250 mm厚耐热钢F5水冷模铸的生产实践

Production Practice of 250 mm Thick Heat Resistant Steel F5 by Water-Cooled Die Casting

摘要: 本研究通过优化生产工艺，控制冶炼操作，实现了采用“转炉 + LF精炼炉”流程生产出了低碳中合金钢；通过拥有自主知识产权的水冷模铸法浇铸，配合特殊加热、轧制工艺，生产出了250 mm规格大厚度保S2E2探伤的钢板；通过合理的切割工艺，实现了中合金钢用传统的火焰切割法切割。

Abstract: By optimizing the production process and controlling the smelting operation, the low carbon me-dium alloy steel has been produced by the process of converter + LF refining furnace. By resorting to water-cooled die casting with independent intellectual property rights, 250 mm steel plate with large thickness and keeping S2E2 flaw detection was produced by combining with special heating and rolling process. Then, the traditional flame cutting method for medium alloy steel was realized through reasonable cutting technology.

1. 前言

由于中高合金钢坯/锭内部应力大，因此该类合金钢生产过程中钢锭裂纹、切割面裂纹、钢锭与钢板防炸裂、探伤、高低倍组织将是生产过程中控制的难点和重点。为了避免炸裂及裂纹产生，同时为了保证钢锭内部质量，一般情况下，采用常规铸铁模生产，好处是锭模散热慢内部质量好且锭模保温能够释放钢锭内部应力。

近期，我公司与客户甲签订一单250 mm规格F5合同，其F5要求合金含量达6.5%~7.4%，属于中合金钢，受合同量限制，只能采用我公司自主知识产权的水冷模铸锭生产，而我公司之前未采用水冷模生产合金含量高的钢种，对我公司来说，是一个极大的挑战。

根据协议要求，该合同保化学成分、保S2E2探伤，保高低倍组织，其化学成分要求如表1：

Table 1. F5 composition table

表1. F5成分表

2. 生产总体情况概述

本钢种根据合同技术协议要求：交货状态为热轧两切，保化学成分，保S2E2探伤。采用模铸生产，锭型为46.4 t常规水冷模，规格为250 * (2000 - 2300) * L，成材率82%。

围绕本钢种生产的难点和重点，生产过程需重点做好以下几方面控制：

a. 冶炼环节：钢水精炼夹杂控制、B元素控制、H含量控制；

b. 钢锭管理：及时堆冷，带温清理，清理大于面积50%；

c. 钢锭加热：带温装炉，慢速升温，延长闷钢；

d. 轧制堆冷：低温、高速、大压下，高温下线，做好缓冷；

e. 钢板切割：带温切割，切后立即转运；

f. 去应力：采用高温退火，以消除内部应力。

通过以上各环节的控制，最终实现了：冶炼成分全部内控；N、H、O、S、P大五有害元素含量小于150 ppm；钢板外检合格率100%；探伤合格率100%；两张钢板采用火焰切割的方式切为6块，所有切割面未有异常。最终全部顺利入库发货。

3. F5生产关键技术和工艺要点

3.1. 模铸冶炼

本钢种冶炼工艺流程：铁水(KR脱硫)→转炉(氩站)→VD真空氧脱碳 [1] →LF精炼→VD真空处理→模铸浇注。

3.1.1. VD真空氧脱碳

降低钢水氧含量是控制钢水各种内生夹杂的关键，同时根据本钢种特点，必须控制钢水初始C含量在一个较低的水平。因此在本钢种生产时采用了“VD真空氧脱碳”工艺。其原理如下：

钢水中[C]、[O]反应公式如下：

$\left[\text{C}\right]+\left[\text{O}\right]=\text{CO}\uparrow$ (1)

$\lg k=\lg \frac{P_{co}}{a\left[c\right]a\left[o\right]}=\frac{1160}{T}+2003$ (2)

由公式(1)和(2)得：

$a\left[c\right]a\left[o\right]=\frac{P_{co}}{k},k={10}^{\frac{1160}{T}+2003}$ (3)

$a\left[c\right]=\frac{P_{co}}{k*a\left[o\right]}$ (4)

