梁賢淑 晉帥勇 張艷召 張 衡 李 巖

(1．河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000；2．中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471000)

18MND5型低碳合金鋼作為筒體、封頭、管板等常用材質(zhì)[1]，以其優(yōu)良的力學(xué)性能，被業(yè)內(nèi)廣泛采用。該材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)一般均要求Al≤0.40%，氮元素含量?jī)H提供數(shù)據(jù)做參考。但在熱處理過(guò)程當(dāng)中，以彌散狀態(tài)分布的氮化鋁可以有效阻礙晶界遷移，抑制晶粒長(zhǎng)大。因此在18MND5類標(biāo)準(zhǔn)成分要求范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)腁l元素含量與恰到好處的N/Al比值能顯著提高鋼的晶粒度級(jí)別，有效降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高鋼的低溫沖擊性能。資料顯示，N/Al值為0.54～0.81時(shí)，平均晶粒尺寸明顯減小，鐵素體條束細(xì)小，碳化物彌散而均勻，在外力作用下，一旦產(chǎn)生微裂紋，其裂紋擴(kuò)展受到阻礙，故可使韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，顯著提高鋼的低溫韌性，獲得良好的低溫沖擊性能[2]。

公司生產(chǎn)該材質(zhì)產(chǎn)品時(shí)，為了提高低溫沖擊性能，一般會(huì)提出Al元素含量0.010%～0.040%，N/Al比值為0.40～0.80的內(nèi)控要求。而Al因其強(qiáng)大的還原性，決定了Al作為合金元素加入鋼中時(shí)，必有相當(dāng)部分鋁與鋼中氧反應(yīng)生成氧化物夾雜。鋼中不同的原始氧含量所形成的氧化物夾雜的形態(tài)也不同，大顆粒夾雜在煉鋼環(huán)境下可以有效去除，部分細(xì)小的Al2O3夾雜因難以上浮而滯留鋼中，給鍛件帶來(lái)無(wú)損檢測(cè)不達(dá)標(biāo)、夾雜物外露等重大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[3]。為保證Al元素含量滿足要求的前提下還可以有效減輕甚至完全避免上述質(zhì)量問(wèn)題，煉鋼工藝人員對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題爐次冶煉過(guò)程進(jìn)行梳理分析后發(fā)現(xiàn)，Al元素及N/Al比的調(diào)整時(shí)機(jī)是問(wèn)題關(guān)鍵。于是在之前煉鋼工藝基礎(chǔ)上，重新制定了Al以及N/Al比調(diào)整方式，取得了良好效果，有效穩(wěn)定了鍛件質(zhì)量。

1 18MND5類鋼種技術(shù)條件

18MND5鋼的化學(xué)成分要求見(jiàn)表1(因該論文只涉及Al及N/Al比方式調(diào)整，故此處只給出Al及N元素的標(biāo)準(zhǔn)要求)。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Requirements of chemical composition(mass fraction, %)

18MND5類鋼種力學(xué)性能驗(yàn)收要求見(jiàn)表2。

表2 力學(xué)性能驗(yàn)收要求Table 2 Requirements of mechanical properties

18MND5類鋼種非金屬夾雜物的要求見(jiàn)表3。

表3 非金屬夾雜物要求Table 3 Requirements of nonmetallic inclusions

2 18MND5鋼的原冶煉工藝

2.1 電爐控制

電爐操作在其他成分滿足工藝要求外，C含量≤0.1%，出鋼時(shí)氬氣壓力控制在0.6～1.0 MPa。初煉爐出鋼時(shí)隨鋼流加入預(yù)熔渣200～300 kg，Mn按0.60%加入錳鐵(盡量選用含P低的錳鐵或電解錳)，鋁塊按0.5 kg/t鋼水、硅鋁鈣鋇按1 kg/t鋼水、硅鋁鈣鋇粉按2 kg/t鋼水加入。

