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大型铸锻件 HEA VY CA S T I N G AND F ORGI NG No 4 J u ly 2 0 1 1 冶炼方式和锭型参数 对大钢锭冶金质量的影响 巴钧 涛高建军张文辉 ( 中国一重天津重型装备工程研究有限公司， 天津 3 0 0 4 5 7 ) 摘要： 生产实践表明， 采用真空碳脱氧和铝脱氧冶炼方式能明显减少硅酸盐夹杂。小高径比、 大锥度的锭 型也能有效避免缩孔类缺陷进入锭身。 关键词： 钢锭 ； 冶炼工艺 ； 锭型参数 中图分类号： T F 7 7 文献标识码： A T h e I n flu e n ce o f S me l t i n g T y p e a n d I n g o t S h a p e P a r a me t e r s o n Me t a llu r g y Q u a l it y o f He a v y I n g o t B a J u n t a o ，G a o J i a n j u n， Z h a n g We n h u i Ab s t r a ct ： t h e p r o d u ct io n p r a ct ice s h o w e d t h a t t h e v a cu u m ca r b o n d e o x id iz in g a n d a lu min u m d e o x id iz in g s me lt in g ca n s ig n ifi can t ly r e d u ce t h e s ilica t e in clu s io n s wa y S mal l h e ig h t an d d ia me t e r r a tio，b ig t a p e r in g o t t y p e c a n al s o a v o id e ff e cti v e ly s h r in k a g e d e f e ct in t h e in g o t b o d y Ke y wo r d s： in g o t ；s me lt in g p r o ce s s ；in g o t t y p e p ara me t e r s 大型优质锻件所需毛坯大钢锭的冶金质 量对产品合格率起着根本性的影响， 而不同的冶 炼方式和锭型参数 又影响着钢锭 冶金质量 的高 低 。钢锭的冶金质量指标主要包括 ： 洁净度 、 气体 含量、 均质性及缩孔 、 疏松等。中国一重曾采用两 种不同的冶炼工艺生产了 2 8 1 t 和 2 9 2 t 钢锭 ， 用 它们制造的大型锻件出现了完全不同的检验结 果 。 1 技术要求及冶炼工艺路线 锻件力学性能 要求为 ： 屈服强 度 R 。 。 4 4 2 MP a 、 抗拉强度 R =( 5 5 2 6 7 0 ) M P a 、 延伸率 A 2 0 、 断面收缩率 ZI 4 5 ， 冲击韧性 A k I7 2 J 。 非金属 夹杂物按 A S T M E 4 5的规 定进行评定 ， A 类夹杂物 ： 1 5级 ； B类夹杂物 ： 1 5级 ； C类 夹杂物 ： 1 5级 ； D类 夹杂物 ： 1 5级 。2 8 1 t 锭型的冶炼工艺路线为 电炉粗炼 +L F炉精炼 ( V D)+中间包芯杆吹氩( L B 3 ) ， 精炼时采用硅和 铝脱氧， 结果锻件出现探伤不合格。2 9 2 t 锭型在 炼钢过程 中降低 了硅含量 ， 工艺路线改为 电炉粗 炼 +L F炉精炼 ( L V C D)+真空浇注 ( V C D) ， 采用 铝脱氧和真空碳脱氧相结合 的方式 ， 结果锻件探 伤一次性全部通过 。 收稿 日期 ： 2 O 1 O 0 4 2 0 2 冶炼方式对冶金质量的影响 2 1 钢液洁净度 钢液的洁净度 主要由非金属夹杂物和残余元 素所体现， 不同的冶炼方式对非金属夹杂物有明 显的影 响， 但对残余元 素 A s 、 S n 、 s b 、 C 0及 C u的 影响不大。L F炉精炼中， 非金属夹杂物通过斯托 克斯定律 和氩气泡 的浮选作用与钢液分离 j 。 脱氧方法决定 了夹杂物生成 的种类、 形状及大小。 锻件前期采用硅和铝脱 氧， 其 主要脱氧产物为二 氧化硅、 三氧化二铝和硅铝酸盐。