高合金鋼鑄坯質量控制技術

范 斌，劉 利，李浩秋，于 輝

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業部，山東 濟南 271105）

1 前言

山鋼股份萊蕪分公司（簡稱萊鋼）特鋼事業部100 t電爐連鑄生產線定位高質量和高附加值產品，主要產品包括工程機械、汽車齒輪和車橋、發動機曲軸、海洋錨鏈、軸承和風電等領域用鋼，同時開發并成功試制軋輥用鋼、模具用鋼等高合金鋼種，目前軋輥用鋼已經形成批量生產。高Cr、Mo、Si、V等高合金鋼種對產品質量提出了更高、更苛刻的要求，萊鋼通過采用高合金鋼鋼水純凈度控制技術、中間包冶金新技術、高合金鋼大圓坯低倍控制技術、高合金鋼大圓坯緩冷工藝技術等，鋼水純凈度、連鑄坯質量達到無缺陷連鑄坯標準，產品質量穩定，各項經濟質量指標完全符合標準要求，拓寬了企業高端產品的市場競爭力，具備了開發其他高端產品的技術和能力，為企業創造了較好的經濟效益。

2 生產線主要概況

2.1 生產工藝流程

高爐鐵水+優質廢鋼→1座100 t超高功率偏心底出鋼交流電弧爐→2座120 t LF精煉爐→1座120 t雙工位VD真空脫氣爐→1臺R16.5 m，5機5流合金鋼連鑄CC→熱送或鑄坯緩冷。

2.2 合金鋼連鑄機的主要工藝參數

機型為5機5流全弧形連鑄機；圓坯斷面為Ф 500、Ф650、Ф700、Ф800 mm；弧形半徑為16.5 m；中間包容量45 t；冶金長度44 m；拉矯機形式為九機架連續矯直；鑄流控制方式為塞棒自動控制；二冷形式：氣霧冷卻，動態配水；流間距：2 250 mm；銅管長度：780 mm；振動裝置型式：液壓振動；振動頻率：40～300 r/min；振動曲線：正弦曲線；優鋼代表鋼種：12Cr1MoV、4Cr5MoSiV1、8Cr5Mo、S355NL。

3 高合金鋼鑄坯關鍵生產技術

3.1 鋼水純凈度控制技術

3.1.1 電爐快速脫磷控制技術

高合金鋼要求鋼中的磷質量分數≤0.015%，由于鋼中合金質量分數大（3%～6%），加入合金時必然會帶入大量的磷，為了保證鋼中磷含量合格，電爐終點磷質量分數必須≤0.007%。

穩定爐料結構，電爐裝入制度為60%～70%鐵水+30%～40%廢鋼，控制含磷高的大料加入量不大于總裝入量的8%。余渣余鋼操作，余鋼量控制在出鋼量的15%～25%，這樣在冶煉初期，融化一開始就有現成的熔池，輔之以強化吹氧，為提前進行冶金反應提供良好的條件，從而提高生產效率、降低冶煉消耗。長弧泡沫渣技術，爐渣發泡厚度達到300～500 mm，是電弧長度的2～3倍以上，從而使電爐實現埋弧度操作，不僅降低電耗，也提高了冶煉效率。

低磷合金的合金化工藝，在溫度和成分達到出鋼要求后，開始出鋼，采用EBT偏心底出鋼技術，避免下渣，出鋼過程中隨鋼流向鋼中加入相應的低磷合金，電爐合金加入量占總量的85%以上［1］。

3.1.2 精煉快速成渣技術

高合金鋼要求鋼中的氧質量分數≤0.00 15%，硫質量分數小于0.015%，需要精煉快速成渣，將鋼中氧、硫的含量控制在很低的水平。萊鋼100 t精煉渣采用Al-Ca精煉渣系，造渣過程分兩個階段。第一階段，為避免鋼液面裸漏，造成鋼水吸氣，保證鋼水在精煉送電過程中快速形成泡沫渣，在電爐出鋼過程中，向鋼包內加入石灰和精煉脫氧促進劑，保證電爐出鋼完畢后化渣良好，鋼液面覆蓋均勻［2］。剩余渣料在鋼包到達精煉位后精煉送電過程中補加。精煉渣成分質量分數：CaO 45%～55%，Al2O330%～40%，SiO225%～8%，MgO 5%左右。電爐配加渣量約占總渣量的80%左右。該精煉渣系具有硫容較高，爐渣脫氧能力強，可以保證鋼包到達精煉爐后5 min以內造成白渣。

由于采用了高硫容的Ca-Al精煉渣系，鋼水中的硫含量控制普遍較低，一般鋼種平均硫質量分數可以控制在0.005%左右，對于硫成分有要求的鋼種，鋼水中的硫質量分數可以穩定控制在0.003%以下。

3.2 大圓坯低倍控制技術

3.2.1 二冷動態配水技術

二次冷卻技術包括二冷區分段、二冷區噴嘴選擇及配置、配水模型（流量、壓力等）的確定。新區連鑄機二冷水冷卻系統水量主要分配在足輥、活動段A區和活動段B區共三段區域，其中足輥采用水冷卻，活動段均采用氣霧冷卻。各區域噴嘴布置采取環形錯位布置，使鋼坯出結晶器后冷卻均勻。二次冷卻水量總的分配原則是沿拉坯方向從上到下逐漸減少，考慮圓坯圓周方向冷卻的差異，圓坯內外弧的總配水比穩定在2.2∶3［3］。

