孟軍龍

(中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

硫是引起鋼材熱脆的主要因素之一，提高鋼中錳含量，利用其與硫親合力比鐵與硫親和力強(qiáng)的特性，使鋼中的硫以MnS形式存在，可消除熱脆[1]。但純硫化錳的熔點(diǎn)為1610℃，結(jié)晶后呈粒狀分布于晶粒內(nèi)，而且有足夠的韌性，在鍛造過程中易變形延展成為大尺寸長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜，成為裂紋源及擴(kuò)展通道[2]，因此需控制硫化物的析出和形態(tài)。某公司生產(chǎn)的碳錳鋼軸鍛件，材質(zhì)以20Mn-C和20SiMn為主，長(zhǎng)期以來一直受到夾雜物無損檢測(cè)缺陷超標(biāo)的困擾，經(jīng)過多次對(duì)缺陷超標(biāo)的鍛件進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷處存在大量以MnS為主的夾雜物。大型鑄鍛件本身生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，從煉鋼投料到鍛件超聲檢測(cè)至少需要2～3個(gè)月甚至更長(zhǎng)，因此必須在最短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定并固化煉鋼工藝，以減少產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，降低成本損失。此次系統(tǒng)性地分析了歷年冶煉澆注工藝、關(guān)鍵環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)鍛件無損檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律，優(yōu)化了工藝方案，并跟蹤了后續(xù)再投料產(chǎn)品的質(zhì)量情況，以期對(duì)今后類似材質(zhì)的鍛件生產(chǎn)提供借鑒。

1 當(dāng)前現(xiàn)狀及問題

1.1 當(dāng)前產(chǎn)品質(zhì)量情況及工藝方案

目前該公司60 t級(jí)及以上的鍛件均采用真空上注的方式澆注，熔煉采用電爐粗煉、精煉爐真空精煉的工藝路線。2016年以前船軸鍛件及水輪機(jī)軸鍛件采用相同的冶煉工藝，由于在一些關(guān)鍵參數(shù)控制上沒有形成統(tǒng)一、清晰的認(rèn)識(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，反過來又導(dǎo)致煉鋼工藝多次變化，主要體現(xiàn)在精煉爐渣系的選擇、脫氧劑種類的選用、LF爐吊包前是否進(jìn)行終脫氧、中間包澆注溫度的控制等。

1.1.1 化學(xué)成分控制及質(zhì)量情況

典型碳錳鋼材質(zhì)的熔煉化學(xué)成分控制如表1所示?？梢钥闯?0Mn-C與50Mn-C相比最大區(qū)別是碳含量要低0.20%左右，其余成分差別很小；而20Mn-C與20SiMn相比，硅含量低0.20%，錳含量、鎳含量高0.30%左右，其余元素都是熔煉內(nèi)控，差別不大。對(duì)應(yīng)的歷年產(chǎn)品質(zhì)量情況如表2、表3所示。

表1 典型碳錳鋼的熔煉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Smelting chemical composition of typical carbon manganese steels(mass fraction,%)

表2 20SiMn材質(zhì)軸類件質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Quality statistics of 20SiMn shaft parts

表3 50Mn-C軸鍛件質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Table 3 Quality statistics of 50Mn-C shaft forgings