其中， 硅酸盐夹 杂由于与钢水 的润湿性较好 ， 很难上 浮 J 。后期 改为真空碳脱氧与铝脱 氧后 ， 锻件夹杂物评级 中 硅酸盐夹 杂从 2 0级 降低到 0 5级 ， 评级结果见 表 1 。 表 1 夹 杂物评级 T a b le 1 T h e mclu s io n g r a d e A B C D 冶炼工艺 总和 ( 硫化物) ( 氧化铝) ( 硅酸盐 ) ( 球状氧化物 ) V D+L B 3 0 5级 0 5级 2 0级 0 5级 3 5级 L V C D+ V C D 0 5级 0 5级 0 5级 0 5级 2 0级 2 2 气体含量 钢锭中的气体对锻件质量影 响颇大 ， 氢是钢 中产生 白点 的主要原 因， 而且还使钢产生氢脆 ， 严 重降低 了钢的横 向力学性能。氧和氮在钢中主要 以氧化物和氮化物 的形式存在， 它们对锻件 的影 2 3 No 4 J u ly 2 01 1 大型铸锻件 HE AV Y C AS nNG AND F 0R GI NG 响主要决定于这些非金属夹杂物的形状、 尺寸和 分布。前期采用硅和铝脱氧 ， 在真空浇注时 ， 由于 钢液 中氧含 量低 ， 产生气泡少 ， 浇注时扩散角度 小 ， 滴流效果欠佳 ， 而后期采用真空碳脱氧生成 的 C O气泡在真空下膨胀爆炸 ， 带动钢液 的滴流化 ， 滴流气体扩散路径缩短， 从而更容易去除- 4 J 。另 外 ， 碳氧反应产生 的 C O气泡在钢液 中的运动对 非金属夹杂物 的排除也是至关重要 的。表 2为 V D+L B 3和 L V C D+V C D两种不 同冶 炼方式下 钢锭中气体的平均含量。 表2 不同冶炼方式下钢锭的气体含量 Ta b le 2 Th e g a s co n t e n t o f in g o t wit h d i f f e r e n t s me lt i n g t y p e l 冶炼工艺 H I 1 1 0 0 1 1 0 一 N 1 1 0 一 l VD+L B3 1 1 2 2 1 0 2 l L VCD+VC D O 9 1 7 1 o o 从表 2可以看 出， 采用真空碳脱氧与真空脱 气相 比， 氢、 氧含量分别降低了 1 8 2 和 2 2 7 。 氮是此锻件中的有益元素 ， 炼钢过程中用含氮合 金来控制氮含量 ， 因此钢锭中的氮含量没有明显 差别 。 2 3 对力学性能的影响 表 3为采用 V D+L B 3和 L V C D+V C D两种 不同冶炼方式得 到的锻件 的力学性 能。可 以看 出， 采用 L V C D+V C D冶炼方式 ， 冲击韧性较 V D +L B 3冶炼方式 有所下 降， 但屈 服强度、 抗拉 强 度、 伸缩率及断面收缩率差别不大， 所有指标均完 全满足锻件要求的技术条件。 表 3 不同冶炼方式锻件的力学性能 Ta b le 3 T h e m e ch a n ica l p r o p e r t ie s of f o r g in g wit h d if f e r e n t s me lt in g t y p e 项 目 R p o 2 M P a R MP a A( ) Z ( ) A k J VD +I 3 4 4 4 6 0 5 2 6 7 3 5 2 9 6 I JvCD +VCD 4 3 7 5 7 9 2 8 5 7 4 1 7 8 3 锭型参数对冶金质量的影响 钢锭中孔洞型缺陷通常位于柱状晶以内的钢 锭的中心区域 ， 尤其在偏析集 中处存在大量 的缩 孔和疏松L 5 J 。如果钢锭截面过大 ， 在锻造 的过程 中即使采用大压下量也很难锻合 ， 到后期探伤时 出现缺陷。锭型参数主要由高径比、 锥度、 冒口径 缩 比、 凹面圆心角及锭模厚度等 ， 通过计算机模拟 及生产实践表面 ， 钢锭的高径 比和锥度对钢锭 的 缩孔、 疏松影响较明显 J 。本文采用 P r o ca s t 商用 模拟软件对 2 8 1 t 和 2 9 2 t 两种锭型进行了模拟计 算 。其 中， 2 8 1 t 锭型高径 比 H D=1 6 1 ， 锥度 = 4 6 ； 2 9 2 t 锭型高径比H D= 0 9 4， 锥度 = 7 6 。图 1 、 图 2分别为 2 8 1 t 和 2 9 2 t 锭型模拟 结果。 ( a ) 温度场 ( b ) 缩孑 L 、 疏松 图 1 2 8 1 t 钢锭完全凝固时温度及缩孔、 疏松分布 F ig u r e 1 T h e d is t r ib u t io n o f t e mp e r a t u r e a n d s h r in k a g e ca v it y a n d p o r o s it y o f 2 8 1 t o n in g o t 大型铸锻件 HE AVY C AS NG AND F OR GI NG NO 4 J u l y 2 0 1 1 图2 2 9 2 t 钢锭完全凝固时温度及缩孔、 疏松分布 F ig u r e 2 Th e d is t ri b u t io n o f t e mp e r a t u r e a n d s h ri n k a g e ca v it y a n d p o r o s it y o f 2 9 2 t o n in g o t 从图 1 ( a ) 、 图2 ( a ) 可以看 出， 2 8 1 t 锭型冒口 最终凝 固形 态相 比 2 9 2 t 锭型要窄 而深 ， 可 以想 见， 它生成的树枝状晶体互相架桥， 必然会妨碍上 部钢液向钢锭本身继续供应。关于这一点， 在图 1 ( b ) 和图2 ( b ) 中可 以明显看 出， 2 8 1 t 锭型产生 二次缩孔深入锭身 ， 二次缩孔长度达 2 3 5 0 m m， 宽度 1 6 5 m m， 而 2 9 2 t 锭型无二次缩孔产生 ， 一次 缩孔集中在帽 口， 完全可 以通过 冒口切 除。由此 不难发现 ， 采用小高径 比， 大锥度锭型对减少钢锭 心部孔洞类缺陷相当有利 。 4结论 ( 1 ) 采用真空碳脱 氧和铝脱 氧冶炼方式较采 用硅脱氧和铝脱氧方式 ， 硅酸盐夹杂明显减少 ， 从 2 0级降低到 0 5级。 ( 2 ) 真空碳脱氧后 ， 钢锭 中的氢、 氧含量在原 来的基础上分别下降了 1 8 2 和 2 2 7 。 ( 3 ) 采用小 高径 比、 大锥度锭 型有效避免 了 钢锭缩孔 、 疏松类缺陷进入锭身。 ( 4 ) 采用真 空碳脱氧后 ， 锻件 的强度 指标 和 塑性指标差别不大， 冲击韧性有所下降， 但均满足 产品技术条件要求。 参考文献 1 曲英 炼钢学 原理 M 北京 ： 冶金工 业 出版 社 ， 1 9 8 3( 8 ) ： 2 2 4 2 L a i h u a WA N G，H a e G e o n L E E ， P e t e r H A Y E S P r e d i ct io n o f t h e Op t imu m Bu b b le S iz e f o r I n clu s io n Re mo v M f r o m Mo lt e n S t e e l b y F l o t a t io n J I S U I n t 1 9 9 6， 3 6 ( 1 ) ： 71 6 3 康大韬 ， 叶 国斌 大型锻件材料及热处理 北京 ： 龙 门书局 出 版社 ， 1 9 9 8， 4 0 4 王少 波 3 0 C r 2 N i 4 Mo V 钢 冶炼 工 艺研 究 一 重 技术 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 2 72 9 5 丁宇 钢锭空洞型缺陷的锻合及 空心钢锭 的锻造 大型铸锻 件 ， 1 9 9 8 ( 4 ) ： 2 4 3 3 6 田代晃一等 钢锭模设计对 大型锻造钢 锭的凝 固和 内部 质 量的影响 铁 钢 ， 1 9 8 1 ， 6 7 ( 1 ) 编辑邓玉 2 3 4 ( 上接第 2 2页) 参考文献 R 凯斯林 钢中非金属夹杂物 M 鞍山： 鞍钢钢铁情报 研 究所 ， 1 9 8 0 董履仁， 刘新华 钢中大型夹杂物 M 北京 ： 冶金工业出 版社 。 1 9 9 1 姜敏等 合金结构钢中尖晶石夹杂物生成的热力学研究 J 特殊钢， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 6 一 l 8 T Gla d ma n De v e lo p me n t s in in clu s io n s co n t r o l a n d t h e ir 5 6 7 e f f e ct s o n s t e e l p rop e r t i e s J I r o n m a k i n g and s t e e