diǎn)和粘度，可以提高生產(chǎn)效率，降低電耗，改善電渣錠表面質(zhì)量。

1.1.2 渣量

(1)渣量的影響。渣量的多少對(duì)電渣過(guò)程的穩(wěn)定與否、熱能利用率的高低和產(chǎn)品質(zhì)量都有很大影響。渣量愈多，渣池深度愈深，渣池體積愈大，消耗于維持渣池處于熔化和過(guò)熱狀態(tài)的熱量就愈多，而維持金屬熔池處于熔化狀態(tài)的熱量相應(yīng)的減少，因而，使金屬熔池的深度變淺。過(guò)分增加渣池深度，會(huì)導(dǎo)致金屬熔池的體積過(guò)小和金屬熔池溫度降低，影響電渣精煉效果并造成電渣錠表面出現(xiàn)螺紋現(xiàn)象等。相反，渣量過(guò)少，則達(dá)不到電渣重熔的精煉效果。

(2)渣料組成。為了降低生產(chǎn)成本，部分企業(yè)往往會(huì)采用一定量的回爐渣，即電渣重熔完畢后，將渣頭破碎重新使用。使用一定比例的回爐渣，不會(huì)導(dǎo)致電渣錠內(nèi)部質(zhì)量出現(xiàn)較大變化，但要注意：只能選用渣頭四周的回爐渣，中間夾雜物較多的部分不宜使用；回爐渣比例不宜超過(guò)總渣量的30%；采用回爐渣后，因渣料組成的比例發(fā)生改變，會(huì)使渣料的熔點(diǎn)發(fā)生改變，渣液的流動(dòng)性和粘度也會(huì)發(fā)生改變，應(yīng)做相應(yīng)的工藝調(diào)整，以免出現(xiàn)表面夾渣或者導(dǎo)致熔速過(guò)快而出現(xiàn)缺陷。

(3)渣量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。電渣渣頭厚度要求：(1/3～1/2)D結(jié)，D結(jié)<25 cm時(shí)取上限值，D結(jié)>35 cm時(shí)取下限值。按實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，渣頭厚度與結(jié)晶器小頭直徑比約0.3即可，渣頭密度約2750 kg/m3。

1.2 電壓

1.2.1 冶煉電壓和爐口電壓

冶煉電壓是指電渣重熔時(shí)的工作電壓和線(xiàn)路電壓降之和。工作電壓(一般稱(chēng)爐口電壓)接近于渣層電壓，它比較確切的代表了冶煉過(guò)程中實(shí)際電壓的大小。而線(xiàn)路電壓降包括變壓器引出板、短網(wǎng)、導(dǎo)線(xiàn)、接點(diǎn)、卡頭及電渣爐爐口以上的自耗電極等部位的電壓降。

爐口電壓是電渣重熔過(guò)程中最重要的工藝參數(shù)之一，爐口電壓的大小，應(yīng)使自耗電極有合適的埋入深度，以保證高溫渣區(qū)能大體鋪滿(mǎn)金屬熔池表面，有利于鋼錠的軸向結(jié)晶，保證鋼錠表面質(zhì)量。當(dāng)爐口電壓過(guò)高時(shí)，自耗電極埋入渣池深度過(guò)淺，電渣過(guò)程會(huì)變得不穩(wěn)定。由于自耗電極漂浮在渣面上，電流大幅度波動(dòng)，渣面溫度過(guò)高，致使鋼錠中氣體和夾雜物增加，同時(shí)造成鋼錠的表面成型不良。反之，爐口電壓過(guò)低時(shí)，自耗電極埋入的渣池深度過(guò)大，金屬熔池深度過(guò)大，不利于鋼錠的軸向結(jié)晶，同時(shí)由于渣溫低，冶金反應(yīng)不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致非金屬夾雜物偏聚，數(shù)量增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面螺紋。

1.2.2 工作電壓影響

當(dāng)輸入功率和渣層厚度一定時(shí)，工作電壓過(guò)高，電流波動(dòng)大，電渣過(guò)程不穩(wěn)定，渣層溫度高，金屬熔池淺，熔化速度快。電壓過(guò)低時(shí)電流增大，渣層溫度低，金屬熔池加深，熔化速度減慢。冶煉電壓對(duì)渣層溫度的影響如圖1所示。從圖1可以看出，隨工作電壓升高，渣層溫度升高，導(dǎo)致重熔速度加快和冶煉電耗增加。