1.1.2 煉鋼工藝要點(diǎn)及主要變化情況

由于模鑄鋼錠的工藝路線一直采用電爐粗煉、LF爐真空精煉及鑄錠真空澆注的方式?jīng)]有變，主要變化的是精煉爐操作，表現(xiàn)在渣系的選擇上。

2014年前以CaO-SiO2-Al2O3精煉渣系為主，工藝要點(diǎn)如下：

(1)粗煉鋼水兌入前精煉包底加鋁塊，實(shí)現(xiàn)鋼水兌入后快速脫氧的目的；

(2)按比例加入白灰、螢石造精煉渣，控制渣層厚度約為200～250 mm；

(3)采用碳粉、FeSi粉、CaSi粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧；

(4)鋼水化學(xué)成分進(jìn)入熔煉內(nèi)控要求并且溫度合適時(shí)進(jìn)行真空脫氣處理；

(5)真空結(jié)束后喂鈣線對(duì)MnS夾雜進(jìn)行變性處理，喂線結(jié)束后進(jìn)行軟吹、吊包出鋼；

(6)鑄錠澆注時(shí)中間包澆注溫度按1570～1590℃進(jìn)行控制。

2014年以后LF爐采用CaO-Al2O3精煉渣系，取消了終脫氧操作，工藝要點(diǎn)如下：

(1)粗煉鋼水兌入前精煉包底加鋁塊，鋁塊用量保持原來工藝的量不變；

(2)粗煉鋼水兌入后進(jìn)行包內(nèi)吹氧氣，使加入的鋁塊完全氧化成Al2O3進(jìn)入渣層；

(3)加入白灰造渣，適量螢石調(diào)整爐渣流動(dòng)性；

(4)采用鋁粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，鋼水成分及溫度滿足工藝要求時(shí)進(jìn)行真空脫氣處理，真空處理前調(diào)整鋼中[Al]含量；

(5)真空結(jié)束后不進(jìn)行終脫氧，軟吹、吊包出鋼；

(6)鑄錠澆注時(shí)中間包澆注溫度按1570～1590℃進(jìn)行控制。

1.2 存在的問題

材質(zhì)為20Mn-C的鍛件主要用于生產(chǎn)船用舵桿和舵銷，超聲檢測(cè)執(zhí)行船級(jí)社[68號(hào)]文件，采用平底孔當(dāng)量法進(jìn)行無損檢測(cè)，具體驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)鍛件直徑大小不同，一般密集缺陷當(dāng)量直徑不超過?2 mm，單個(gè)缺陷當(dāng)量直徑不超過?4 mm。以大型船用舵桿為例(見圖1)，煨彎處(圖1所示C區(qū))多次發(fā)現(xiàn)超標(biāo)當(dāng)量缺陷。C部距Q點(diǎn)560 mm范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)?2～?4 mm密集缺陷，深度172～340 mm，最大反射當(dāng)量?6 mm，呈環(huán)帶分布；D部發(fā)現(xiàn)?2～?3 mm密集缺陷，深度28～270 mm，最大反射當(dāng)量?6 mm，呈環(huán)帶分布；其它部位未發(fā)現(xiàn)記錄缺陷。

圖1 某船用舵桿外觀形貌Figure 1 The appearance of a marine rudder

材質(zhì)為20SiMn的鍛件主要用于制造水輪機(jī)空心主軸，軸兩端帶有法蘭，中間帶軸嶺，如圖2所示，超聲檢測(cè)執(zhí)行JB/T 1270—2014標(biāo)準(zhǔn)或DIN EN 10228-3:2016標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求密集缺陷當(dāng)量直徑不超過?5 mm，單個(gè)缺陷當(dāng)量直徑不超過?8～?10 mm。檢測(cè)時(shí)軸嶺部位(圖2所示A區(qū))多次發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，且缺陷尺寸大、數(shù)量多，以單個(gè)缺陷為主。機(jī)加后無損檢測(cè)，在軸嶺(圖示A部)發(fā)現(xiàn)7處超標(biāo)單個(gè)缺陷，最大當(dāng)量直徑?11.6 mm，以及10處單個(gè)記錄缺陷。

圖2 某主軸外觀形貌Figure 2 Appearance morphology of a spindle

2 問題定性及研究?jī)?nèi)容

2.1 問題鍛件解剖分析

經(jīng)過對(duì)2014年生產(chǎn)的一件20Mn-C材質(zhì)鋼錠的其中一處無損檢測(cè)缺陷進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)其主要為MnS，并伴生少量的氧化物。高倍檢驗(yàn)及斷口掃描電鏡分析情況如圖3所示。圖4為某一材質(zhì)為20SiMn的水輪機(jī)主軸無損檢測(cè)缺陷超標(biāo)，解剖后的斷口微觀形貌及能譜分析結(jié)果。

圖3 船用20Mn-C產(chǎn)品高倍檢驗(yàn)及掃描電鏡斷口分析Figure 3 Microscopic inspection and scanning electron microscope fracture analysis of 20Mn-C marine products

圖4 20SiMn水輪機(jī)軸缺陷斷口掃描電鏡及能譜分析Figure 4 Scanning electron microscope and energy spectrum analysis of 20SiMn turbine shaft defect fracture

