常龍軍

(中國第一重型機械有限公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

水電作為可再生清潔能源，在我國能源發(fā)展中占有極其重要的地位。水輪機是水力發(fā)電的重要組成部分，而水輪機主軸鍛件是水輪機的關鍵部件。水輪機主軸質(zhì)量的好壞，直接關系到水輪機能否安全、平穩(wěn)、高效地運行。

1 技術要求

2020年公司承接了一批水輪機主軸鍛件產(chǎn)品，材質(zhì)20SiMn，要求執(zhí)行JB/T 1270—2014《水輪機、水輪發(fā)電機大軸鍛件技術條件》標準。

1.1 化學成分

熔煉化學成分如表1所示。

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

1.2 超聲檢測

鍛件外圓表面應進行超聲檢測，其結果應符合以下規(guī)定：

(1)不允許存在白點、裂紋、縮孔等缺陷。

(2)當量直徑小于?5 mm的缺陷不計。

(3)不允許存在當量直徑?5 mm及以上的密集缺陷。

(4)允許有單個、分散的當量直徑為?6～?10 mm的缺陷存在，但相鄰兩缺陷的間距不小于較大缺陷直徑的五倍。

2 技術難點

以前公司生產(chǎn)材質(zhì)為20SiMn的軸類鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在超聲檢測不合格。通過多次對無損檢測不合格件解剖分析，發(fā)現(xiàn)造成無損檢測不合格的主要原因是鍛件中存在大尺寸的條帶狀MnS夾雜物。由于凝固過程中熱力學和動力學的原因，凝固過程會產(chǎn)生偏析，在偏析處出現(xiàn)過飽和的Mn、S元素，從而發(fā)生反應析出MnS。

此批主軸鍛件(?2010 mm×10190 mm)為整體鍛件，尺寸較大，單件重140 t，核算為鋼錠421 t。鋼錠錠型越大，其內(nèi)部成分偏析越嚴重，內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定性越差，制造難度越大。偏析嚴重不僅會出現(xiàn)大量MnS，造成缺陷超標，還會影響鍛件產(chǎn)品的組織和性能，并且難以在后續(xù)的熱加工中消除。

3 冶煉工藝方案制定

3.1 工藝路線

根據(jù)檢驗要求，制定工藝路線，見表2。

表2 工藝路線Table 2 Process route

3.2 對MnS夾雜物的控制

MnS是鋼中最常見的非金屬塑性夾雜物之一，它的尺寸、形狀和分布嚴重影響著鋼的性能。由于MnS具有良好的塑性變形能力，在鍛造過程中會沿軋制方向延展成為大尺寸長條狀，形成無損檢測超標缺陷，所以希望鋼中MnS夾雜物為較小尺寸的球形或紡錘形，這樣才會在后續(xù)鍛造過程中變形較小，因此鋼中MnS夾雜物尺寸、形態(tài)、數(shù)量及分布等方面的控制顯得尤為重要。Tsunekage N等[1]研究表明，與硫元素結合生成硫化物的強弱順序為：Ca>Sr≈Ba≈La≈Ce>Nd> Th>U>Mg>Zr>Ti>Mn>F，故可利用鈣與硫較強的結合能力使硫化物變性，即將塑性變形能力強的MnS變?yōu)榍蛐胃呷埸c且不易變形的CaS。由于Ca元素在鋼液中的溶解度較低，且飽和蒸汽壓較高，在與高溫鋼液接觸后，一部分Ca會以氣泡形式從熔池中逸出，因此在鋼水精煉真空處理后再進行鈣處理，以便提高Ca的收得率。相關研究表明，當Ca/S=0.5～0.7時，鈣變性Al2O3的同時變性MnS；Ca/S再大時，鈣除繼續(xù)變性Al2O3外，還全部取代錳形成CaS。因此，為了鈣處理取得良好效果，鋼水經(jīng)鈣處理后使Ca/S=0.7～1.5為佳。

3.3 化學成分的制定

陳士富等[2]研究了錳鋼中各元素對MnS析出的影響，結果表明，對MnS夾雜物析出影響較大的元素次序為Mn、C、Si。據(jù)相關文獻報道，鋼水中元素Si、P、S、O含量越高，鋼錠A型偏析越嚴重。由于Ca金屬比較活潑，極易與氧發(fā)生反應，為了提高鈣的收得率，鈣處理前控制鋼水中[O]≤20×10-6。

