CN109504815B - 一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法，包括：抑制10‑30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物，细化等轴晶晶粒，保证搅拌效果，保证凝固组织均匀性，保证两相区凝固的一致性。本发明通过抑制10‑30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物生成、浸入式水口设计、过热度和结晶器电磁搅拌调整、末端电搅调整、控制凝固末端回温的方法，以减低减少大颗粒疏松点，降低疏松级别，提高铸坯心部质量。

Description

一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的 方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法。

背景技术

大型法兰制造领域里，圆坯锻造较模铸锻造工艺在提高成才率、控制制造成本、降低生产能耗等方面具有巨大优势。近几年，经过对法兰用钢的技术积累，就采用大圆坯锻造大型用法兰，已经形成了一套成熟的工艺。例如：在控制原材料非金属夹杂物纯净度方面，保证强度和低温冲击功方面，锻件表面、内部质量控制方面等等，在上游的大圆坯生产工艺和下游的锻造加工工艺，均有着独特的控制技术。

随着大型法兰市场的发展，对表面和内部质量的要求日益提高，特别是随着圆坯吨位和断面的增大，下游大型锻件工序的探伤不合率成为最为突出的问题。为了改善这一问题，上下游的相关单位做了大量的工作，例如：对上游企业而言，在优化冶炼-精炼-连铸工艺方面不断探索，在钢水夹杂物、成分均匀性等方面达到了很高的控制水平；对下游企业而言，在加热-锻造-热处理工艺方面不断优化，在加热奥氏体晶粒控制、锻造工艺优化等方面已经做到了极致。这些工作针对一些固定类型的锻造开裂起到了至关重要的抑制作用，例如：原材料表面缺陷或非金属夹杂物引起的锻造开裂，奥氏体晶粒(过热或加热不均)引起的锻造开裂，锻造或热处理工艺不合理引起的开裂等等。

随着圆坯断面的增加，凝固过程进入慢速凝固工艺范畴，中心区域不可避免存在着密集型疏松缺陷。虽然形成这种缺陷的机理早已明确，但几乎没有可有效抑制这种缺陷的方法。就控制手段而言，大部分生产单位采取了高真空脱气、降低钢水过热度、调整二冷水冷却、提高电磁搅拌强度、采用末端电磁搅拌等措施，这些措施很多企业执行很到位，但是并不能有效控制大圆坯中心疏松疏松这种缺陷。相反，大量工业试验的结果却证实，很多措施效果不佳：例如：几乎所有锻造用大圆坯单位都采用真空处理工艺，中心疏松并无明显改善；钢水过热度过低，反而易出现流动性和夹杂物聚集的问题；大圆坯二冷水普遍较弱可调范围有限，所谓的增大或减弱比水量，对中心疏松无任何改善效果；盲目增加结晶器电搅，反而易造成严重的锭型偏析；末端电磁搅拌效果不稳定，长时间摸索仍无法获得满意的效果等等。

虽然这些措施一定程度上对大圆坯中心疏松起到了一定的改善作用，但在随后的锻件无损探伤方面，也只能保证Ⅲ、Ⅳ级探伤的满意度，在Ⅰ、Ⅱ探伤方面存在着大量的临界不合的现象。据其原因，在于对各控制参数缺乏整体认识，对关键控制参数认识不足，关键参数之间的搭配方式存在着误区。综上所述，亟需一种可有效抑制大圆坯中心疏松的方法。