2.2 研究?jī)?nèi)容

2.2.1 MnS夾雜物變性的研究

相關(guān)文獻(xiàn)都提出精煉后期進(jìn)行Ca線或Ti鐵喂絲對(duì)MnS進(jìn)行變質(zhì)處理，有助于解決MnS偏析、夾雜的問題。與硫元素結(jié)合生成硫化物的強(qiáng)弱順序依次為：鈣、鋇(鈰)、鎂、鈦、錳，因此鈣元素常用來作為MnS的改質(zhì)劑[3]。試驗(yàn)表明，向鋼中加入鈣合金可以促使硫化物由長(zhǎng)條狀向紡錘狀轉(zhuǎn)變，當(dāng)硫化物中的鈣含量大于0.7%，硫化物的長(zhǎng)寬比小于3時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榧忓N形。但統(tǒng)計(jì)2012～2016年碳錳鋼終脫氧劑選用與超聲檢測(cè)的規(guī)律，似乎與此不一致，見表4，無終脫氧時(shí)廢品率反而更低。對(duì)此分析認(rèn)為，喂絲效果除了與喂絲的種類、質(zhì)量、數(shù)量有關(guān)外，與喂絲的操作(如喂絲管口與熔體液面的距離、喂絲速度、熔池大小、熔體溫度、吹氬強(qiáng)度等)也有很大關(guān)系，同時(shí)也與喂絲后到澆注的時(shí)間間隔有關(guān)系。特別是對(duì)于喂絲的最終效果，即鋼液[Ca]或[Ti]的含量都沒有檢測(cè)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性的合金回收率是不能滿足判定喂絲效果的。結(jié)合該廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，喂線后取樣分析鋼液中[Ca]含量極低，因此判斷依現(xiàn)有喂線操作，未達(dá)到對(duì)硫化錳變性的目的。在后續(xù)生產(chǎn)中需要對(duì)喂線操作進(jìn)一步細(xì)化，改進(jìn)喂絲機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)鋼種成分及噸位，計(jì)算喂線量和喂線速度。

表4 終脫氧合金類型與質(zhì)量關(guān)系Table 4 The relationship between the type of alloysfor final deoxidation and its quality

2.2.2 偏析的控制研究

在實(shí)際取樣中，50Mn-C中[S]大多為(20～30)×10-6，也有22件為(40～80)×10-6，這22件中廢品率為9.1%；20Mn-C產(chǎn)品中[S]大多為(20～30)×10-6，有3件為(40～50)×10-6，這3件廢品率為100%。因此[S]含量在較低水平時(shí)，其相對(duì)大小似乎與夾雜物質(zhì)量問題不成正比關(guān)系，同時(shí)也表明簡(jiǎn)單地降低[S]含量可能達(dá)不到完全解決夾雜物的目標(biāo)。在第18屆重機(jī)行業(yè)煉鋼年會(huì)上，中科院學(xué)者提出夾雜物通道偏析理論[4](見圖5)，全氧含量對(duì)偏析形成具有關(guān)鍵作用。如果氧含量低，即使硫含量較高也幾乎不產(chǎn)生偏析；反之，如果氧含量較高，即使硫含量很低也會(huì)產(chǎn)生偏析。該分析不同于傳統(tǒng)的控S、控P抑制偏析的理念，可見抑制偏析需采取措施盡可能降低鋼水中[O]含量。

圖5 夾雜物通道理論Figure 5 Inclusion channel theory

2.2.3 元素含量對(duì)MnS析出規(guī)律影響的研究

在化學(xué)成分上，20Mn-C與50Mn-C的[Mn]、[S]含量基本相同，但實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果20Mn-C的廢品率遠(yuǎn)高于50Mn-C。通過對(duì)比兩鋼種的成分，發(fā)現(xiàn)50Mn-C鋼中[C]含量高。有學(xué)者模擬了不同元素對(duì)20Mn鋼中MnS夾雜物析出溫度的影響[5]，模擬計(jì)算結(jié)果見表5、表6。從表中可以看出，對(duì)MnS夾雜物析出溫度的影響從大到小的次序?yàn)镸n、C、Si、P、S、Ni，其余元素的影響可忽略，因此實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能控制各元素含量，尤其是Mn、C、Si元素含量，以降低硫化錳的開始析出溫度。含碳、含硅量增加，會(huì)導(dǎo)致鋼的熔點(diǎn)顯著降低，進(jìn)而導(dǎo)致MnS夾雜物的析出溫度隨固相線的降低而下降。同時(shí)[C]含量增加時(shí)，鋼的液相線、固相線均下降，在鋼水凝固結(jié)晶時(shí)枝晶粗大發(fā)達(dá)抑制了MnS偏析。

