吳國榮

(攀鋼集團(tuán)研究院有限公司釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000)

馬氏體氣閥鋼屬于不銹鋼中的高級鋼種，主要運(yùn)用于汽車、戰(zhàn)車、艦艇等內(nèi)燃機(jī)的氣閥。氣閥鋼在服役過程中面臨著工作溫度高、承受應(yīng)力大、燃?xì)飧g嚴(yán)重、氣閥錐面磨損嚴(yán)重等惡劣工況，因此要求其具有高潔凈度、高表面質(zhì)量、高內(nèi)部質(zhì)量[1-2]。

長鋼氣閥鋼連鑄生產(chǎn)初期，表面質(zhì)量差，漏鋼率達(dá)到20%左右，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)組織，降低了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益；另外，氣閥鋼鑄坯中心存在明顯的疏松、縮孔區(qū)域，偏析嚴(yán)重，對最終產(chǎn)品的使用性能帶來不良影響。因此，本文針對馬氏體氣閥鋼連鑄存在的問題，基于凝固特性分析，設(shè)計(jì)了合理的連鑄工藝參數(shù)，有效提高了鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量。

1 鋼種特性分析

馬氏體氣閥鋼的成分特點(diǎn)為：高碳(0.35%～0.5%)、高硅(1.2%～4.0%)、鉻含量不高(8%～10%)，見表1。計(jì)算表明，馬氏體氣閥鋼鋼液凝固首先析出δ相，然后發(fā)生L+δ→γ包晶反應(yīng)，常溫下為馬氏體組織。馬氏體氣閥鋼凝固過程包晶反應(yīng)造成坯殼收縮嚴(yán)重，極易造成漏鋼，這是馬氏體氣閥鋼連鑄過程中的重要限制性環(huán)節(jié)。

此外，馬氏體氣閥鋼連鑄凝固相變引起導(dǎo)熱系數(shù)劇烈變化，鑄坯裂紋敏感性增加。Cr元素則會顯著降低鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，鋼液凝固緩慢。同時(shí)，檢測表明馬氏體氣閥鋼抗拉強(qiáng)度低(1300 ℃時(shí)0.0540 MPa)，熱膨脹系數(shù)大(14.4×10-6)時(shí)，連鑄坯容易產(chǎn)生裂紋[3]。

表1 典型氣閥鋼成分/%

圖1 典型馬氏體氣閥鋼凝固過程相組成變化Fig.1 Phase composition changes of typical martensitic valve steel during solidification

圖2 典型馬氏體氣閥鋼導(dǎo)熱系數(shù)Fig.2 thermal conductivity of typical martensitic valve steel

基于該鋼種的凝固特性，對鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量提出以下工藝控制思路。

2 氣閥鋼表面質(zhì)量控制技術(shù)

由于馬氏體氣閥鋼凝固包晶反應(yīng)導(dǎo)致凝固收縮嚴(yán)重，坯殼生長不均勻，鑄坯表面質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)容易發(fā)生漏鋼事故[4]，因此采用合理的冷卻制度以及良好的保護(hù)渣潤滑進(jìn)行控制。

2.1 冷卻制度設(shè)計(jì)

針對氣閥鋼方坯對冷卻均勻性要求高，在設(shè)計(jì)結(jié)晶器冷卻制度時(shí)既需要保證出結(jié)晶器一定的坯殼厚度，又要盡可能地使結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻生長。結(jié)晶器熱流分布見表2，可見結(jié)晶器熱流較小，有利于實(shí)現(xiàn)鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)冷卻均勻，減少因冷卻偏強(qiáng)產(chǎn)生的鑄坯表面缺陷，提高鑄坯表面質(zhì)量。

表2 方坯連鑄結(jié)晶器冷卻水

解剖了結(jié)晶器漏鋼坯殼，見圖3。沿結(jié)晶器高度方向坯殼分布較均勻，結(jié)晶器出口厚度14～15 mm，滿足鑄坯凝固的要求。因此，所設(shè)計(jì)的結(jié)晶器冷卻制度能夠促進(jìn)結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼厚度均勻且穩(wěn)定的生長，有利于減少因坯殼厚薄不均在坯殼薄弱處產(chǎn)生的鑄坯表面缺陷，提高鑄坯表面質(zhì)量。