萊鋼100 t連鑄機根據凝固理論及二冷水量分配數學模型建立了鑄坯凝固傳熱模型。將高合金鋼種應用鑄坯凝固傳熱仿真模型進行鑄坯生產仿真模擬配水，在不同的二次冷卻強度下，得到鑄坯表面溫度分布、鑄坯液芯長度曲線，從而根據鑄坯合適的液芯長度來確定最佳二次冷卻制度［4］。

3.2.2 兩段式電磁攪拌技術

電磁攪拌具有打碎樹枝晶，加速柱狀晶向等軸晶過度、消除結晶器內過熱度加速凝固傳熱、改善鑄坯溶質再分配、減輕中心偏析的作用。萊鋼100 t連鑄生產線采取由結晶器電攪+凝固末端電攪的組合式電攪。生產高合金鋼種，通過增大末端電攪電流從而增大攪拌強度，使高合金鋼種的低倍疏松1.0級比例占85%，鑄坯等軸晶率達到38%～42%［5］。

3.3 大圓坯緩冷工藝技術

萊鋼100 t連鑄圓坯斷面主要有Ф500、Ф650、Ф 700、Ф800 mm等4個斷面，斷面尺寸大，導致鑄坯內部和表面溫度梯度大，同時高合金鋼種Cr、Mo、Si、V合金含量高，鑄坯熱應力及組織應力釋放困難，緩冷不好，表面溫降快容易產生應力裂紋。

從鐵碳相圖看出，溫度冷卻到Ar3以下，奧氏體逐漸轉變到鐵素體和珠光體，即γ→α轉變開始，由體心立方向面心立方轉變，引起相變應力。鑄坯冷卻速度過快，將加劇相變應力以及熱應力的產生［6］。2015年11月，為滿足高合金鋼的緩冷要求，100 t連鑄生產線增加溫控緩冷坑。溫控緩冷坑的工作原理是對連鑄坯各種高合金鋼種，根據保溫和冷卻速度不同的要求，進行鑄坯的控制冷卻，以滿足合金鋼的生產要求。采取如下方式：通過坑蓋的開啟大小來控制連鑄坯冷卻速度；緩冷坑溫度較低時，進入坑內的鑄坯溫度下降較快，此時進行適當補熱；控制向坑內鼓風流量大小來控制溫度下降；可適當根據某些品種的需要，在緩冷坑內對鑄坯進行適當的加熱升溫或在要求的時間段內進行保溫，達到有效控制鑄坯緩冷過程的目的，從而有利于組織應力及熱應力的緩慢釋放，減少應力裂紋的產生。高合金鋼退火工藝曲線如圖1所示［7］。

圖1 高合金鋼退火曲線

3.4 連鑄坯矯直技術

萊鋼100 t連鑄機弧形半徑共9架拉矯機，采用多點連續矯直方式進行矯直，目的是防止矯直應力集中，超過高合金鋼的塑性強度產生裂紋［8］。同時高合金鋼種由于Cr、Mo合金含量高、硬度大，導致鑄坯不易矯直，用傳統的工藝生產連鑄坯翹頭嚴重，嚴重時連鑄坯無法過火切車，需進行人工切割，給生產及產品質量造成極大影響。

為減輕高合金連鑄坯翹頭問題，通過對高合金鋼鑄坯的坯頭部分采取高拉速、低配水、增大拉矯機壓力的方法，可以有效解決高合金連鑄坯的翹頭問題［9］。

4 結語

（1）通過電爐快速脫磷控制技術，保證高合金鋼磷質量分數≤0.015%。通過精煉快速成渣技術，保證高合金鋼氧質量分數≤0.001 5%，硫質量分數＜0.015%。

（2）通過二冷動態配水技術、兩段式電磁攪拌技術，能夠保證高合金鋼鑄坯內部質量，得到酸浸低倍組織：中心疏松級別≤1.0級、縮孔級別0級、中心裂紋級別0級、中間裂紋級別0級，不存在皮下裂紋和皮下氣泡。

（3）通過高合金鋼鑄坯緩冷工藝技術，減少了應力裂紋產生，硬度得到了有效控制，高合金鋼硬度≤260 HB。通過高合金鋼連鑄坯矯直技術，減少了連鑄坯翹頭問題，保證了圓坯表面質量、尺寸、外形等能夠滿足質量要求。

（4）萊鋼100 t電爐連鑄生產線開發并成功試制了8Cr5Mo軋輥用鋼、4Cr5MoSiV1模具用鋼等高合金鋼種。生產的高Cr、Mo、Si、V等高合金鋼種，電爐、精煉、連鑄工藝技術成熟，化學成分控制范圍窄且穩定，鋼材的表面質量、低倍組織、硬度等冶金質量均滿足技術條件要求，性能指標達到了國際先進水平，完全滿足用戶的使用要求。