2.2 精煉操作控制

(1)擴(kuò)散脫氧劑選用：擴(kuò)散脫氧劑(C粉和Si-Al-Ca-Ba粉)。擴(kuò)散脫氧劑要分批加入，Si-Al-Ca-Ba粉與碳粉比例控制在(1～2)∶1。

(2)氮元素調(diào)整采用氮化錳，具體操作方式：返加熱調(diào)整N含量，為防止Mn含量超標(biāo)，VD前適當(dāng)預(yù)留約0.35%～0.40%錳含量。

(3)Al元素調(diào)整采用喂鋁線的方式：返加熱調(diào)整，氮元素調(diào)整后調(diào)整Al元素含量，調(diào)整范圍0.010%～0.040%。

該操作方法的缺點(diǎn)是，鋼水開(kāi)始精煉時(shí)，鋼液基礎(chǔ)氧含量較高，導(dǎo)致精煉脫氧脫硫操作困難。而返加熱調(diào)整Al、N含量的方式也使得VD后相對(duì)純凈的鋼液經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間精煉，在不斷的送電加熱過(guò)程中電極不斷的沖擊渣鋼界面，容易造成鋼液的再次污染。且長(zhǎng)時(shí)間返加熱導(dǎo)致Al回收率忽高忽低極其不穩(wěn)定，而燒損掉的Al再次與鋼中氧結(jié)合形成鋁化物夾雜。更使得N/Al比無(wú)法保證，起不到預(yù)期效果。

2.3 原始工藝操作方式的弊端

2.3.1 Al回收率極不穩(wěn)定

隨機(jī)抽取23爐次18MND5類鋼種對(duì)鋁回收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 Al回收率Figure 1 Al recovery rate

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，Al回收率在15%～90%，且無(wú)規(guī)律可循。這種現(xiàn)象將直接導(dǎo)致N/Al比值不可控和因鋼中鋁氧化類夾雜外露產(chǎn)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

統(tǒng)計(jì)以上23爐次所對(duì)應(yīng)N/Al比值，見(jiàn)圖2。

圖2 N/Al比值Figure 2 N/Al ratio

2.3.2 鍛件夾雜外露

某管板鍛件密集夾雜外露，見(jiàn)圖3～5。

圖3 磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)圖片F(xiàn)igure 3 Magnetic particle and penetration test picture

圖4 金相照片F(xiàn)igure 4 Metallograph

圖5 掃描能譜分析Figure 5 Scanning energy spectrum analysis

對(duì)缺陷部位進(jìn)行解剖分析，分析結(jié)果顯示缺陷為氧化鋁和硅酸鹽夾雜。從夾雜產(chǎn)生機(jī)理分析，認(rèn)為在整個(gè)冶煉操作過(guò)程中，Al及N的加入調(diào)整方式是關(guān)鍵，因此決定從其調(diào)整方式上進(jìn)行改變。

3 18MND5類鋼嘗試新工藝

3.1 電爐控制

鋁脫氧時(shí)鋁塊加入時(shí)機(jī)不同，不僅脫氧效果截然不同，對(duì)鋼中夾雜物的種類影響也甚大。電爐出鋼時(shí)隨鋼流一次性加入足夠多的鋁塊，用以沉淀和預(yù)脫氧，不僅可以起到良好的脫氧效果，還可以減少硅鐵的燒損，避免復(fù)雜硅鋁酸鹽的形成，為精煉準(zhǔn)備好基礎(chǔ)良好的初始鋼液。

具體操作方式：出鋼隨鋼流按2.0～3.0 kg/t鋼水加入Al塊，按0.4%加入電解錳。采用留鋼留渣操作，嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入精煉包，電爐出鋼加合金量時(shí)一定要滿足計(jì)劃鋼水量，嚴(yán)禁電爐少出鋼水。