二冷目標(biāo)溫度曲線制定原則是鑄坯表面溫度均勻且波動較小；連鑄過程中矯直應(yīng)變力較大的區(qū)域，應(yīng)避開鋼種的高溫脆性區(qū)。根據(jù)馬氏體氣閥鋼高溫脆性區(qū)來看，過矯直溫度需≥950 ℃。由此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的水表。

圖3 沿結(jié)晶器長度方向的凝固坯殼厚度分布Fig.3 thickness distribution of solidified shell along the length of mold

表3 二冷目標(biāo)溫度曲線

如圖4為40Cr10Si2Mo鋼方坯表面和中心溫度隨離結(jié)晶器彎月面距離的變化，可以看出鋼液在結(jié)晶器一次冷卻的作用下，方坯表面溫度迅速下降，結(jié)晶器出口方坯表面溫度大約為1161 ℃，溫度相對較高，這是由于結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度低，熱通量為0.8085 MW。隨后在二次冷卻的作用下，方坯內(nèi)部熱量向鑄坯表面?zhèn)鬟f，在方坯表面主要通過加熱二冷水散失熱量，方坯表面溫度逐漸降低。方坯在出二冷三區(qū)處表面溫度大約為962.6 ℃。從過矯直的鑄坯表面溫度來看，目前拉速情況下，過矯直溫度均控制在950 ℃以上，處于鋼種高溫塑性區(qū)，有利于保證鑄坯皮下質(zhì)量。

2.2 保護(hù)渣設(shè)計(jì)

氣閥鋼是強(qiáng)收縮的鋼種，鑄坯容易產(chǎn)生縱向凹陷和表面裂紋，必須保證氣閥鋼鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)良好的潤滑。為保證結(jié)晶器弱冷和均勻冷卻，固態(tài)渣膜控制在1.5 mm左右，微觀結(jié)構(gòu)為結(jié)晶相+玻璃相[5]，設(shè)計(jì)了如下保護(hù)渣成分。

圖4 方坯表面和中心溫度隨離結(jié)晶器彎月面距離的變化Fig.4 changes of the temperature of billet with the distance from the meniscus of the mold

表4 保護(hù)渣主要成分

為保證氣閥鋼在結(jié)晶器內(nèi)的潤滑，保護(hù)渣的粘度僅有0.249 Pa/s，熔點(diǎn)也僅為1143 ℃，有利于保證良好的潤滑，防止粘結(jié)；保護(hù)渣的粘溫曲線轉(zhuǎn)折溫度達(dá)到較高的1187 ℃，在彎月面處能夠形成較多的結(jié)晶相，這有利于減輕彎月面處的傳熱，提高坯殼傳熱穩(wěn)定性。

表5為典型拉速下保護(hù)渣液渣層厚度及消耗量，保護(hù)渣的液渣層厚度穩(wěn)定在8～11 mm，為防止結(jié)晶器卷渣提供了保證；且保護(hù)渣消耗量為0.45～0.55 kg/t，消耗量適中，將有助于保證坯殼與結(jié)晶器壁之間的潤滑需要，確保鑄坯表面質(zhì)量，防止漏鋼。

表5 典型拉速保護(hù)渣液渣層厚度及消耗量情況

3 氣閥鋼內(nèi)部質(zhì)量控制技術(shù)

3.1 過熱度設(shè)計(jì)

從氣閥鋼組織仿真結(jié)果看出，過熱度增加，柱狀晶發(fā)達(dá)，CET轉(zhuǎn)變向鑄坯中心移動，等軸晶率降低。同時(shí)，為考察不同過熱度對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量尤其是縮孔缺陷的影響，開展了不同中包溫度的現(xiàn)場對比試驗(yàn)，圖6為不同過熱度范圍內(nèi)鑄坯縱向低倍連續(xù)縮孔出現(xiàn)的比例。

圖5 不同過熱度對連鑄坯凝固組織的影響Fig.5 influence of different superheat on solidification structure of continuous casting billet

圖6 不同過熱度范圍內(nèi)縱向連續(xù)縮孔出現(xiàn)的比例Fig.6 ratio of longitudinal continuous shrinkage cavity in different superheat

中包過熱度在40 ℃以上時(shí)，縱向連續(xù)縮孔比例大幅度增加達(dá)到16.31%，但中包過熱度在20-30 ℃和30-40 ℃時(shí)規(guī)律不明顯。明顯看出低過熱度6#試樣的鑄坯中心質(zhì)量優(yōu)于高過熱度2#試樣的鑄坯中心質(zhì)量。