圖1 冶煉電壓對(duì)渣層溫度的影響Figure 1 Effect of smelting voltage on slag layer temperature

1.2.3 爐口電壓計(jì)算經(jīng)驗(yàn)

在渣系、鋼種一定的情況下，工作電壓取決于錠型的大小，可按經(jīng)驗(yàn)公式確定：

U=0.5D+B

式中，U為工作電壓，單位為V；D為結(jié)晶器平均直徑，單位cm；B為常數(shù)，其值波動(dòng)在32～42 V之間。

1.3 冶煉電流

1.3.1 冶煉電流

冶煉電流是電渣過(guò)程的重要參數(shù)之一。電渣重熔過(guò)程中，隨電流增加，自耗電極埋入渣池深度增加，極間距減小，金屬熔池深度增加。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，由于金屬熔池過(guò)深，不利于鋼錠軸向結(jié)晶；反之，如電流過(guò)小，由于自耗電極插入過(guò)淺，不能保證電渣過(guò)程的穩(wěn)定，將惡化鋼錠的表面質(zhì)量，形成螺紋鋼錠。

1.3.2 冶煉電流計(jì)算

冶煉電流I主要按自耗電極斷面積和電流密度來(lái)確定，即：

I=Fi

式中，F(xiàn)為自耗電極的橫斷面積，單位為mm2；i為電流密度，單位為A/mm2，可參考經(jīng)驗(yàn)公式i=56/d-0.05進(jìn)行選擇，其中d為自耗電極直徑。

在實(shí)際生產(chǎn)中，我所采用的電流經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

I=(15～22)D結(jié)

式中，I為冶煉電流，單位為A；D結(jié)為是指結(jié)晶器直徑，單位為mm。

1.4 熔速控制

增加熔速能夠大幅度降低電耗，而且實(shí)際生產(chǎn)中也往往采用這種方法作為節(jié)能省耗的主要措施。但是，熔速的增加不是無(wú)止境的，它受到眾多外部因素的限制，只有合理的增加熔速，使其不超過(guò)某一熔速上限時(shí)才能達(dá)到既節(jié)電又能確保鋼錠質(zhì)量的效果。隨著熔化速度的增加，輸入渣池的功率增加，導(dǎo)致熔池深度增加，結(jié)晶角迅速減小，其最終結(jié)果是使鋼錠徑向結(jié)晶的趨勢(shì)增加，嚴(yán)重破壞電渣重熔鋼錠趨于軸向結(jié)晶的有利條件。同時(shí)，由于熔池變深，凝固時(shí)間增加，偏析、夾雜等凝固缺陷發(fā)生的可能性增加，鋼錠的表面質(zhì)量也會(huì)變壞。

熔化速度是電渣重熔工藝的重要參數(shù)，為了最大限度地降低電耗，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低耗的目標(biāo)，合理的熔化速度應(yīng)該滿(mǎn)足如下的特征：

(1)鋼錠熔池形狀合適，錠中心熔池深度約等于錠直徑的1/2，熔池前沿形狀應(yīng)該是拋物線(xiàn)形。

(2)金屬熔池上部應(yīng)該出現(xiàn)圓柱段，且圓柱段高度不小于10 mm。

(3)鋼錠中無(wú)縮孔、疏松、偏析等凝固缺陷，鋼錠表面光潔。

根據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，熔速選取可參考公式：

V=(0.65～0.8)D結(jié)

式中，V為熔化速度，單位為kg/h；D結(jié)是指結(jié)晶器直徑，單位為mm。

1.5 水溫影響

電渣重熔過(guò)程，循環(huán)水水溫不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致熔池溫度不穩(wěn)定，熔池溫度不穩(wěn)定則易導(dǎo)致鋼液結(jié)晶后出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。

1.6 母電極質(zhì)量

母電極本身帶有的夾雜物多少，將影響電渣重熔過(guò)程的除雜效果。18CrNiMo7-6母電極采用的是連鑄方坯，為減少因連鑄方坯表面氧化而導(dǎo)致電渣重熔過(guò)程帶入過(guò)多的氧化物和易氧化元素的燒損，方坯電極需經(jīng)過(guò)表面打磨處理。

