李国和
1 前言
38CrMoA1是含铝氮化钢，经渗氮化学处理后，钢的氮化层中形成氮化铝 (A1N)， 通过A1N的弥散硬化作用可以提高钢材的表面硬度和强度，同时所形成的氮化物热稳定性也很高，一般在600℃～650℃时仍能保持一定的硬度。所以38CrMoA1通常用来制造有特殊要求的零部件，如汽缸套 、齿轮、高压阀门、蜗杆和磨床主轴等。
38CrMoA1钢是不易冶炼、连铸的钢种，铝是 38CrMoA1钢中的主要成分，由于铝极易氧化，在冶炼时具有熔点低 (660℃)、比重小(2．68g／cm3 )、不易加入等特点，冶炼收得率极不稳定，成分不合格率较高。以前多采用EAF+LF+VD+Ingot工艺，为保证钢中Si、Al合格，采用炉后除渣方式，Al回收率不稳定，模注生产过程使用加高帽口、碳化稻壳，钢材易出现点偏、缩孔等缺陷，并且表面质量差，成材率低。近年来，为解决上述问题，国内有些企业在小方坯上连铸机上连铸38CrMoAl钢得以成功。但因38CrMoAl钢中含铝量是常规钢种的30倍左右，采用连铸后工艺因钢中Al含量高易出现水口结瘤，影响连浇。
总之，38CrMoA1钢连铸水口结瘤、铸坯表面质量差、低倍点状偏析是生产中经常碰到的问题，并且铸坯尺寸越大，钢材点状偏析越严重。
为解决上述问题，满足生产大规格38CrMoA1钢材的要求，我们试验开发了大方坯连铸机连铸38CrMoA1工艺，并长期量产。
2 试验工艺流程和工艺
2.1 试验的工艺流程
70tCONSTEEL EBT EAF→70tLF（VD）→弧形R16.5m，250mm×280mm、410mm×530mm两断面大方坯连铸机。
2.2 38CrMoA1钢成分控制目标
38CrMoA1钢成分控制目标见表1。
表1 成品化学成份 单位：%
|
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 冶炼工艺
2.3.1 Consteel电炉
钢铁料由统料和生铁（或铁水）组成。出钢温度≥1620℃，出钢时严禁下氧化渣。钢包火数≥3火；不允许使用冶炼含Si钢后的钢包。合金和渣料随包烘烤，烘烤时间≥40min，不允许使用Si-Fe和Si-Mn合金；合金先按42CrMo配入。不加铝以外的脱氧剂和脱硫剂、精炼剂，粗脱氧铝3kg/t钢。
2.3.2 LF精炼炉
白渣保持时间≥30min，调渣时不许用炭化硅和Si-Ba等含Si的原料。取全分析样温度≥1570℃，根据分析结果调整（除Al和Si）合金，合金调整完毕后升温至1600℃～1610℃停止加热，大氩气搅拌，加铝锭，铝按100%回收控制到0.95%～1.00%，吊包前软吹氩时间保证15min。连铸的吊包温度：1590℃±5℃。
2.4 连铸工艺
钢包上台温度：1590℃～1595℃。中包大火烘烤≥5h。长水口与大包之间采取氩气环保护。连铸时中间包采用无碳中包覆盖剂、结晶器采用38CrMoA1钢专用保护渣。采用4#冷却曲线。液相线温度1510℃。中包过热度≥40℃。拉坯速度：根据过热度拉速控制在0.8m/s～1.0/s。电磁搅拌：M-EMS300A，3HZ；F-EMS300A，12HZ。
连铸坯应进行坑冷，坑冷时间≥24h。
3 试验效果及分析
3.1 炉渣变化及钢中Al回收率
精炼过程炉渣样分析结果如表2。
表2 精炼过程炉渣样分析结果 单位：%
|
炉号 |
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 |
通过表2分析，与冶炼一般钢种相比，炉渣成分发生变化。因冶炼控制了入炉Si质材料，渣中碱度平均提高8左右，SiO2平均降低20%左右，Al2O3平均提高15%左右。在LF精炼炉取全分析时，钢中Si 0.13%～0.15%，为保证钢中Si合格，在吊包前补加了Si—Fe。说明过程有效地控制了钢中Si，为合金化加Al提供了工艺保障。
在此工艺下，钢中Al回收率平均97.6%。
3.2 钢中气体
钢中气体分析值见表3。从表3可以看出，由于冶炼38CrMoAl尽可能避免Si质材料入炉，采用Al粉脱氧，钢中氧较一般钢种低。L-1φ40mm材、L-2［O］是在加完合金Al后的结果，故［O］较低。钢中［H］较一般钢种相当。
表3 钢中气体分析值
|
炉号 |
［H］，×10-6 |
［O］，×10-6 |
［N］，×10-6 |
|
L-1φ40mm材 |
|
5 |
80 |
|
L-1，LF给电10min |
4.48 |
17 |
66 |
|
L-1，加Al前 |
4.46 |
11 |