$a\left[c\right]$ 和 $a\left[o\right]$ 分别表示C和O的浓度，k为平衡常数，T为钢水温度，P_co，表示真空中CO分压。

由公式(3)可以看出，平衡常数仅与钢水温度T有关，在一定温度下，减少CO的分压P_co，可以极大的降低C、O深度积 $a\left[c\right]a\left[o\right]$ 。在降低P_co的同时，增大[o]可极大的降低钢水中碳的浓度。

利用以上原理，转炉出钢后不进行钢水脱氧和合金化，直接以合适的温度进入VD进行真空处理，根据我厂生产数据，可将钢水碳含量控制到0.01%以下。

3.1.2. C成分控制

本炉理论合金加入量104 kg/t，LF精炼纯加热时间60分钟，合金增碳及加热增碳约0.09~0.11%。因此C成分控制是难点，LF精炼一加热碳含量必须≤0.03%，冶炼时间需控制在2 h以内。

实际工艺执行情况，VD残氧脱碳保压10分钟，LF精炼一加热碳含量0.03%，过程配加碳粉10 kg，纯加热时间67 min，成品碳0.13%。成品成分如表2：

Table 2. Finished product analysis of F5

表2. F5成品分析

3.1.3. 精炼造渣

钢水脱氧值是精炼造好白渣的关键，为此在VD残氧脱碳的同时，根据工艺要求补加碳粉若干，以达到钢水C、O同时去除(以CO气体的形式排出钢水)的效果。在此基础上，LF精炼过程中增加前期脱氧剂、石灰的加入量，以尽快造出粘稠合适的泡沫性白渣。二加热阶段醮渣变白，白渣保持时间满足工艺要求。

3.1.4. VD脱气

钢水H含量高会加剧钢锭/钢板的裂纹敏感性，本炉要求VD产前试车确认，保压标准按照H含量1.3 ppm以下控制；

实际预抽6 min，保压20分钟，H含量测定值和破空温度全部一次达到工艺要求。

3.2. 钢锭管理

3.2.1. 钢锭堆冷

本炉钢锭严格按照工艺要求，浇毕10 h脱模，脱模后1 h内转之缓冷坑，采用集中堆放、上部热锭覆盖的方式堆冷；钢锭在装炉前始终保持带温集中堆放状态。

3.2.2. 钢锭清理

本炉两支钢锭在堆冷12小时后于安排热清，清理温度约300℃；对于裂纹敏感区采取的清理方式为：中部通清，清理面积不小于50%。清理过程中仅1支钢锭单面头部存在20 mm * 300 mm裂纹，清理结果符合要求。清理情况见下图1和图2：

Figure 1. Ingot crack diagram

图1. 裂纹清理图

Figure 2. Cleaning effect diagram

图2. 清理效果图

3.3. 钢锭加热

由于Cr含量高达到5%，加热最高温度需控制，按照现行III组钢工艺执行，对最高加热温度和钢锭表面温度进行了工艺优化。具体加热曲线如下图3：

Figure 3. Ingot heating curve

图3. 钢锭加热曲线

3.4. 钢锭轧制

钢锭采用热轧的轧制方式，执行“高温、低速、大压下 [2] ”工艺，过除鳞箱后表面一次铁皮情况良好，开轧温度均>1020℃，后三道次压下量按照50 mm，轧制平均电流6000~6500 A，终轧温度 > 980℃，轧制热态公差按照4.5~5.0 mm控制；

为保证钢板拆垛后具备高温火切条件，轧后采用夹钳高温下线，集中堆冷48 h后视钢板温度进行拆垛切割。

3.5. 带温切割

根据我厂生产实际，因缓冷和切割工艺执行不当，已造成多起碳素钢、铬钼钢钢锭、钢板炸裂及切割面出现延时裂纹，从而对生产和合同履约造成了重大影响。因此针对本钢种必须强化带温切割和堆冷工艺。

待钢板堆冷到达时间后，对其进行拆垛，钢板实际测温150℃~180℃，满足工艺要求，之后立即转至火切场进行切割处理，切割时控制切割方式，限定切割温度和切割时间。同时提前做好下步安排，切割完毕后1 h内转至下道工序。

