貝斯鋼板冶煉及熱處理工藝技術應用

公丕海，張海民

（貝斯山鋼（山東）鋼板有限公司，山東 濟南250101）

1 前 言

近年來，低合金耐磨鋼的使用由傳統的工程機械、礦山機械、煤礦機械逐步拓展至港口機械、裝甲防護、盾構機、自卸車等高端裝備領域。復雜苛刻的服役環境對耐磨鋼使役性能提出更高要求，多品種規格、小批量與批量穩定化生產制造之間的約束日益加重。在產品對多應用場景復雜工況的適應性、多規格小批量產品與工業化生產條件下的成本管控、生產過程中產品質量穩定控制與提升等方面面臨較大挑戰。

貝斯山鋼（山東）鋼板有限公司（以下簡稱貝斯公司）依托山東鋼鐵集團產線進行耐磨鋼產品與工藝技術研發。目前，山鋼集團擁有1條3 500 mm爐卷產線，2條4 300 mm寬厚板生產線，配置德國LOI熱處理線和鋼板淬火機，熱處理設計產能為75萬t/a，熱處理產品厚度范圍為4～100 mm。良好設備基礎和近年來耐磨鋼產品市場推廣規模的不斷擴大，為貝斯耐磨鋼產品開發及關鍵工藝技術創新提供了便利條件。

2 鋼種成分及工藝流程設計

在差異化耐磨鋼合金成分設計的基礎上，設計出多品種規格耐磨鋼的合金成分體系，如表1 所示。可以看到，對于同級別不同規格之間或者同規格不同級別之間的耐磨鋼中C、Mn 等主要合金元素，實現了連續過渡。這對增強多品種規格小批量耐磨鋼的多應用場景的適應性，緩解小批量與批量工業化生產，降低生產成本具有重要的指導意義。

表1 貝斯耐磨鋼成分設計（質量分數最大值）

貝斯鋼板的主要工藝流程為：鐵水預處理→210 t 轉爐冶煉→LF 精煉→RH 脫氣精煉→板坯連鑄→緩冷→清理→加熱→除鱗→粗軋→精軋→控冷（DQ 在線淬火/ACC 加速冷卻）→熱矯→鋼板標識→冷床→緩冷→離線淬火+回火→冷矯→堆垛入庫。

3 生產情況及分析

3.1 冶煉前準備工作

由于耐磨鋼設備服役條件復雜，為防止工件發生冷、熱脆等開裂事故，成分體系中將P、S 元素含量設計較低，冶煉之前嚴格把控入爐原料質量，鐵水100%KR 預處理，廢鋼采用板頭板邊等優質廢鋼。

3.2 轉爐終點情況

轉爐終點控制和氬前溫度情況如表2所示。

表2 轉爐終點控制和氬前溫度

為保證轉爐脫磷效果，終點溫度基本控制在1 665 ℃以下，同時冶煉過程嚴格控制氧化物夾雜為，終點（O）含量≤700×10-6，防止鋼水過氧化。

3.3 出鋼、脫氧合金化及造渣制度

為了減少轉爐出鋼過程下渣量，出鋼過程采用出鋼前、后期雙擋渣操作，即出鋼前期使用擋渣帽，后期使用擋渣棒。通過鋁平衡計算，出鋼下渣量約3 kg/t，說明擋渣效果良好。

出鋼至1/5 時加入1 000 kg 小顆粒石灰和400 kg 鋁塊，進行鋼水脫氧和鋁合金化作業，確保脫氧產物盡快形成，并依托鋼包底吹氬過程形成夾雜物聚集、長大及上浮，出鋼至1/3 時再加入金屬錳和含Si 合金，出鋼完畢加入300 kg 復合脫氧劑脫除渣中氧。

3.4 RH處理情況

根據研究結果，當鋼水中原始w（H）≤10×10-6，在1 mbar 真空度下處理10 min 以上，鋼水中w（H）均可降至1.5×10-6以下，具體如圖2所示。

圖1 RH真空過程脫氫

根據以上分析，將RH 真空度、真空時間規定為：RH精煉工序要求在真空度≤1 mbar條件下處理時間不少于10 min，為了盡可能降低鋼水中夾雜物含量，純脫氣時間不少于8 min。

3.5 澆鑄過程

冶煉5爐貝斯耐磨鋼鋼水，澆鑄過程結晶器液面波動值均在±4 mm 以內。塞棒行程輕微波動，屬于正常波動值。中包過熱度控制范圍為10～30 ℃，為穩態澆鑄。

鑄坯低倍質量情況。生產5爐BISPLATE系列耐磨鋼，分別在第2、4 爐的第2 塊鑄坯上取低倍樣試樣。通過酸腐蝕觀察，2塊低倍樣質量較好，C類中心偏析為1.0級，中心疏松0.5級，無中間裂紋、角部裂紋、針孔氣泡、三角區裂紋、夾雜等缺陷。

3.6 在線淬火鋼板原始組織

鋼板精軋機終軋溫度控制在910～920 ℃，然后進行在線淬火，將淬火后18 mm和25 mm厚度鋼板取樣做實驗室相關實驗分析，其原始組織、力學性能和硬度值見圖2、表3 和表4。由圖2 可見，鋼板表面和1/4 厚度位置組織為馬氏體，芯部組織為馬氏體+少量貝氏體。鋼板厚度方向組織均勻，對裂紋的擴展和顯微切削均具有很強的阻礙作用。

圖2 在線淬火鋼板的顯微組織 200×

從表3 和表4 可以看出，18 mm 和25 mm 貝斯鋼板力學指標和硬度指標均達到耐磨鋼國標質量水平。

表3 BISPLATE400鋼拉伸沖擊性能

表4 BISPLATE400鋼硬度性能HBW

3.7 離線淬火工藝對鋼板力學性能的影響

鋼板淬火前進行表面檢查，利用拋丸機把鋼板表面氧化層處理干凈。淬火目標加熱溫度910～920 ℃，加熱系數1.5 min/mm，保溫時間10 min，在爐時間大于30 min。以10 mm厚貝斯鋼板為例，以28 m/min 淬火速度為基準，輥速設定為30、35、40、45 m/min，淬火水溫為20.9 ℃。淬火機噴水管水流量參數如表5所示。

表5 各噴水管淬火基準水量 m3/min

圖3 為不同淬火速度下的淬火板金相組織。可以看到，在45 m/min 淬火速度下，鋼板的淬火效果最好，對應鋼板的平均表面硬度在390～408 HBW，平均為401 HBW。

圖3 離線淬火速度對顯微組織的影響 400×

4 結 論

4.1 通過煉鋼過程潔凈鋼控制技術的不斷優化，在確保鋼水中［P］含量控制要求的情況下，降低鋼中［O］含量，降低鋼水中氧化物總量；適當延長RH工序真空處理時間和純脫氣時間，保證鋼中氣體含量和夾雜物含量降至合理水平；連鑄機穩態澆鑄，實現連鑄機鑄坯低倍C 類中心偏析為1.0 級，中心疏松0.5級，無中間裂紋、角部裂紋、針孔氣泡、三角區裂紋、夾雜等缺陷。

4.2 以10 mm 厚貝斯鋼板為研究對象，淬火初始溫度均設定為910～920 ℃，按表5 水流量進行淬火，對輥速為30、35、40、45 m/min 淬火鋼板取樣做金相對比，發現在45 m/min 淬火速度下，鋼板的淬火效果最好，對應鋼板的平均表面硬度在390～408 HBW，平均為401 HBW。