氣閥鋼方坯連鑄機設(shè)計特點

黃小東

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 210019)

氣閥鋼方坯連鑄機設(shè)計特點

黃小東

(中冶華天南京工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 210019)

摘要：結(jié)合某特鋼廠R8 m二機二流不銹鋼方坯連鑄機的設(shè)備情況，介紹馬氏體不銹鋼氣閥鋼和奧氏體不銹鋼氣閥鋼的設(shè)計特點、凝固組織和凝固特點。

關(guān)鍵詞：連鑄機； 馬氏體不銹鋼氣閥鋼； 奧氏體不銹鋼氣閥鋼； 表面質(zhì)量； 內(nèi)部質(zhì)量

引 言

氣閥鋼屬于不銹鋼中的高級鋼種，也屬于耐熱鋼，主要包括奧氏體氣閥鋼和馬氏體氣閥鋼；奧氏體氣閥鋼主要鋼種為21-4N、21-2N和23-8N等，馬氏體氣閥鋼代表鋼號為1Cr6Si2Mo、4Cr9Si2、5Cr8Si2、5Cr9Si3和4Cr10Si2Mo等。氣閥鋼目前主要運用于高速汽車、戰(zhàn)車、艦艇等內(nèi)燃機的氣閥；氣閥的工況條件惡劣：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)重等惡劣的工況；由于氣閥工作條件苛刻，用戶對氣閥鋼的表面、內(nèi)部質(zhì)量要求高，因此這種需求推進(jìn)了氣閥鋼的研究和生產(chǎn)；然而傳統(tǒng)的模鑄生產(chǎn)制約了氣閥鋼的產(chǎn)量，因此，連鑄生產(chǎn)氣閥鋼的意義重大。

1 國內(nèi)氣閥鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，在國內(nèi)用連鑄機生產(chǎn)氣閥鋼的企業(yè)為數(shù)不多，除寶鋼公司和大連鋼鐵公司用連鑄生產(chǎn)少部分的氣閥鋼外，其他特鋼廠基本上都是用模鑄生產(chǎn)氣閥鋼，這樣嚴(yán)重制約了氣閥鋼的生產(chǎn)；寶鋼公司和大連鋼鐵公司的連鑄設(shè)備都是國外進(jìn)口的，用國產(chǎn)連鑄機生產(chǎn)氣閥鋼國內(nèi)目前沒有。直到2012年4月12日，在江蘇某特鋼有限公司全國產(chǎn)連鑄機設(shè)備上生產(chǎn)高端氣閥鋼的成功，標(biāo)志著國產(chǎn)連鑄機生產(chǎn)氣閥鋼的時代開始；目前該連鑄能夠生產(chǎn)馬氏體和奧氏體氣閥鋼，性能穩(wěn)定，連鑄坯表面、內(nèi)部質(zhì)量良好，不需修磨，可以直接軋鋼成材，大大提高了氣閥鋼的生產(chǎn)效率，為企業(yè)節(jié)約了成本。

2 氣閥鋼的主要特性

2.1 馬氏體氣閥鋼的特性和凝固組織

馬氏體不銹鋼氣閥鋼的鋼種的主要化學(xué)成分特點為：高碳、高硅、鉻含量不高，基本不含鎳合金元素；所以馬氏體不銹鋼氣閥鋼對裂紋敏感，表面易凹陷，斷面收縮率大，具有高溫強度大等特點；其連鑄坯凝固組織為：鋼液凝固先析出δ相，然后發(fā)生L+δ→γ轉(zhuǎn)變，最后凝固成δ+γ，常溫下是奧氏體和馬氏體的混合組織。

2.2 奧氏體氣閥鋼的特性和凝固組織

奧氏體不銹鋼氣閥鋼的鋼種的主要化學(xué)成分特點為：高碳、高錳、高鉻、高鎳、高氮；所以奧氏體不銹鋼氣閥鋼對裂紋敏感性、斷面收縮率都遠(yuǎn)大于馬氏體不銹鋼氣閥鋼，具有高溫強度大等特點；其連鑄坯凝固組織為：鋼液凝固先析出δ相，然后發(fā)生L+δ→γ轉(zhuǎn)變，最后凝固成δ+γ，常溫下是單一的奧氏體組織。