发明内容

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法，以解决现有工艺中大圆坯中心疏松、满足环形锻件Ⅰ级无损探伤合格坯料的问题。通过抑制10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物生成、浸入式水口设计、过热度和结晶器电磁搅拌调整、末端电搅调整、控制凝固末端回温的方法，以减低减少大颗粒疏松点，降低疏松级别，提高铸坯心部质量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法，包括：抑制10-30微米的球形D/Ds类、CS(Al₂O₃/MnS)类夹杂物，细化等轴晶晶粒，保证搅拌效果，保证凝固组织均匀性，控制凝固末端铸坯回温以保证两相区凝固的一致性。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯按照重量百分比，化学成分为C＜0.18％，Si＜0.5％，Mn＜1.6％，Ceq＜0.45％；适用的断面在φ450-800的大圆坯。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述抑制10-30微米的球形D/Ds类、CS(Al₂O₃/MnS)类夹杂物包括步骤：大颗粒疏松点的形成与尺寸直径在10-30微米的D/Ds类、CS类球状夹杂物聚合，并在两相区缓慢上浮相关性很强，是控制大颗粒疏松点的关键；控制转炉终点钢水T[O]＜420ppm，控制脱氧合金化后钢水T[O]在20-40ppm，控制成品钢水T[O]＜10ppm、[S]＜5ppm、[Ca]＜5ppm，同时满足以上三个条件即可有效控制10-30微米的D/Ds类、CS类球状夹杂物的形成。因为大断面圆坯连铸过程属于慢速凝固范畴，大颗粒疏松点的形成与10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物聚合长大、在两相区缓慢上浮相关性很强，控制转炉终点钢水T[O]＜420ppm，控制脱氧合金化后钢水T[O]在20-40ppm，控制成品钢水T[O]＜10ppm、[S]＜5ppm、[Ca]＜5ppm，同时满足以上三个条件即可有效控制10-30微米的D/Ds类、CS类球状夹杂物的形成。

本发明中，作为一种优选的技术方案，细化等轴晶晶粒包括步骤：连铸浇钢采用带有底孔的四切分旋流水口，该水口下倾角为15°，控制每个侧口宽/高比在0.64-0.74，控制四个侧口截面积与中孔截面积比1.5-2.1，控制底孔与中孔面积比0.31，控制四个侧口与中孔外线相切。采用该型水口的目的不在于扩大等轴晶率，而在于增加等轴晶形核数量。

本发明中，作为一种优选的技术方案，细化等轴晶晶粒还包括步骤：调整钢水过热度和结晶器电磁搅拌强度，保证枝晶晶转变位置＜1/2R，同时满足转变区域λ₂间距在＜500μm即可，不可过于追求大的等轴晶率，以保证细化等轴晶晶粒的效果。

本发明中，作为一种优选的技术方案，保证搅拌效果具体为：调整连铸坯凝固末端电磁搅拌位置以保证搅拌效果，末端电磁搅拌位置的重要性远大于搅拌强度，控制安装位置凝固坯壳比率在50％-60％范围内，此位置非常关键，过大、过小均不利于改善中心疏松；搅拌强度以弱搅拌为主，不出现白亮带即可，不必过于追求搅拌电流和搅拌频率的搭配。

本发明中，作为一种优选的技术方案，保证凝固组织均匀性具体为：稳定拉速，大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯在单一拉速下组织生产，以确保上述搅拌位置的稳定性，同时防止液芯位置移动带来的凝固组织的均匀性上的变化，浇次第一炉不能组织此用途钢种的生产。

本发明中，作为一种优选的技术方案，保证两相区凝固的一致性，具体步骤为：控制凝固末端铸坯回温，采用具有燃气烧嘴的保温罩补偿凝固末端表面散热，保证液芯凝固所释放的凝固潜热均匀整个两相区，促使芯部两相区凝固的一致性；控制回温罩的安装位置(凝固坯壳比率)在60％-90％范围内，具有燃气烧嘴的回温罩长度＞4m；升温采用天燃气烧嘴的形式，燃气烧嘴安装在保温罩两侧壁，控制在具有燃气烧嘴回温罩区域温降＜10℃。

本发明具有如下有益效果：

1)在长期的生产总结中发现，大颗粒疏松点的形成与10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物聚合长大、在两相区缓慢上浮相关性很强，通过控制钢水夹杂物尺寸和类型，为大圆坯中心疏松的改善提供基础条件，这也是被传统观点所忽视的关键所在。

2)本发明将浸入式四切分水口当做细化等轴晶晶粒的有利手段，而不是作为扩大等轴晶晶粒的目的来使用，同时配合调整过热度和结晶器电磁搅拌强度，保证细化晶粒的效果，按照本发明的方法可有效细化等轴晶晶粒，防止大颗粒疏松点的形成。

3)本发明所涉及到的调整末端电磁搅拌通过试验反复验证所得，效果明显，位置的重要性远远大于搅拌强度，搅拌强度只需采用经常采用的正反转，保证不出现白亮带即可，不必过于追求搅拌强度，这一控制思路明显不同于传统控制方式。

