基于马氏体气阀钢凝固特性的连铸关键工艺设计及应用

2020-11-22吴国荣

四川冶金 2020年5期

吴国荣

(攀钢集团研究院有限公司钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川攀枝花 617000)

马氏体气阀钢属于不锈钢中的高级钢种，主要运用于汽车、战车、舰艇等内燃机的气阀。气阀钢在服役过程中面临着工作温度高、承受应力大、燃气腐蚀严重、气阀锥面磨损严重等恶劣工况，因此要求其具有高洁净度、高表面质量、高内部质量[1-2]。

长钢气阀钢连铸生产初期，表面质量差，漏钢率达到20%左右，严重影响了生产组织，降低了产品的经济效益；另外，气阀钢铸坯中心存在明显的疏松、缩孔区域，偏析严重，对最终产品的使用性能带来不良影响。因此，本文针对马氏体气阀钢连铸存在的问题，基于凝固特性分析，设计了合理的连铸工艺参数，有效提高了铸坯表面和内部质量。

1 钢种特性分析

马氏体气阀钢的成分特点为：高碳(0.35%～0.5%)、高硅(1.2%～4.0%)、铬含量不高(8%～10%)，见表1。计算表明，马氏体气阀钢钢液凝固首先析出δ相，然后发生L+δ→γ包晶反应，常温下为马氏体组织。马氏体气阀钢凝固过程包晶反应造成坯壳收缩严重，极易造成漏钢，这是马氏体气阀钢连铸过程中的重要限制性环节。

此外，马氏体气阀钢连铸凝固相变引起导热系数剧烈变化，铸坯裂纹敏感性增加。Cr元素则会显著降低钢的导热系数，钢液凝固缓慢。同时，检测表明马氏体气阀钢抗拉强度低(1300 ℃时0.0540 MPa)，热膨胀系数大(14.4×10-6)时，连铸坯容易产生裂纹[3]。

表1 典型气阀钢成分/%

图1 典型马氏体气阀钢凝固过程相组成变化Fig.1 Phase composition changes of typical martensitic valve steel during solidification

图2 典型马氏体气阀钢导热系数Fig.2 thermal conductivity of typical martensitic valve steel

基于该钢种的凝固特性，对铸坯表面质量和内部质量提出以下工艺控制思路。

2 气阀钢表面质量控制技术

由于马氏体气阀钢凝固包晶反应导致凝固收缩严重，坯壳生长不均匀，铸坯表面质量差，严重时容易发生漏钢事故[4]，因此采用合理的冷却制度以及良好的保护渣润滑进行控制。

2.1 冷却制度设计

针对气阀钢方坯对冷却均匀性要求高，在设计结晶器冷却制度时既需要保证出结晶器一定的坯壳厚度，又要尽可能地使结晶器内坯壳均匀生长。结晶器热流分布见表2，可见结晶器热流较小，有利于实现铸坯在结晶器内冷却均匀，减少因冷却偏强产生的铸坯表面缺陷，提高铸坯表面质量。

表2 方坯连铸结晶器冷却水

解剖了结晶器漏钢坯壳，见图3。沿结晶器高度方向坯壳分布较均匀，结晶器出口厚度14～15 mm，满足铸坯凝固的要求。因此，所设计的结晶器冷却制度能够促进结晶器内初生坯壳厚度均匀且稳定的生长，有利于减少因坯壳厚薄不均在坯壳薄弱处产生的铸坯表面缺陷，提高铸坯表面质量。

二冷目标温度曲线制定原则是铸坯表面温度均匀且波动较小；连铸过程中矫直应变力较大的区域，应避开钢种的高温脆性区。根据马氏体气阀钢高温脆性区来看，过矫直温度需≥950 ℃。由此设计了相应的水表。

图3 沿结晶器长度方向的凝固坯壳厚度分布Fig.3 thickness distribution of solidified shell along the length of mold

表3 二冷目标温度曲线

如图4为40Cr10Si2Mo钢方坯表面和中心温度随离结晶器弯月面距离的变化，可以看出钢液在结晶器一次冷却的作用下，方坯表面温度迅速下降，结晶器出口方坯表面温度大约为1161 ℃，温度相对较高，这是由于结晶器冷却强度低，热通量为0.8085 MW。随后在二次冷却的作用下，方坯内部热量向铸坯表面传递，在方坯表面主要通过加热二冷水散失热量，方坯表面温度逐渐降低。方坯在出二冷三区处表面温度大约为962.6 ℃。从过矫直的铸坯表面温度来看，目前拉速情况下，过矫直温度均控制在950 ℃以上，处于钢种高温塑性区，有利于保证铸坯皮下质量。

2.2 保护渣设计

气阀钢是强收缩的钢种，铸坯容易产生纵向凹陷和表面裂纹，必须保证气阀钢铸坯在结晶器内良好的润滑。为保证结晶器弱冷和均匀冷却，固态渣膜控制在1.5 mm左右，微观结构为结晶相+玻璃相[5]，设计了如下保护渣成分。