表5 不同元素對(duì)20Mn鋼MnS夾雜物析出溫度的影響Table 5 Effect of different elements on the precipitationtemperature of MnS inclusions in 20Mn steel

表6 含碳量對(duì)20Mn鋼液相線、固相線及MnS夾雜物析出溫度的影響Table 6 Effect of carbon content on liquidus, solidphase and precipitation temperatureof MnS inclusions in 20Mn steel

3 工藝優(yōu)化及生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 工藝方案制定

根據(jù)前期試驗(yàn)及研究?jī)?nèi)容，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料以及實(shí)際產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)(2014年和2017年)，明確了煉鋼工藝思路，即精煉爐造高鋁渣，加鋁深度脫氧，真空處理前[Al]≈0.04%，出鋼前加鈣終脫氧對(duì)MnS夾雜進(jìn)行變性，適當(dāng)降低澆注溫度。煉鋼工藝要點(diǎn)如下：

(1)化學(xué)成分中[Mn]由1.15%～1.30%適當(dāng)降低，以降低硫化錳的析出溫度；

(2)粗煉鋼水兌入前精煉包底加鋁塊，用量較之前工藝適當(dāng)降低；

(3)加入白灰、鋁氧粉造高鋁渣，用鋁粉擴(kuò)散脫氧；

(4)成分及溫度合適進(jìn)行真空脫氣處理，真空前控制[Al]≈0.04%；

(5)真空結(jié)束，氣體[O]低于25×10-6時(shí)喂鈣線，按[Ca]≈0.02%控制，控制喂線速度在200 m/min左右，喂線結(jié)束后進(jìn)行軟吹、出鋼；

(6)中間包澆注溫度為1570～1590℃中下限控制。

3.2 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

(1)經(jīng)過對(duì)20SiMn材質(zhì)煉鋼工藝方案進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)后，產(chǎn)品合格率大幅提升，尤其是水輪機(jī)大軸，2017年以后超聲檢測(cè)合格率大幅提高到95%，效果明顯。

(2)2019年投料的材質(zhì)為20SiMn中空軸單件重量約為21 t，原錠型124 t鍛造2件產(chǎn)品，鍛件高徑比很小，鍛造變形大。由于超聲檢測(cè)較水機(jī)軸JB/T 1270—2014標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)，按老工藝投料6件產(chǎn)品中有2件因無損檢測(cè)缺陷超標(biāo)打廢。采用優(yōu)化后的工藝，為減輕凝固時(shí)枝晶間形成溶質(zhì)富集，導(dǎo)致枝晶間元素濃度升高和顯微偏析現(xiàn)象的發(fā)生，采取一錠鍛一件的方式生產(chǎn)，錠型由124 t降為53 t，再投料生產(chǎn)的8件無損檢測(cè)全部合格。20Mn-C等船軸鍛件由于市場(chǎng)訂貨的原因，后期很少投料，暫時(shí)無法驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于碳錳鋼模鑄鋼錠，LF爐采用CaO-Al2O3精煉渣系，并使用鋁質(zhì)脫氧劑深度脫除鋼水中氧含量，對(duì)于減少鋼錠偏析、抑制硫化錳的形成，效果明顯。

(2)在滿足產(chǎn)品性能的前提下，適當(dāng)提高含碳量，會(huì)顯著降低鋼的熔點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致MnS夾雜物的析出溫度隨固相線的降低而下降，同時(shí)降低錳含量也會(huì)使MnS的析出溫度降低，有利于減輕硫化錳夾雜的形成。

(3)對(duì)于碳錳鋼等易偏析的鋼種，喂鈣線對(duì)MnS夾雜進(jìn)行變性處理，形成MnS包裹氧化物的復(fù)合夾雜物，同時(shí)適當(dāng)提高澆注溫度使夾雜物充分上浮，可大幅提高產(chǎn)品合格率，但生產(chǎn)時(shí)喂線操作對(duì)夾雜物變性的效果影響很大，需根據(jù)鋼種成分包括氣體成分計(jì)算確定。