劉洋等[3]相關研究表明，S元素最大存在4倍偏析，Mn元素最大存在1.3倍偏析。在保證性能前提下，對鋼中部分元素按下限控制(如表3所示)，不僅能減輕A型偏析，還可有效抑制MnS夾雜物析出。由于此批主軸鍛件所用鋼錠錠型較大，需要三爐鋼水合澆而成，且鋼錠凝固時間較長，在鋼錠自下而上凝固過程中，各元素在液相中有足夠時間擴散，因此鋼錠會出現(xiàn)嚴重的成分偏析。為了減輕成分偏析，采用反偏析澆注工藝，對三爐鋼水中部分元素含量進行不同控制。

表3 化學成分控制(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Chemical composition control(mass fraction, %)

4 冶煉過程實施

4.1 粗煉環(huán)節(jié)控制

根據(jù)產(chǎn)品熔煉成分要求和鋼水量要求，選用優(yōu)質(zhì)的鋼鐵原材料進行配爐，從根源控制鋼水中殘余有害元素含量。為保證熔煉鋼水中P含量滿足內(nèi)控要求，需要強化冶煉操作，利用氧槍提前吹氧助熔，為去除鋼水中的P以創(chuàng)造良好條件，并通過放渣換新渣等手段，控制粗煉鋼水中P含量小于0.002%，避免后期精煉調(diào)整合金過程中增P。出鋼前在精煉包包底加入一定量鋁塊，并采用留鋼留渣方式出鋼，防止氧化渣進入精煉包在精煉脫氧后回磷。

4.2 爐外精煉要點控制

在LF爐內(nèi)按4∶1的比例加入活性石灰和氧化鋁，為了最大限度降低鋼水中氣體氧的含量，采用強脫氧劑鋁粉和碳粉進行擴散脫氧，待脫氧完成后進行合金化操作。整個精煉期間采用氬氣底吹攪拌，均勻鋼水溫度和化學成分，促進夾雜物上浮，強化冶金效果。除C元素之外的所有元素調(diào)入內(nèi)控值后，為了保證深度脫氧效果，真空處理前鋼水中加入鋁鐵，使[Al]≈0.04%，提升鋼液溫度至1650～1660℃范圍內(nèi)，進行VD真空脫氣處理。在高真空條件下保持20 min，并在此期間調(diào)高氬氣流量，加大氬氣攪拌力度，使H、O、N等氣體隨同氬氣氣泡一同上浮，另外氣體上浮過程中還會有吸附夾雜物的作用。真空結束后，取氣體樣分析鋼液中H、O、N含量。由于喂鈣線過程中鈣的收得率較低，約20%左右，而鋼水中硫含量為0.002%，后期澆注時鈣元素還會被氧化消耗，故鈣線喂入量按[Ca]≈0.02%計算，借用喂線機將包裹著硅鈣粉末的鋼帶以150～200 m/min的速度垂直插入鋼水內(nèi)部。喂線結束后，調(diào)低氬氣流量，防止鋼水液面裸露被氧化，保證軟吹10～15 min，調(diào)整好鋼水溫度后出鋼，各爐次實測熔煉化學成分如表4所示。

表4 化學成分檢測結果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Test results of chemical composition(mass fraction, %)

5 真空澆注過程控制

鋼錠模、底盤、冒口等附具要清理干凈，確保與鋼水接觸面無鐵銹、殘鋼、殘渣等。砌筑完的導流管、冒口清理干凈后要進行烘烤，蒸發(fā)去除殘留在耐材中的水分。所用附具裝配完成后，清理干凈中間包內(nèi)的灰塵，并對其進行烘烤，保證鋼水澆注前烘烤溫度大于800℃。精煉爐出鋼時中間包停止烘烤，并在中間包內(nèi)注入氬氣進行置換，避免鋼水被二次氧化。

真空澆注過程在真空壓力67 Pa以下進行，澆前對各精煉包水口外引流，確保燒氧產(chǎn)物被完全引出。精煉包水口采用吹氬滑板打開方式，避免燒氧產(chǎn)物卷入中間包無法上浮去除而污染鋼液。對鋼水注流全程進行氬氣保護，防止鋼水被二次氧化。澆注過程中中間包采用芯桿吹氬，氬氣氣泡隨鋼液進入真空室后，由于真空作用，氣泡爆破打碎鋼流，增強真空狀態(tài)下去除鋼液中氣體和夾雜物的效果。

6 結語

采用此工藝方式共制造5支主軸鍛件，其成品化學成分檢驗均滿足技術要求，并且在機加工后進行超聲檢測，除一支主軸無損檢測發(fā)現(xiàn)兩個?5 mm單個記錄缺陷外，其它四支主軸鍛件均未發(fā)現(xiàn)記錄缺陷，產(chǎn)品無損檢測結果完全滿足技術要求。