4)本发明的凝固末端铸坯回温罩非常关键，不仅可利用凝固潜热均匀芯部钢水的凝固速率，而且可以有效降低铸坯中心区域的拉应力，防止凝固中心裂纹的形成。

5)本发明作为一种方法使用范围很广，对于大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯的生产，可快速确认关键控制参数，减少了工业试验周期，大大降低了试验成本。

本发明跳出了传统思路，发现除常规的控制手段之外，抑制10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物、细化等轴晶晶粒、均匀两相区凝固组织、降低芯部组织应力的方法才是最为关键的控制手段，从而确定了主要控制思路，快速确定各参数之间的配合方式，从而避免了大量工业试验带来的浪费，缩短了试验周期。

附图说明

图1(a)连铸坯中D/Ds类、CS类夹杂物形貌。

图1(b)夹杂物不同位置处的EDS能谱。

图1(c)夹杂物不同位置处的EDS能谱。

图1(d)夹杂物不同位置处的EDS能谱。

图2(a)凝固末端加回温罩下的铸坯表面和中心温度变化曲线。

图2(b)凝固末端加回温罩下的铸坯中心等效应力变化曲线。

图3(a)常用四分水口下的夹杂物轨迹。

图3(b)本发明四切分水口下的夹杂物轨迹。

图4(a)采用本发明所生产的Φ600铸坯横断面酸洗低倍。

图4(b)未采用本发明所生产的Φ600铸坯横断面酸洗低倍。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

本发明通过控制钢水纯净度抑制10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物、细化等轴晶晶粒、均匀两相区凝固组织、降低芯部组织应力的方法，解决大圆坯中心疏松级别高、存在大颗粒疏松点的问题。其实施步骤具体如下：

1、本发明所控制的钢种为低合金高强钢，以风电锻造套圈用42CrMo4为例，生产中采用转炉炼钢、LF精炼、VD精炼、Φ600mm大圆坯连铸、铸坯入坑缓冷工艺。生产中全程控氧，初炼炉终点氧含量＜420ppm，出钢过程加入钢芯铝预脱氧，控制精炼前氧含量＜40ppm，精炼碱4.5，全程白渣，精炼10min后不允许调加铝铁或喂铝线调氧。控制成品钢水成品钢水T[O]＜10ppm、[S]＜5ppm、[Ca]＜5ppm。

2、采用带底孔的四切分水口细化等轴晶晶粒，连铸浇钢采用带有底孔的四切分旋流水口，该水口下倾角为15°，控制每个侧口宽/高比在0.64-0.74，控制四个侧口截面积与中孔截面积比1.5-2.1，控制底孔与中孔面积比0.31，控制四个侧口与中孔外线相切。图2(a)和图2(b)为两种水口下50μm夹杂物运动轨迹，四切分水口流场为旋转的方式，夹杂物易被表面渣层捕捉，图2(a)所示的不带切分水口，流场过于规则，不利于降低中心钢水过热度，同时夹杂物存在逃逸的的可能。

3、所浇注过程中按照控制CET转变位置＜1/2R，同时满足转变位置λ₂间距在＜500μm的标准调整钢水过热度和结晶器电磁搅拌强度，以保证细化等轴晶晶粒的效果。

4、按照凝固坯壳比率(凝固坯壳厚/断面半径)在50％-60％范围内的要求，确定末端电磁搅拌的位置(本例为11.5m)，末端电磁搅拌的安装位置重要性远远大于搅拌强度，调整搅拌方式正反转、搅拌强度不出现白亮带即可，不必过于追求搅拌电流和搅拌频率的搭配。

5、稳定拉速以保证凝固组织均匀性，大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯在单一拉速下生产组织，同时防止液芯位置移动带来的凝固组织的均匀性上的变化，浇次第一炉不能组织此用途钢种的生产。

6、按照控制回温罩的安装位置凝固坯壳比率在60％-90％范围内、长度＞4m的要求，确定安装位置在12.5m-17.5m，图3(b)所示控制表面温降后，铸坯中心等效应力呈下降的趋势，即铸坯中心拉应力下降，改善凝固中心两相区低强度区域的组织应力；同时，有利于凝固潜热在整个两相区的释放，均匀两相区凝固速率，保证中心凝固速率的一致性。

