李國和
1 前言
38CrMoA1是含鋁氮化鋼，經滲氮化學處理后，鋼的氮化層中形成氮化鋁 (A1N)， 通過A1N的彌散硬化作用可以提高鋼材的表面硬度和強度，同時所形成的氮化物熱穩定性也很高，一般在600℃～650℃時仍能保持一定的硬度。所以38CrMoA1通常用來制造有特殊要求的零部件，如汽缸套 、齒輪、高壓閥門、蝸桿和磨床主軸等。
38CrMoA1鋼是不易冶煉、連鑄的鋼種，鋁是 38CrMoA1鋼中的主要成分，由于鋁極易氧化，在冶煉時具有熔點低 (660℃)、比重小(2．68g／cm3 )、不易加入等特點，冶煉收得率極不穩定，成分不合格率較高。以前多采用EAF+LF+VD+Ingot工藝，為保證鋼中Si、Al合格，采用爐后除渣方式，Al回收率不穩定，模注生產過程使用加高帽口、碳化稻殼，鋼材易出現點偏、縮孔等缺陷，并且表面質量差，成材率低。近年來，為解決上述問題，國內有些企業在小方坯上連鑄機上連鑄38CrMoAl鋼得以成功。但因38CrMoAl鋼中含鋁量是常規鋼種的30倍左右，采用連鑄后工藝因鋼中Al含量高易出現水口結瘤，影響連澆。
總之，38CrMoA1鋼連鑄水口結瘤、鑄坯表面質量差、低倍點狀偏析是生產中經常碰到的問題，并且鑄坯尺寸越大，鋼材點狀偏析越嚴重。
為解決上述問題，滿足生產大規格38CrMoA1鋼材的要求，我們試驗開發了大方坯連鑄機連鑄38CrMoA1工藝，并長期量產。
2 試驗工藝流程和工藝
2.1 試驗的工藝流程
70tCONSTEEL EBT EAF→70tLF（VD）→弧形R16.5m，250mm×280mm、410mm×530mm兩斷面大方坯連鑄機。
2.2 38CrMoA1鋼成分控制目標
38CrMoA1鋼成分控制目標見表1。
表1 成品化學成份 單位：%
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Mo |
Al |
Cu |
|
0.35 |
0.20 |
0.30 |
≤0.025 |
≤0.025 |
1.35 |
≤0.20 |
0.15 |
0.70 |
≤0.20 |
|
0.42 |
0.45 |
0.60 |
1.65 |
0.25 |
1.10 |
2.3 冶煉工藝
2.3.1 Consteel電爐
鋼鐵料由統料和生鐵（或鐵水）組成。出鋼溫度≥1620℃，出鋼時嚴禁下氧化渣。鋼包火數≥3火；不允許使用冶煉含Si鋼后的鋼包。合金和渣料隨包烘烤，烘烤時間≥40min，不允許使用Si-Fe和Si-Mn合金；合金先按42CrMo配入。不加鋁以外的脫氧劑和脫硫劑、精煉劑，粗脫氧鋁3kg/t鋼。
2.3.2 LF精煉爐
白渣保持時間≥30min，調渣時不許用炭化硅和Si-Ba等含Si的原料。取全分析樣溫度≥1570℃，根據分析結果調整（除Al和Si）合金，合金調整完畢后升溫至1600℃～1610℃停止加熱，大氬氣攪拌，加鋁錠，鋁按100%回收控制到0.95%～1.00%，吊包前軟吹氬時間保證15min。連鑄的吊包溫度：1590℃±5℃。
2.4 連鑄工藝
鋼包上臺溫度：1590℃～1595℃。中包大火烘烤≥5h。長水口與大包之間采取氬氣環保護。連鑄時中間包采用無碳中包覆蓋劑、結晶器采用38CrMoA1鋼專用保護渣。采用4#冷卻曲線。液相線溫度1510℃。中包過熱度≥40℃。拉坯速度：根據過熱度拉速控制在0.8m/s～1.0/s。電磁攪拌：M-EMS300A，3HZ；F-EMS300A，12HZ。
連鑄坯應進行坑冷，坑冷時間≥24h。
3 試驗效果及分析
3.1 爐渣變化及鋼中Al回收率
精煉過程爐渣樣分析結果如表2。
表2 精煉過程爐渣樣分析結果 單位：%
|
爐號 |
SiO2 |
CaO |
MgO |
FeO |
Al2O3 |
R |
|
L-1 |
5.1 |
52.31 |
4.75 |
1.09 |
32.17 |
10.26 |
|
L-2 |
5.5 |
55.67 |
5.64 |
2.09 |
28.62 |
10.12 |
通過表2分析，與冶煉一般鋼種相比，爐渣成分發生變化。因冶煉控制了入爐Si質材料，渣中堿度平均提高8左右，SiO2平均降低20%左右，Al2O3平均提高15%左右。在LF精煉爐取全分析時，鋼中Si 0.13%～0.15%，為保證鋼中Si合格，在吊包前補加了Si—Fe。說明過程有效地控制了鋼中Si，為合金化加Al提供了工藝保障。
在此工藝下，鋼中Al回收率平均97.6%。
3.2 鋼中氣體
鋼中氣體分析值見表3。從表3可以看出，由于冶煉38CrMoAl盡可能避免Si質材料入爐，采用Al粉脫氧，鋼中氧較一般鋼種低。L-1φ40mm材、L-2［O］是在加完合金Al后的結果，故［O］較低。鋼中［H］較一般鋼種相當。
表3 鋼中氣體分析值
|
爐號 |
［H］，×10-6 |
［O］，×10-6 |
［N］，×10-6 |
