231 t超大型钢锭水冒口解剖试验研究

辛雪倩 谢全胜 梁贤淑 危亚军

(中信重工机械股份有限公司，河南471003)

231 t超大型钢锭水冒口解剖试验研究

辛雪倩 谢全胜 梁贤淑 危亚军

(中信重工机械股份有限公司，河南471003)

通过对231 t钢锭水冒口进行解剖试验，研究了超大型钢锭水冒口C、Mo元素偏析规律、组织形态、夹杂物等级，以找到改进工艺、提高钢锭质量的方法。

231 t钢锭；水冒口；解剖；偏析

大型钢锭凝固过程中发生的组织形态变化、夹杂物、成分偏析等问题严重影响着大型锻件的力学性能，并且难以直接观察。国外冶金行业大发展的重要原因之一就是坚持不断的对大型钢锭及锻件进行解剖分析，研究其内部质量以改进炼钢、锻造及热处理工艺。我国在钢锭解剖方面研究较少，尤其是大型钢锭的解剖数据，大型钢锭成分偏析研究结果等技术更是难以获得。虽然也有不少学者利用数值模拟的方法对大型钢锭凝固过程进行了预测，并且在一定领域取得了很好的效果，但很多结果尚待进一步验证。

为详细了解大型钢锭的凝固组织形态、夹杂物等级、元素偏析规律，优化大型钢锭冶炼浇注工艺，提高产品质量，对231 t钢锭水冒口进行解剖取样分析，研究水冒口元素偏析规律、组织形态、夹杂物类型等方面内容，以优化大型钢锭冶炼浇注工艺。

1 钢锭的冶炼和浇注

表1所示为231 t大型钢锭参数。冶炼浇注钢水总量为234.9 t，采用80 t电弧炉粗炼钢水，150 t钢包精炼炉精炼和在线真空脱气处理，采用两包合浇的方式经中间包真空浇注231 t钢锭。为了减少元素偏析，第一包钢水成分调整为标准成分中上限，第二包钢水成分调整为标准成分中下限，钢水标准成分及熔炼平均成分如表2所示。

2 钢锭水冒口解剖

为了不影响钢锭正常使用，本次只对大钢锭水冒口进行解剖试验。先用气割法制取试样毛坯，切除热影响区后将试样毛坯刨平，加工后试样厚度为20 mm。最后将试片切割确定成分取样位置。由于钢锭的宏观偏析是轴对称分布的，因此选取试片一半做化学成分分析，成分分析试样采用套钻取样，套料直径20 mm，取样行列间隔均为100 mm。

表1 231 t钢锭参数表Table 1 Parameters of 231 t steel ingot

表2 钢水化学成分(质量分数，%)Table 2 Chemical composition of molten steel (mass fraction,%)

加工后试样试验面的光洁度应符合要求，热酸洗试样后观察试样的显微组织和低倍组织缺陷(疏松、偏析、缩孔、裂纹、夹杂等)。将取下的试样在砂轮上磨平，用直读光谱仪逐个分析每个试样的化学成分，并分别分析水冒口处C、Mo元素偏析情况。另外，进行金相试样的制备(防止抛光面被污染、夹杂物剥落)，并对抛光面上的夹杂物按评级标准进行描述、划出其分布及形态，判定夹杂物的类型(包括塑性、脆性、点状不变形等夹杂物类型)，并分析夹杂物在水冒口处的分布情况。最后，腐蚀金相试样，进行金相组织观察并拍照，观察从边缘到中心的金相组织分布情况。

3 解剖结果分析

3.1 化学成分分析

图1和图2所示为冒口部位取样位置及C、Mo含量随与外壁距离增大的变化情况。可以看出，冒口部位C含量由外壁至中心在不同高度沿径向不断增加，距离钢锭中心部位越近，碳含量越高。从冒口下部至上部在不同半径处，C含量从下到上不断增加，冒口中心上部C含量最高。从边缘到半径的中点，C元素偏析不大，从冒口半径的中点到中心偏析迅速增加。Mo含量由外壁至中心在不同高度沿径向不断增加，距离钢锭中心部位越近，Mo含量越高。从冒口下部至上部在不同半径处，Mo含量变化不大，冒口中心上部Mo含量最高。从边缘到半径的中点，Mo元素偏析不大。从冒口半径的中点到冒口中心，偏析迅速增加。

图3和图4所示为水口部位取样位置及C、Mo含量随与外壁距离增大的变化曲线。可知水口部分不同高度上，从外壁至中心部位C含量整体变化不大，基本都在工艺要求范围之内。Mo含量在不同高度处，从水口外壁至中心沿径向呈下降趋势。在不同半径处Mo含量从水口下部至上部沿轴向呈下降趋势，中心部位上部Mo含量最低。