75 |
|
L-2，LF给电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 铸坯质量
连铸坯进行坑冷，表面质量良好，无夹渣、裂纹等缺陷（酸洗后的连铸坯表面见图1、图2）。连铸坯试片无缺陷，质量评定结果见表4。酸洗后连铸坯试片情况见图3、图4、图5。
表4 铸坯质量评定
|
炉号：L-1 |
等轴晶率，% |
柱状晶率，% |
激冷层，mm |
|
1流 |
85 |
15 |
6 |
|
2流 |
88 |
12 |
5 |
|
3流 |
86 |
14 |
3 |
图1铸坯表面质量
图2铸坯表面质量
图3铸坯酸洗试片（S1）
图4铸坯酸洗试片（S2）
图5铸坯酸洗试片（S3）
图6浸入式水口浇钢后外貌
3.4 钢中各成分及偏析分析
在铸坯横断面沿中轴十字交叉由上至下、左至右取18点，中心位于5、15点，分析结果见表5。
表5 钢中成分 单位，%
|
|
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 |
|
成品结果 |
0.39 |
0.26 |
0.41 |
0.013 |
0.0022 |
1.38 |
0.17 |
1.06 |
|
钻取材结果（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 |
从表5中可以看出，与成分较为均匀的成品结果相比，连铸坯中的P、S、Mn、Cr、Mo、Si元素偏析不大，而连铸坯中由外向内C显示出正偏析，Al显示出较大趋势的负偏析（见表6），由此判断：C、Al比重较小，该钢种的钢水在结晶器中进行了选分结晶。从理论上讲，38CrMoAl粘度较大，不属于裂纹敏感性钢种，因此，在实际连铸生产中，为避免C、Al两元素出现大的偏析，可探讨增大比水量的可能性。
表6 钢中成分偏析 单位， %
|
|
C |
C偏析 |
Al |
Al偏析 |
|
成品结果 |
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 水口堵塞情况
L-1-6六连浇结束后，对1、2、3流浸入式水口进行了破坏观测（如图6）。与2连浇结瘤水平大致相当。在连浇过程中浸入式水口较为正常，未出现结瘤。第3炉（L-1）3流浸入式水口曾出现堵塞现象，但经提高拉速之后，堵塞有所改善。
3.6 产材检验结果
连铸坯的加热、轧制执行现38CrMoAl工艺。产材检验结果如表7，低倍检验结果如表8，高倍检验结果如表9。轧后φ40mm材表面见图7、图8，材表面无大缺陷，稍加修磨可上交。材经探伤无缺陷。
由表8、表9看出，检验结果符合标准要求。
表7 试验38CrMoAl力学性能
|
|
Rm/Mpa |
ReLb，Mpa |
A/% |
Z/% |
kU2e/J |
|
GB/T3077 |
≥980 |
≥835 |
≥14 |
≥50 |
≥71 |
|
检验结果1 |
1000 |
895 |
17 |
51 |
124 |
|
检验结果2 |
995 |
865 |
15 |
52 |
120 |
表8 试验38CrMoAl低倍检验结果
|
一般疏松，级 |
中心疏松，级 |
方框偏析，级 |
一般偏析，级 |
边缘偏析，级 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
表9 试验38CrMoAl高倍检验结果
|
A |
B |
C |
D |
组织 |
||||
|
粗 |
细 |
粗 |
细 |
粗 |
细 |
粗 |
细 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
F+P+B |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
F+P+B |
图7 38CrMoAl材表面
图8 38CrMoAl材表面
3.7 成材率比较
38CrMoAl连铸后，成材率94%，比715kg模铸锭型成材率平均80%提高14%。
4 结论
4.1 通过在250mm×280mm、410mm×530mm两断面大方坯连铸机6连浇38CrMoAl钢试验结果证明，产材后检验指标符合标准要求，达到了试验目的，为连铸38CrMoAl大方坯量产及扩大38CrMoAl产材规格提供了依据。
4.2 连铸38CrMoAl，连浇过程基本正常，基本未出现水口严重堵塞现象。与模铸相比，可提高成材率14%，可大幅降低生产成本。