|
L-1φ40mm材 |
|
5 |
80 |
|
L-1，LF給電10min |
4.48 |
17 |
66 |
|
L-1，加Al前 |
4.46 |
11 |
75 |
|
L-2，LF給電10min |
4.45 |
12 |
65 |
|
L-2，加Al前 |
4.80 |
8 |
62 |
|
L-3，加Al后 |
4.7 |
3 |
65 |
3.3 鑄坯質量
連鑄坯進行坑冷，表面質量良好，無夾渣、裂紋等缺陷（酸洗后的連鑄坯表面見圖1、圖2）。連鑄坯試片無缺陷，質量評定結果見表4。酸洗后連鑄坯試片情況見圖3、圖4、圖5。
表4 鑄坯質量評定
|
爐號：L-1 |
等軸晶率，% |
柱狀晶率，% |
激冷層，mm |
|
1流 |
85 |
15 |
6 |
|
2流 |
88 |
12 |
5 |
|
3流 |
86 |
14 |
3 |
圖1鑄坯表面質量
圖2鑄坯表面質量
圖3鑄坯酸洗試片（S1）
圖4鑄坯酸洗試片（S2）
圖5鑄坯酸洗試片（S3）
圖6浸入式水口澆鋼后外貌
3.4 鋼中各成分及偏析分析
在鑄坯橫斷面沿中軸十字交叉由上至下、左至右取18點，中心位于5、15點，分析結果見表5。
表5 鋼中成分 單位，%
|
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
Al |
|
GB/T3077 |
0.35-0.42 |
0.20-0.45 |
0.30-0.60 |
≤0.025 |
≤0.025 |
1.35-1.65 |
0.15-0.25 |
0.70-1.10 |
|
成品結果 |
0.39 |
0.26 |
0.41 |
0.013 |
0.0022 |
1.38 |
0.17 |
1.06 |
|
鉆取材結果（φ40mm） |
0.39 |
0.23 |
0.41 |
0.012 |
0.0022 |
1.39 |
0.17 |
1.07 |
|
1 |
0.37 |
0.26 |
0.41 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.12 |
|
2 |
0.38 |
0.27 |
0.41 |
0.013 |
0.002 |
1.40 |
0.19 |
1.17 |
|
3 |
0.38 |
0.26 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.13 |
|
4 |
0.38 |
0.25 |
0.39 |
0.012 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.13 |
|
5 |
0.45 |
0.26 |
0.42 |
0.013 |
0.003 |
1.41 |
0.19 |
1.03 |
|
6 |
0.36 |
0.25 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.39 |
0.18 |
1.10 |
|
7 |
0.38 |
0.25 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.07 |
|
8 |
0.40 |
0.26 |
0.40 |
0.014 |
0.002 |
1.40 |
0.18 |
1.12 |
|
9 |
0.36 |
0.25 |
0.41 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.17 |
1.14 |
|
10 |
0.37 |
0.24 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.14 |
|
11 |
0.39 |
0.24 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.14 |
|
12 |
0.39 |
0.25 |
0.41 |
0.013 |
0.002 |
1.39 |
0.17 |
1.07 |
|
13 |
0.38 |
0.25 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.18 |
1.09 |
|
14 |
0.37 |
0.26 |
0.40 |
0.012 |
0.002 |
1.37 |
0.18 |
1.08 |
|
15 |
0.40 |
0.26 |
0.39 |
0.015 |
0.003 |
1.40 |
0.18 |
1.05 |
|
16 |
0.36 |
0.24 |
0.40 |
0.013 |
0.002 |
1.37 |
0.18 |
1.08 |
|
17 |
0.37 |
0.25 |