图1 冒口取样位置及对应C含量随与外壁距离变化曲线Figure1 Sampling location of the riser and the curve of the corresponding C content changed with its distance to the outer wall of the riser

图2 冒口取样位置及对应Mo含量随与外壁距离变化曲线Figure2 Sampling location of the riser and the curve of the corresponding Mo content changed with its distance to the outer wall of the riser

图3 水口取样位置及对应C含量随与外壁距离变化曲线Figure3 Sampling location of the head and the curve of the corresponding C content changed with its distance to the outer wall of the riser

图4 水口取样位置及对应Mo含量随与外壁距离变化曲线Figure4 Sampling location of the head and the curve of the corresponding Mo content changed with its distance to the outer wall of the riser

表3 231 t钢锭冒口夹杂物Table 3 Inclusions of 231 t steel ingot riser

3.2 夹杂物分析

表3所示为钢锭冒口夹杂物评级结果。A、B 、C类夹杂物评级较低，均在0.5级，尺寸较小。D类夹杂物评级粗系和细系较高，分别为2.0级和1.5级，说明点状夹杂物较多，颗粒尺寸较大。Ds类夹杂物评级较高，最高为2.5级，说明球状夹杂物直径较大。夹杂物评级照片如图5所示。

3.3 组织分析

钢锭冒口端区域组织不均匀，存在组织偏析及较严重的混晶现象。一个视场上，最大晶粒达2级，最细晶粒8级以上。在一些偏析区域及边缘冷却速度较快的区域有部分贝氏体组织生成(图6、图7)。其他大部分区域金相组织主要为：铁素体+珠光体，组织均匀细小(图8、图9、图10、图11)。

3.4 低倍分析

图12和图13所示分别为钢锭冒口和水口低倍处理照片。可见，大钢锭冒口部位条状偏析严重，未发现缩孔缺陷，未发现肉眼可见夹杂及其它冶金缺陷。水口边缘到中心依次为边缘等轴细晶带、柱状晶带、中心等轴粗晶带。 等轴晶带、柱状晶带都以树枝晶方式生长，存在枝晶偏析和晶间偏析。钢锭外缘及内部未发现缩孔、白点、裂纹等不允许存在的缺陷。

图5 冒口夹杂物评级照片Figure 5 Riser inclusions rating photos

图6 试样E21金相组织(500×)Figure 6 Microstructure of specimen E21

图7 试样E87偏析和混晶(100×)Figure 7 Segregation and mixed crystal of specimen E87

图8 试样E81金相组织(100×)Figure 8 Microstructure of specimen E81

图9 试样E84金相组织(100×)Figure 9 Microstructure of specimen E84

图10 试样E141金相组织(100×)Figure 10 Microstructure of specimen E141

图11 试样E144金相组织(100×)Figure 11 Microstructure of specimen E144

图12 冒口低倍照片Figure 12 Macrograph of riser

图13 水口低倍照片Figure 13 Macrograph of head

4 结论

(1)钢锭冒口端C、Mo元素存在少量负偏析，在不同高度处沿径向由边缘至中心含量不断增加，距离钢锭中心部位越近，偏析程度越高。冒口中心上部C、Mo含量最高。钢锭水口C、Mo元素含量变化不大，中心上部存在负偏析，边缘及下部存在少量正偏析。钢锭凝固会产生正偏析区和负偏析区。正偏析区位于钢锭上部及冒口部位，偏析较为严重。负偏析区位于钢锭下部及水口部位，偏析较为轻微。需要调整浇注温度改善正、负偏析。

(2)钢锭冒口部位无缩孔，表明钢锭冒口保温条件良好，冒口补缩良好，但冒口纵截面存在较严重的条状偏析。水口部位质量较好，未发现缺陷。需要调整各包浇注温度进行改善。

编辑 杜青泉

Research on Anatomical Experiment for Water Riser of 231 t Super Large Ingot

XinXueqian,XieQuansheng,LiangXianshu,WeiYajun

Anatomical experiment is carried out for water riser of 231 t steel ingot, and C, Mo segregation laws for water riser of super large ingot, organization form, inclusion level are researched to find a improved process and improve the quality of ingot.

231 t steel ingot；water riser；anatomy；segregation

2013—11—07

辛雪倩(1986—)，女，硕士研究生，主要从事特殊钢冶炼浇注工艺技术研究。

TF771

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