1.7 電渣重熔脫氧制度對(duì)電極中Al含量的影響

電渣錠中最終非金屬夾雜物含量與電渣重熔脫氧制度有關(guān)，不采用脫氧制度的電渣重熔提純效果最差，采用復(fù)合脫氧劑的電渣重熔提純效果好，因?yàn)椴捎脧?fù)合脫氧劑的脫氧生成物是顆粒較大的硅鈣酸鹽或鋁硅酸鹽夾雜，而大顆粒夾雜物在自耗電極分層熔化過(guò)程中容易暴露出來(lái)被高溫熔渣所吸收。此外，脫氧劑的使用，保護(hù)了鋼種易氧化元素的燒損，對(duì)于Al有一定含量要求的鋼種具有重要意義。

電渣重熔過(guò)程的脫氧可采用Si-Ca、Si-Fe或Si-Mn-Ca等復(fù)合脫氧劑，也可以采用工業(yè)鋁粉。在電渣重熔過(guò)程中分批次均勻撒在渣面上。

1.8 電渣錠補(bǔ)縮工藝

電渣重熔冶煉結(jié)束后，進(jìn)入補(bǔ)縮階段，補(bǔ)縮工藝的好壞，影響著電渣錠小頭補(bǔ)縮端的豐滿(mǎn)程度，好的補(bǔ)縮工藝能夠提高電渣錠的成品率。補(bǔ)縮好壞的標(biāo)準(zhǔn)是補(bǔ)縮端形成臺(tái)階、豐滿(mǎn)，縮孔越小越淺越好。完整的補(bǔ)縮工藝包括兩個(gè)階段，第一階段是補(bǔ)縮填充階段，第二階段是形成豐滿(mǎn)臺(tái)階的保溫階段。

1.9 出錠后緩冷方式

出錠后，為防止紅錠急冷或者受潮開(kāi)裂，電渣錠應(yīng)該進(jìn)行緩冷，48 h后方可裝爐退火。

2 電渣重熔工藝方案確定

2.1 渣系

采用“三七渣”(即70%CaF2+30%Al2O3)，?700 mm規(guī)格錠各渣量配比為：瑩石粉為126 kg，Al2O3為54 kg。

2.2 渣料烘烤

為杜絕從渣料中帶入水汽，從而導(dǎo)致出現(xiàn)電渣錠頭部氣孔缺陷，要求所有渣料必須經(jīng)過(guò)高溫烘烤，渣料烘烤工藝為：650℃×8 h，100℃保溫放置。

2.3 熔速控制

18CrNiMo7-6電極熔速參考：460～530 kg/h。

2.4 電參數(shù)

?700 mm規(guī)格錠電參數(shù)：電壓為70～74 V，電流為15～10.5 kA。

2.5 措施

為減少18CrNiMo7-6鋼中Al含量的燒損，采取措施如下：

(1)結(jié)晶器內(nèi)化渣完畢前3 min，將2 kg鋁粒加入液渣中，并完成化渣；

(2)在電渣重熔過(guò)程中，前40 min內(nèi)不需要加鋁粒，從40 min后，每隔15 min，向電渣爐內(nèi)渣面均勻加入125 g鋁粒；

(3)進(jìn)入補(bǔ)縮階段，分3次均勻加入65 g鋁粒(進(jìn)入補(bǔ)縮后第5 min、10 min、30 min各加1次)；

(4)合計(jì)加入鋁粒量約8 kg。

2.6 補(bǔ)縮工藝

操作要點(diǎn)：在自動(dòng)控制的補(bǔ)縮填充階段結(jié)束后，進(jìn)入手動(dòng)操作的保溫階段，也就是在填充階段電流逐漸降為0后，停電一段時(shí)間，再手動(dòng)送電增加電流3～4 kA，然后再使電流逐漸降為0，反復(fù)操作，保溫階段的時(shí)間控制在15 min左右。

表1 18CrNiMo7-6錠檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Inspection results statistics of 18CrNiMo7-6 ingot

表2 電極原始成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Initial compositions of electrode (mass fraction, %)