0.39 |
0.013 |
0.002 |
1.38 |
0.17 |
1.08 |
|
18 |
0.38 |
0.27 |
0.40 |
0.013 |
1.38 |
1.38 |
0.17 |
1.08 |
從表5中可以看出，與成分較為均勻的成品結果相比，連鑄坯中的P、S、Mn、Cr、Mo、Si元素偏析不大，而連鑄坯中由外向內C顯示出正偏析，Al顯示出較大趨勢的負偏析（見表6），由此判斷：C、Al比重較小，該鋼種的鋼水在結晶器中進行了選分結晶。從理論上講，38CrMoAl粘度較大，不屬于裂紋敏感性鋼種，因此，在實際連鑄生產中，為避免C、Al兩元素出現大的偏析，可探討增大比水量的可能性。
表6 鋼中成分偏析 單位， %
|
|
C |
C偏析 |
Al |
Al偏析 |
|
成品結果 |
0.39 |
|
1.06 |
|
|
1 |
0.37 |
--0.02 |
1.12 |
+0.06 |
|
2 |
0.38 |
--0.01 |
1.17 |
+0.11 |
|
3 |
0.38 |
--0.01 |
1.13 |
+0.17 |
|
4 |
0.38 |
--0.01 |
1.13 |
+0.17 |
|
5 |
0.45 |
+0.06 |
1.03 |
--0.03 |
|
6 |
0.36 |
--0.03 |
1.10 |
+0.04 |
|
7 |
0.38 |
--0.01 |
1.07 |
+0.01 |
|
8 |
0.40 |
+0.01 |
1.12 |
+0.06 |
|
9 |
0.36 |
--0.03 |
1.14 |
+0.08 |
|
10 |
0.37 |
--0.02 |
1.14 |
+0.08 |
|
11 |
0.39 |
0 |
1.14 |
+0.08 |
|
12 |
0.39 |
0 |
1.07 |
+0.01 |
|
13 |
0.38 |
--0.01 |
1.09 |
+0.03 |
|
14 |
0.37 |
--0.02 |
1.08 |
+0.02 |
|
15 |
0.40 |
+0.01 |
1.05 |
--0.01 |
|
16 |
0.36 |
--0.03 |
1.08 |
+0.02 |
|
17 |
0.37 |
--0.02 |
1.08 |
+0.02 |
|
18 |
0.38 |
--0.01 |
1.08 |
+0.02 |
3.5 水口堵塞情況
L-1-6六連澆結束后，對1、2、3流浸入式水口進行了破壞觀測（如圖6）。與2連澆結瘤水平大致相當。在連澆過程中浸入式水口較為正常，未出現結瘤。第3爐（L-1）3流浸入式水口曾出現堵塞現象，但經提高拉速之后，堵塞有所改善。
3.6 產材檢驗結果
連鑄坯的加熱、軋制執行現38CrMoAl工藝。產材檢驗結果如表7，低倍檢驗結果如表8，高倍檢驗結果如表9。軋后φ40mm材表面見圖7、圖8，材表面無大缺陷，稍加修磨可上交。材經探傷無缺陷。
由表8、表9看出，檢驗結果符合標準要求。
表7 試驗38CrMoAl力學性能
|
|
Rm/Mpa |
ReLb，Mpa |
A/% |
Z/% |
kU2e/J |
|
GB/T3077 |
≥980 |
≥835 |
≥14 |
≥50 |
≥71 |
|
檢驗結果1 |
1000 |
895 |
17 |
51 |
124 |
|
檢驗結果2 |
995 |
865 |
15 |
52 |
120 |
表8 試驗38CrMoAl低倍檢驗結果
|
一般疏松，級 |
中心疏松，級 |
方框偏析，級 |
一般偏析，級 |
邊緣偏析，級 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
表9 試驗38CrMoAl高倍檢驗結果
|
A |
B |
C |
D |
組織 |
||||
|
粗 |
細 |
粗 |
細 |
粗 |
細 |
粗 |
細 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
F+P+B |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
F+P+B |
圖7 38CrMoAl材表面
圖8 38CrMoAl材表面
3.7 成材率比較
38CrMoAl連鑄后，成材率94%，比715kg模鑄錠型成材率平均80%提高14%。
4 結論
4.1 通過在250mm×280mm、410mm×530mm兩斷面大方坯連鑄機6連澆38CrMoAl鋼試驗結果證明，產材后檢驗指標符合標準要求，達到了試驗目的，為連鑄38CrMoAl大方坯量產及擴大38CrMoAl產材規格提供了依據。
4.2 連鑄38CrMoAl，連澆過程基本正常，基本未出現水口嚴重堵塞現象。與模鑄相比，可提高成材率14%，可大幅降低生產成本。