2.3 馬氏體、奧氏體氣閥鋼的高溫特性

不同的不銹鋼的高溫力學(xué)性能相差很大，如表1所示，1Cr13，2Cr13及含鉻16%～18%的鐵素體不銹鋼在1300℃下的抗拉強度僅為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的1/5，在連鑄過程中易出現(xiàn)凹陷和裂紋，必須低拉速澆鑄，保證連鑄坯與結(jié)晶器之間有均勻渣膜，以便保證連鑄坯良好的傳熱和潤滑[1-3]；同樣，奧氏體和馬氏體氣閥鋼的高溫力學(xué)性能相差很多，如表2所示；奧氏體氣閥鋼(21-4N,21-2N,23-8N)易產(chǎn)生裂紋、凹陷等，馬氏體氣閥鋼(4Cr9Si2，5Cr8Si2，5Cr9Si3)易凹陷，中心易出現(xiàn)疏松和偏析，因此，在生產(chǎn)過程中必須弱冷和低拉速操作。

表1 普通不銹鋼的高溫力學(xué)性能

表2 馬氏體、奧氏體氣閥鋼的高溫力學(xué)性能

2.4 馬氏體、奧氏體氣閥鋼的凝固特性

2.4.1 馬氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點

馬氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點為：由于該鋼種含碳量為0.35%～0.5%，含硅量為1.5%～3.5%，含鉻量為8%～12%，含微量的鎳合金元素，有部分鋼種含少量的鉬合金元素，所以該鋼種在高溫下對裂紋敏感性大，柱狀晶發(fā)達(dá)，等軸晶率低，中心疏松和偏析出現(xiàn)的幾率大，表面凹陷趨勢大，因此在設(shè)計工藝參數(shù)時，應(yīng)該著重考慮鋼水過熱度、結(jié)晶器水量、二冷水量，振動參數(shù)等重要參數(shù)的設(shè)計，經(jīng)過實際生產(chǎn)表明：該鋼種應(yīng)該是高過熱度，低拉速為主的工藝路線生產(chǎn)，這樣可以減少質(zhì)量缺陷，提高成材率。

2.4.2 奧氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點

由于奧氏體不銹鋼氣閥鋼的化學(xué)成分特點為：高合金、高碳、高錳和高氮，所以奧氏體不銹鋼氣閥鋼的凝固特點為：收縮大、高溫強度大、高溫塑性區(qū)間窄、易產(chǎn)生裂紋、粘度大、易絮流、表面易凹陷、晶粒粗大和等軸晶率低等特點。

3 氣閥鋼連鑄機的設(shè)計

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)氣閥鋼特性確定連鑄機及相關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 連鑄機及相關(guān)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

3.2 工藝特點

3.2.1 全程保護(hù)澆鑄

馬氏體、奧氏體不銹鋼氣閥鋼合金元素高，其中含少量的鈦、鋁和鉬等元素，在澆鑄過程中易氧化產(chǎn)生TiO2,Ti(CN),Al2O3等高熔點物質(zhì)，造成水口的絮流[4]、致使?jié)茶T中斷，以及連鑄坯中夾雜物的等級增高，出現(xiàn)不合格的產(chǎn)品；因此在澆鑄過程中必須全程保護(hù)澆鑄。所以在該連鑄機設(shè)計時，在大包與中間罐之間加長水口保護(hù)鋼流，中包用整體水口澆鑄，防止鋼水從中包進(jìn)入結(jié)晶器時被氧化；另外，中包加覆蓋劑，結(jié)晶器加保護(hù)渣等措施來保護(hù)鋼液不被氧化，同時吹氬氣防止鋼流過程中吸入空氣而氧化鋼液。

3.2.2 中間罐的流場模擬和連續(xù)測溫

通過中包流場模擬的分析，合理設(shè)計中包內(nèi)襯，并在合適的位置設(shè)置擋墻和擋壩，可以很好地控制鋼流的流場，增加層流，減少紊流，有利于鋼液中的夾雜物上浮，減少鋼中的非金屬夾雜物；同時可以很好地控制溫度場，進(jìn)而確保各流的溫度均勻，為動態(tài)配水打下基礎(chǔ)；根據(jù)不同的氣閥鋼的特型選用不同的中包覆蓋劑，這樣可以防止覆蓋劑吸收夾雜物和變性，防止二次污染鋼液。