表3 電渣錠頭尾取樣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Sampling compositions at top and bottom of electroslag ingot (mass fraction, %)

圖2 補(bǔ)縮良好的錠Figure 2 Ingot of shrinkage in good condition

3 方案實(shí)施效果分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果及分析

檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，電渣錠的檢測(cè)收得率基本在90%～94%范圍內(nèi)，但存在兩個(gè)值得進(jìn)一步改善的問(wèn)題：

第一，頭部區(qū)域(即起弧端)不合格長(zhǎng)度變動(dòng)較大，范圍在50～110 mm之間，從檢測(cè)情況和頭部區(qū)域表面光滑情況看，這部分不合格區(qū)域的缺陷屬于輕度疏松缺陷，而造成這一缺陷的原因在于化渣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，液渣溫度過(guò)高，導(dǎo)致電渣重熔時(shí)頭部熔速過(guò)快而出現(xiàn)此類(lèi)缺陷，為此需要控制化渣時(shí)間，在現(xiàn)有化渣工藝基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低3～5 min。

第二，尾部區(qū)域(即補(bǔ)縮端)不合格長(zhǎng)度也比較大，范圍在80～120 mm之間，這部分不合格區(qū)域的缺陷亦屬于輕度疏松缺陷，而造成這一缺陷的原因在于電渣重熔過(guò)程越接近尾聲，結(jié)晶器直徑越小，維持同等熔速所需要的能量也越小，而電流下降幅度不足，則會(huì)導(dǎo)致熔速相對(duì)變快，從而出現(xiàn)此類(lèi)缺陷。為此，在電渣重熔接近尾聲時(shí)，電流需要進(jìn)一步下降，讓尾部熔速保持在相對(duì)較低的范圍。

3.2 成分分析

為分析18CrNiMo7-6中Al含量燒損情況，以編號(hào)18Cr804277的錠為目標(biāo)進(jìn)行取樣分析。

電極原始成分見(jiàn)表2。

電渣錠頭尾取樣成分見(jiàn)表3。

Al含量燒損分析。從電渣錠頭尾部取樣結(jié)果看，頭部區(qū)域Al含量基本保持穩(wěn)定，但尾部區(qū)域Al含量燒損近50%。整體而言，Al含量控制在客戶(hù)要求的0.01%～0.03%范圍，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖3 補(bǔ)縮端面不良的錠Figure Ingot of shrinkage in bad condition

3.3 補(bǔ)縮效果分析

補(bǔ)縮效果良好的錠見(jiàn)圖2。

補(bǔ)縮不良的錠見(jiàn)圖3。

嚴(yán)格按照補(bǔ)縮工藝要求進(jìn)行操作，會(huì)得到比較理想的補(bǔ)縮效果，即補(bǔ)縮端面凸出，中心縮孔較淺，外表美觀。但操作不當(dāng)，則會(huì)得不到良好效果，一方面補(bǔ)縮部位容易形成螺紋，補(bǔ)縮端面出現(xiàn)密密麻麻的凝固的液滴狀，另一方面則會(huì)在補(bǔ)縮端面形成較深的縮孔。

4 結(jié)論

(1)18CrNiMo7-6鋼在電渣重熔過(guò)程中，如果不采取任何措施直接電渣重熔的話(huà)，鋼中的Al含量將燒損高達(dá)90%以上。故需要采取必要措施，降低Al元素的燒損，這樣才能保證適當(dāng)?shù)腁l/N比，從而獲得晶粒度級(jí)別較高、晶粒細(xì)小均勻的微觀組織。

(2)在制訂電渣重熔工藝的過(guò)程中，需要認(rèn)真分析可能影響電渣錠質(zhì)量的各個(gè)主要因素，并制訂相應(yīng)對(duì)策，才能夠避免出現(xiàn)較嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為進(jìn)一步提升18CrNiMo7-6鋼錠的收得率，需要在化渣階段控制好渣溫，以保證頭部質(zhì)量。在熔煉末期，需要進(jìn)一步降低熔速來(lái)保證尾部質(zhì)量。在補(bǔ)縮階段嚴(yán)格執(zhí)行補(bǔ)縮操作，減少縮孔，這樣才能夠進(jìn)一步提升18CrNiMo7-6錠的收得率，從而降低生產(chǎn)成本。