圖7 2#試樣(45℃過熱度)和6#試樣(23℃過熱度)縱向低倍比較Fig.7 longitudinal of sample 2 (superheat at 45℃) and sample 6 (superheat at 23℃)

3.2 電磁攪拌參數(shù)設(shè)計(jì)

仿真了氣閥鋼結(jié)晶器電磁攪拌的效果，見圖8。采用結(jié)晶器電磁攪拌后，鋼液沖擊深度降低，降低漏鋼風(fēng)險(xiǎn)。在電磁攪拌作用下，促使鋼液水平方向上旋轉(zhuǎn)流動，加速凝固前沿鋼液流動，有利于結(jié)晶器內(nèi)鋼液過熱度散失。

圖8 采用電磁攪拌后結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動行為Fig.8 flow behavior of molten steel in mold after electromagnetic stirring

從圖9看出，隨電流增加，結(jié)晶器內(nèi)鋼液過熱度消除越快，超過200 A后趨勢減緩。因此，建議電磁攪拌電流為200 A。

此外，仿真表明采用末端電磁攪拌后，鑄坯液芯內(nèi)產(chǎn)生水平旋流，有利于均勻化液芯內(nèi)溶質(zhì)分布，改善鑄坯中心偏析。并且隨電流增加，鑄坯中心偏析先減小后增加，電流強(qiáng)度500 A時(shí)，鑄坯中心偏析最小，建議末端電磁攪拌采用500 A。

采用末端電磁攪拌后，促進(jìn)了鑄坯液芯內(nèi)部等軸晶形核，阻礙了柱狀晶繼續(xù)向鑄坯中心生長，等軸晶率得到提高。末端電磁攪拌電流500 A條件下，隨著攪拌頻率的增加，鑄坯等軸晶率增加。

圖9 不同電磁攪拌作用下的結(jié)晶器內(nèi)鋼液溫度分布Fig.9 temperature distribution of molten steel in mold under different electromagnetic stirring

圖10 末端電磁攪拌作用下鑄坯中心偏析Fig.10 center segregation of billet under electromagnetic stirring

圖11 末端電磁攪拌頻率對鑄坯等軸晶率的影響(實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig.11 influence of electromagnetic stirring frequency on equiaxial crystal ratio of billet

4 應(yīng)用效果

針對馬氏體氣閥鋼包晶相變、導(dǎo)熱系數(shù)低、凝固收縮嚴(yán)重、凝固兩相區(qū)長、溶質(zhì)偏析嚴(yán)重等特點(diǎn)，系統(tǒng)制定了國內(nèi)首次連鑄生產(chǎn)馬氏體氣閥鋼的制度。主要工藝包括：中間包低過熱度澆鑄，25～35 ℃為宜；結(jié)晶器弱冷，低熔點(diǎn)低粘度保護(hù)渣，結(jié)晶器電磁攪拌200 A，4 Hz；連鑄二冷弱冷；末端電磁攪拌500 A，10 Hz。

應(yīng)用表明，氣閥鋼鑄坯質(zhì)量良好，未出現(xiàn)凹坑、表面縱裂紋、渣坑缺陷，鑄坯振痕均勻，漏鋼率低至1.38%，鑄坯表面合格率達(dá)到99.50%以上；另外，氣閥鋼(含40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2、51Cr8Si2)，中心疏松≤0.5級，中心縮孔≤0.5級，等軸晶率平均(徑向)達(dá)到64.09%。

圖12 典型鑄坯表面質(zhì)量情況Fig.12 surface quality of typical casting billet

5 結(jié)語

(1)基于馬氏體氣閥鋼凝固特性，系統(tǒng)制定了連鑄工藝制度，在國內(nèi)首次采用連鑄流程規(guī)?；a(chǎn)馬氏體氣閥鋼。

(2)氣閥鋼鑄坯質(zhì)量良好，未出現(xiàn)凹坑、表面縱裂紋、渣坑缺陷，鑄坯振痕均勻，漏鋼率低至1.38%，鑄坯表面合格率達(dá)到99.50%以上。

(3)氣閥鋼(含40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2、51Cr8Si2)，中心疏松≤0.5級，中心縮孔≤0.5級，等軸晶率平均(徑向)達(dá)到64.09%。