图4 方坯表面和中心温度随离结晶器弯月面距离的变化Fig.4 changes of the temperature of billet with the distance from the meniscus of the mold

表4 保护渣主要成分

为保证气阀钢在结晶器内的润滑，保护渣的粘度仅有0.249 Pa/s，熔点也仅为1143 ℃，有利于保证良好的润滑，防止粘结；保护渣的粘温曲线转折温度达到较高的1187 ℃，在弯月面处能够形成较多的结晶相，这有利于减轻弯月面处的传热，提高坯壳传热稳定性。

表5为典型拉速下保护渣液渣层厚度及消耗量，保护渣的液渣层厚度稳定在8～11 mm，为防止结晶器卷渣提供了保证；且保护渣消耗量为0.45～0.55 kg/t，消耗量适中，将有助于保证坯壳与结晶器壁之间的润滑需要，确保铸坯表面质量，防止漏钢。

表5 典型拉速保护渣液渣层厚度及消耗量情况

3 气阀钢内部质量控制技术

3.1 过热度设计

从气阀钢组织仿真结果看出，过热度增加，柱状晶发达，CET转变向铸坯中心移动，等轴晶率降低。同时，为考察不同过热度对铸坯内部质量尤其是缩孔缺陷的影响，开展了不同中包温度的现场对比试验，图6为不同过热度范围内铸坯纵向低倍连续缩孔出现的比例。

图5 不同过热度对连铸坯凝固组织的影响Fig.5 influence of different superheat on solidification structure of continuous casting billet

图6 不同过热度范围内纵向连续缩孔出现的比例Fig.6 ratio of longitudinal continuous shrinkage cavity in different superheat

中包过热度在40 ℃以上时，纵向连续缩孔比例大幅度增加达到16.31%，但中包过热度在20-30 ℃和30-40 ℃时规律不明显。明显看出低过热度6#试样的铸坯中心质量优于高过热度2#试样的铸坯中心质量。

图7 2#试样(45℃过热度)和6#试样(23℃过热度)纵向低倍比较Fig.7 longitudinal of sample 2 (superheat at 45℃) and sample 6 (superheat at 23℃)

3.2 电磁搅拌参数设计

仿真了气阀钢结晶器电磁搅拌的效果，见图8。采用结晶器电磁搅拌后，钢液冲击深度降低，降低漏钢风险。在电磁搅拌作用下，促使钢液水平方向上旋转流动，加速凝固前沿钢液流动，有利于结晶器内钢液过热度散失。

图8 采用电磁搅拌后结晶器内钢液流动行为Fig.8 flow behavior of molten steel in mold after electromagnetic stirring

从图9看出，随电流增加，结晶器内钢液过热度消除越快，超过200 A后趋势减缓。因此，建议电磁搅拌电流为200 A。

此外，仿真表明采用末端电磁搅拌后，铸坯液芯内产生水平旋流，有利于均匀化液芯内溶质分布，改善铸坯中心偏析。并且随电流增加，铸坯中心偏析先减小后增加，电流强度500 A时，铸坯中心偏析最小，建议末端电磁搅拌采用500 A。

采用末端电磁搅拌后，促进了铸坯液芯内部等轴晶形核，阻碍了柱状晶继续向铸坯中心生长，等轴晶率得到提高。末端电磁搅拌电流500 A条件下，随着搅拌频率的增加，铸坯等轴晶率增加。

图9 不同电磁搅拌作用下的结晶器内钢液温度分布Fig.9 temperature distribution of molten steel in mold under different electromagnetic stirring

图10 末端电磁搅拌作用下铸坯中心偏析Fig.10 center segregation of billet under electromagnetic stirring

图11 末端电磁搅拌频率对铸坯等轴晶率的影响(实验结果)Fig.11 influence of electromagnetic stirring frequency on equiaxial crystal ratio of billet

4 应用效果

针对马氏体气阀钢包晶相变、导热系数低、凝固收缩严重、凝固两相区长、溶质偏析严重等特点，系统制定了国内首次连铸生产马氏体气阀钢的制度。主要工艺包括：中间包低过热度浇铸，25～35 ℃为宜；结晶器弱冷，低熔点低粘度保护渣，结晶器电磁搅拌200 A，4 Hz；连铸二冷弱冷；末端电磁搅拌500 A，10 Hz。

应用表明，气阀钢铸坯质量良好，未出现凹坑、表面纵裂纹、渣坑缺陷，铸坯振痕均匀，漏钢率低至1.38%，铸坯表面合格率达到99.50%以上；另外，气阀钢(含40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2、51Cr8Si2)，中心疏松≤0.5级，中心缩孔≤0.5级，等轴晶率平均(径向)达到64.09%。