3.2 精煉爐控制

3.2.1 脫氧劑的選用及加入方式

擴(kuò)散脫氧劑選用Al粉、C粉、Si-Al-Ca-Ba粉(少用)，根據(jù)爐前冶煉情況合理選用脫氧材料，盡量多用C粉、適量用Al粉。脫氧劑注意要分多批加入，每批加入量不宜過(guò)大，后期減少碳粉用量。

3.2.2 Al含量調(diào)整前鋼水準(zhǔn)備

LF精煉結(jié)束時(shí)[O]≤25×10-6，氧含量不滿足要求禁止出鋼VD。出鋼VD前取樣，考慮殘Al，調(diào)整Al含量至0.035%～0.045%。

Al元素含量調(diào)整時(shí)，低氧環(huán)境鋼液有利于減少鋁合金的燒損，提高鋁收得率，減少鋼中鋁氧化物夾雜生成。避免后期鋁鍛件因夾雜產(chǎn)生的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 底吹氮方式調(diào)整氮元素含量

鋼包返回LF精煉工位，取鋼水樣及氣體樣，根據(jù)取樣結(jié)果，切換底吹氬氣為氮?dú)猓獨(dú)夂空{(diào)整至85×10-6～120×10-6，持續(xù)時(shí)間10 min。吹氮結(jié)束，調(diào)整鋁元素含量至0.020%～0.025%，期間進(jìn)行氮鋁比值計(jì)算，保證N/Al比值0.40～0.80。

以前工藝采用含氮合金調(diào)整鋼水中氮元素含量，具體調(diào)整方式：在鋼液VD前預(yù)留部分錳元素含量或氮元素含量，VD返加熱時(shí)根據(jù)氮元素含量要求調(diào)整氮元素含量至工藝要求范圍。此操作方法的缺點(diǎn)：因每爐次合金收得率、VD脫氣效率不一致，只能估算預(yù)留合金元素含量，無(wú)法做到與待調(diào)整氮元素含量的準(zhǔn)確匹配。這就導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，本應(yīng)盡量縮短的返加熱時(shí)間因重新調(diào)整合金范圍而延長(zhǎng)。經(jīng)VD凈化的鋼液因過(guò)長(zhǎng)的返加熱時(shí)間增加了再次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

采用底吹氮方式調(diào)整氮元素含量的工藝優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)以底吹方式向鋼液吹入氮?dú)猓ㄟ^(guò)氣體-熔體界面反應(yīng)，將氮?dú)夥肿臃纸獬扇垠w可以吸收的氮原子，有助于氮元素的成分均勻化。

(2)因氮?dú)獬煞謫我唬粫?huì)給鋼液帶來(lái)新的夾雜。

(3)氮?dú)庵圃斐杀镜?，且回收率高，有利于?jié)約成本。

3.2.4 軟吹

調(diào)整好氮鋁比的鋼液，為促使夾雜物充分上浮，切換底吹氮為底吹氬，軟吹時(shí)氬氣流量30～50 L/min，軟吹時(shí)間控制在25～30 min，可以有效去除鋼中細(xì)小而彌散的Al2O3夾雜。

3.2.5 真空澆注

真空澆注過(guò)程工藝不變。

4 生產(chǎn)結(jié)果

采用新工藝后，鋼液鋁回收率達(dá)到70%～80%，N/Al比值穩(wěn)定在0.40～0.80，自2015年，18MND5類低碳合金鋼未出現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)及表面夾雜物超標(biāo)問(wèn)題。

5 結(jié)論

(1)粗煉爐爐后一次性按2.6 kg/t鋼水加入鋁塊，可以起到良好的沉淀預(yù)脫氧作用，為精煉提供良好的鋼液基礎(chǔ)。

(2)精煉出鋼VD前控制鋼中氧含量小于或等于25×10-6，可以顯著提高VD后鋁回收率。

(3)LF返加熱時(shí)采用底吹氮?dú)夥绞秸{(diào)整鋼中氮元素含量，更有利于凈化鋼液，提高氮回收率。