配置中間罐連續(xù)測溫裝置來測中包鋼液溫度，以便合理地控制鋼液溫度，隨時掌控鋼液的過熱度，以確保澆鑄的正常進(jìn)行，合理給定拉速和水量。

3.2.3 結(jié)晶器液面檢測及塞棒自動控制

通過塞棒機構(gòu)和液面自動控制的配合使用來控制從中包到結(jié)晶器的鋼流量，塞棒機構(gòu)和液面自動控制的配合能夠精確地控制結(jié)晶器液面的波動，控制在 ±3 mm之內(nèi)，這樣可以防止由于結(jié)晶器液面波動造成的卷渣、增加鋼中的非金屬夾雜物的缺陷，減少由于結(jié)晶器液面波動對振痕和皮下裂紋的不利影響。

3.2.4 保護(hù)渣的設(shè)計

結(jié)合氣閥鋼的特性，不同的氣閥鋼選用不同的專用結(jié)晶器保護(hù)渣，這樣可以更加合理保證保護(hù)渣能夠吸收鋼液中的非金屬夾雜物，同時減少坯殼與結(jié)晶器熱面的氣隙，進(jìn)而減少熱阻，保證結(jié)晶器熱流密度的合理分配，確保連鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)有合適的坯殼厚度，保證澆鑄的正常進(jìn)行；通過保護(hù)渣專用的制度的建立，可以減少由于保護(hù)渣不合理造成振痕深、表面質(zhì)量差，凹陷、皮下氣泡和皮下裂紋等缺陷的影響。

3.2.5 結(jié)晶器錐度的設(shè)計

結(jié)合鋼種的特性，不同的鋼種選用不同結(jié)晶器的錐度，根據(jù)鋼種的凝固收縮特性設(shè)計結(jié)晶器的錐度，結(jié)晶器的錐度為連續(xù)錐度，該錐度有利于減小新生坯殼與結(jié)晶器之間熱阻，使新生坯殼均勻生長，減少連鑄坯表面質(zhì)量和振痕；同時有利于專用的保護(hù)渣填充新生坯殼與結(jié)晶器之間的間隙，減少熱阻，有利于熱量的導(dǎo)出。

3.2.6 氣霧冷卻

由于奧氏體和馬氏體氣閥鋼導(dǎo)熱系數(shù)低，所以冷卻方式采用氣霧冷卻-弱冷，氣霧冷卻能夠保證連鑄坯均勻冷卻，能夠防止造成連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量缺陷，如中心疏松、中心偏析、中心縮孔、角裂紋和其它類型的裂紋等。

氣霧冷卻的控制方式為非穩(wěn)態(tài)控制，界面圖如圖1所示：以坯齡為控制參數(shù)進(jìn)行冷卻控制，建立起坯齡和水量的對應(yīng)關(guān)系；在非穩(wěn)態(tài)控制中，拉速不再直接決定水量的大小，而是通過拉速計算出連鑄坯所在位置，從而決定在二冷區(qū)相應(yīng)的位置供應(yīng)所需的水量，并同時計算出連鑄坯的液心位置，為下一個位置給水做好準(zhǔn)備；另外，在動態(tài)非穩(wěn)態(tài)控制方式的基礎(chǔ)上，某些氣閥鋼需要在二冷區(qū)設(shè)置保溫罩的措施來防止溫度下降過快，造成連鑄坯的開裂。

圖1 二冷配水軟件界面

3.3 設(shè)備要點

3.3.1 直臂式大包回轉(zhuǎn)臺和升降中間罐車

為了節(jié)約投資，鋼包回轉(zhuǎn)臺采用直臂式；配置大包加蓋裝置，減少鋼包內(nèi)鋼水的溫降；配置鋼包稱重系統(tǒng)，通過檢測鋼包的重量來防止鋼包下渣；為了方便鋼包長水口的安裝，設(shè)計時充分考慮中包蓋頂?shù)酱蟀_之間的距離；中間罐車采用液壓升降和橫移，這種設(shè)計便于中包水口和結(jié)晶器的對中及渣線的調(diào)整。