3.6. 高温退火

退火工艺：钢板150℃~200℃进台车炉，在560℃~580℃恒温保持10 h，然后转缓冷坑缓冷至50℃左右拆垛。堆冷过程中做好监控，禁止倒垛和提前拆垛。

3.7. 检测环节

3.7.1. 探伤

钢板按照EN10160-1999探伤标准执行，探伤结果全部满足S2E2要求，合格率100%。

3.7.2. 外检

外检6块，初检合格6块，最终正品发货6块，正品率100%。

3.7.3. 低倍情况

根据GB/T 226-2015要求，对250 mm钢板进行检测，结果如下表3：

Table 3. Non-destructive testing table for steel plate

表3. 钢板探伤检测情况表

3.7.4. 成分偏析分析

1) 取样分析

为进一步分析采用水冷模铸生产中合金钢板成分偏析情况，为性能稳定性提供参考，在钢板不同部位进行了取样和成分分析，取样情况如图4：

注：尾部宽1/2取样，厚度方向从上到下编号1-2-3； 尾部边部取样，厚度方向从上到下编号4-5-6； 头部宽1/2取样，厚度方向从上到下编号7-8-9； 头部边部取样，厚度方向从上到下编号10-11-12。

Figure 4. Schematic diagram of sampling position of steel plate

图4. 钢板取样位置示意图

采用M10直读光谱分析仪对各位置取样进行光谱成分分析，分析结果如表4：

Table 4. Spectral component analysis

表4. 光谱成分分析

注：红色代表高值，绿色代表低值。

按照以下公式：

$k=\left|1-k_0\right|$ (5)

$k_0=\frac{C_1}{C_0}$ (6)

k表示分配系数，k₀表示分配比，C₁表示任意处某成分浓度，C₀表示熔炼成分浓度。

最终算得各成分偏析系数如表5：

Table 5. Segregation coefficients of elements in F5

表5. F5各元素偏析系数

Table 6. Segregation coefficients of different elements in iron [3]

表6. 不同元素在铁中的偏析系数 [3]

2) 结果分析

根据取样光谱分析情况，可得出以下结果：

a. 成分偏析相对较大元素为C、P、Als (浇钢未采取保护浇铸，浇钢过程钢水吸氧，导致Als降低)；

b. 正偏析较大的部分出现在钢板头部厚1/2处；负偏析较大的部分多出现在钢板尾部厚1/2处；整体偏析情况符合模铸法钢锭偏板情况分布趋势；

c. 铬元素含量为4.86%，其偏析系数为0.04%，偏析程度较低；

d. 采用水冷模铸生产，钢板整体成分相对均匀，与表6各元素分配系数相比，各成分偏析都要明显优于参考数据。

3) 偏析原理分析

a. 依靠铜板通水强制冷却，促使锭模内的钢水尽快消除过热度，减轻钢锭发达的柱状晶，确保钢锭中心组织较致密，同时大大减轻中心偏析的影响；

b. 采用大的宽厚比，以增加钢锭的比表面积，从而增大冷却强度，细化晶粒，减轻疏松和偏析，从而提高本体凝固过程的凝固率；

c. 为保证钢锭本体的充分补缩，防止二次缩孔和中心疏松产生。采用钢锭本体厚度方向上的较大锥度以形成喇叭口的补缩通道，使液相穴前沿呈V型，考虑到水冷铜板的加工制作难度，取钢锭大面锥度为0.6%~0.8%；

d. 就现场生产实际而言，一般采取高温慢、低温快、开浇稳、跟流准，到模帽接口减流，保证流不散，圆流浇铸的原则。

4. 结论

通过以上分析，得出以下结论：

1) 可采用“转炉 + VD”生产低碳中高合金钢；

2) 通过工艺优化和控制，利用我厂现在设备可以生产250~350 mm保国标探伤超厚板；

3) 通过合适的工艺控制，可以利用传统火焰切割对高碳、高合金钢进行切割；

4) 我厂水冷模铸生产的产品具有成分偏析小、内部质量优良等优势，能满足大特厚度钢板的研发和量产需求。