实施例1

某钢厂采用转炉炼钢-LF精炼-VD真空-R16m弧Φ600mm大圆坯连铸-缓冷工艺生产S355钢坯，具体参数：转炉冶炼一次拉碳，防止钢水过氧化，终点钢水氧含量410ppm；出钢后采用钢芯铝、碳粉增碳，控制底吹氩强度和增碳量；精炼全程白渣，精炼碱度4.5，全程白渣，精炼10min后不允许调加铝铁或喂铝线调氧，[Al]s＜0.025％，VD采用高真空度＜67Pa下保持15min,破空后软吹≥20min，破空试样T[O]为9ppm,[s]为4ppm；连铸过热度23℃，拉速0.24m/min，采用带底孔的四切分水口，M-EMS电磁搅拌参数90A/1.6Hz，末端电磁搅拌安装位置在11.5m，搅拌参数300A、4.5Hz，二冷长度5m，冷却强度0.18L/min，回温罩安装位置在12.5m-17.5m，回温罩区域温降8℃。图4(a)为本实例得到的连铸坯，低倍组织按照YB/T4149评级中心疏松≤1.0级，缩孔0级，无中心裂纹，无大颗粒疏松点。

实施例2

与实施例1不同之处：转炉终点T[O]为550ppm，成品钢水T[O]为24ppm、[s]为8ppm，连铸过热度25℃，电磁搅拌参数200A/2Hz，采用普通不带切分水口，该水口为上倾角15°，回温罩区域(关闭燃气)温降33℃。图4(b)为本实例得到的连铸坯，低倍组织按照YB/T4149评级中心疏松≤1.5级，缩孔≤0.5级，无中心裂纹，存在大颗粒疏松点。连铸坯疏松位置处取样，在疏松位置附近发现大量的10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物，部分疏松孔洞内壁聚集硫化物。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法，所述大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯按照重量百分比，化学成分为C＜0.18％，Si＜0.5％，Mn＜1.6％，Ceq＜0.45％；且为断面在φ450-800的大圆坯；其特征在于：包括：

控制转炉终点钢水T[O]＜420ppm，控制脱氧合金化后钢水T[O]在20-40ppm，控制成品钢水T[O]＜10ppm、[S]＜5ppm、[Ca]＜5ppm，实现抑制10-30微米的球形D/Ds类、CS类夹杂物的效果，

连铸浇钢采用带有底孔的四切分旋流水口，该水口下倾角为15°，控制每个侧口宽/高比在0.64-0.74，控制四个侧口截面积与中孔截面积比1.5-2.1，控制底孔与中孔面积比0.31，控制四个侧口与中孔外线相切，调整钢水过热度和结晶器电磁搅拌强度，保证枝晶晶转变位置＜1/2R，同时满足转变区域λ₂间距在＜500μm即可，实现细化等轴晶晶粒的效果，调整连铸坯凝固末端电磁搅拌位置，控制安装位置凝固坯壳比率在50％-60％范围内，保证搅拌效果，搅拌强度以不出现白亮带的弱搅拌为主，保证凝固组织均匀性，保证两相区凝固的一致性。

2.如权利要求1所述的一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法，其特征在于：保证凝固组织均匀性具体为：稳定拉速，确保搅拌位置的稳定性，同时防止液芯位置移动带来的凝固组织的均匀性上的变化，浇次第一炉不能组织此用途钢种的生产。

3.如权利要求2所述的一种控制大型环形锻件用低合金高强钢大圆坯中心疏松的方法，其特征在于：保证两相区凝固的一致性，具体步骤为：控制凝固末端铸坯回温，采用具有燃气烧嘴的保温罩补偿凝固末端表面散热，保证液芯凝固所释放的凝固潜热均匀整个两相区，促使芯部两相区凝固的一致性；控制回温罩的安装位置在凝固坯壳比率60％-90％范围内，具有燃气烧嘴的回温罩长度＞4m；升温采用天燃气烧嘴的形式，燃气烧嘴安装在保温罩两侧壁，控制在具有燃气烧嘴回温罩区域温降＜10℃。

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