3.3.2 結(jié)晶器液壓全板簧非正弦振動裝置

由于生產(chǎn)氣閥鋼對振動頻率和振幅的要求高，該連鑄采用液壓全板簧非正弦振動裝置，采用板簧導(dǎo)向，減少鉸接點，延長了振動裝置的使用壽命并提高防弧精度；比例伺服閥、傳感器的接線采用航空插頭的連接方式，方便安裝和維修；對比例伺服閥、傳感器通氬氣或氮氣保護(hù)，防止高溫蒸汽的腐蝕和干擾；同時由于該振動裝置具備在線調(diào)整頻率和振幅的功能，能夠適應(yīng)不銹鋼對振幅變化的要求，通過這種振動裝置，可以減少振痕深度，使振痕均勻，減少表面裂紋，通過實踐證明，采用這種振動裝置目前生產(chǎn)出的氣閥鋼可以直接進(jìn)入加熱爐，無需修磨，提高了連鑄坯的成材率。

3.3.3 結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌

由于馬氏體不銹鋼氣閥鋼在生產(chǎn)過程中，斷面收縮大、等軸晶率低、柱狀晶粗大且發(fā)達(dá)、中心疏松、中心偏析、中心縮孔嚴(yán)重，同時奧氏體氣閥鋼的生產(chǎn)過程中，連鑄坯斷面收縮大，等軸晶率低、柱狀晶粗大且發(fā)達(dá)，裂紋敏感性強；因此，設(shè)計中采用結(jié)晶器和末端電磁攪拌相結(jié)合的措施來克服、減少這類質(zhì)量缺陷，通過設(shè)置合理的結(jié)晶器和末端電磁攪拌的攪拌強度、頻率和電流來實現(xiàn)對該類質(zhì)量缺陷的控制；通過凝固計算來確定末端電磁攪拌的位置，使之能夠充分發(fā)揮減少中心疏松、中心偏析、中心縮孔的作用。

3.3.4 多機架拉矯機設(shè)計

根據(jù)馬氏體和奧氏體氣閥鋼的特性，生產(chǎn)過程中對拉矯機的熱坯壓力有不同的要求，所以該工程設(shè)計中拉矯機采用三個獨立機架(如圖2所示)，并采用連續(xù)矯直技術(shù)，每個機架的油缸壓下力可以單獨調(diào)節(jié)，機架全部通水閉路冷卻；通過采用該形式的拉矯機合理調(diào)節(jié)熱坯力，避免由于矯直力過大產(chǎn)生矯直裂紋、中心裂紋等缺陷。

圖2 三機架拉矯機

3.3.5 拉矯機后的設(shè)備及出坯方式設(shè)計

連鑄坯出拉矯機后，通過火切機切割成所需要的定尺后，經(jīng)過輸送輥道、出坯輥道， 由移坯車下線到冷床，根據(jù)氣閥鋼的特性，連鑄坯需要下線進(jìn)入緩冷坑緩冷，減少由于冷卻不當(dāng)造成連鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋；考慮到在不銹鋼切割過程中，有大量的煙霧，火切機設(shè)除塵裝置來保護(hù)周邊環(huán)境。

4 結(jié)束語

(1)氣閥鋼的質(zhì)量要求遠(yuǎn)高于普通不銹鋼，生產(chǎn)過程中要求全程保護(hù)澆鑄、塞棒自動控制鋼流、結(jié)晶器液面自動檢測、高頻小幅的振動模式、運用高效弱冷的方式等工藝來保證氣閥鋼的質(zhì)量要求；

(2)氣閥鋼的工藝要求決定其設(shè)備特點，本連鑄機采用了液壓升降的中罐車、結(jié)晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌和多機架拉矯機等先進(jìn)設(shè)備；

(3)通過合理工藝參數(shù)設(shè)計和設(shè)備選型，成功地實現(xiàn)第一臺全國產(chǎn)連鑄機生產(chǎn)高端氣閥鋼；

(4)氣閥鋼在連鑄上的成功生產(chǎn)，突破傳統(tǒng)的模鑄生產(chǎn)方式，降低了成本，提高了效率。

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收稿日期：2018-01-04

作者簡介：黃小東(1978—)，男，高級工程師。電話：18196797630；E-mail：65024354@qq.com

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