大型锻件用新型水冷板坯钢锭

文／任树洋，冯永虎，杨后雷，陈晓亮，曹智勇，刘殿山·通裕重工股份有限公司

大型锻件用新型水冷板坯钢锭

文／任树洋，冯永虎，杨后雷，陈晓亮，曹智勇，刘殿山·通裕重工股份有限公司

本文介绍了一种可以用于生产大型锻件的新型水冷板坯钢锭，对使用该钢锭锻造的齿条钢锻件进行了成品化学成分和力学性能分析，结果表明锻件的水、冒口化学成分偏差很小，碳偏差不超过0.05%，力学性能指标均优于标准要求，钢锭利用率达到了83%。

大型锻件是国民经济建设、国防工业和现代科学事业发展所必需的各种大型、关键设备、装置中的主要基础零部件，其生产能力与技术水平是衡量一个国家的重工业发展水平与重大关键技术装备自给能力的主要标准之一。按我国重机行业的规定，凡是需要1000t以上锻造压机生产的自由锻件都称为大型锻件。一般来说，单件重量大于5t的轴类锻件和大于2t的饼类锻件均属于大型锻件。

目前，世界上最大的用于自由锻造的钢锭是650t，并成功用于重达350t的整体低压转子的制造中。随着钢锭重量的增加，钢锭各类的冶金缺陷如疏松、缩孔、偏析、夹杂物聚集等也越来越难以控制。特别是宏观化学成分偏析问题，凝固后钢锭的水、冒口偏析区往往超过材料的标准要求，如切除量不够往往会造成最终锻件的报废。钢锭重量越大，钢液在钢锭模内完全凝固所需的时间越长，钢液冷却速度越慢，偏析往往也就越严重。可以说，控制好大型钢锭的成分偏析是保证大型锻件质量的最关键因素之一。

我公司从控制钢液凝固速度的原理出发，成功开发出了适用于自由锻造的水冷模铸板坯，可以用于大型锻件的生产。该种板坯钢锭在化学成分偏析控制上具有很大的优势，且钢锭利用率高。

水冷板坯钢锭规格及制造过程

我公司生产的水冷模铸钢锭形状上是长方体，长度为2500mm，宽度方向在580～1040mm之间可调节，高度方向可在3000～4000mm范围内调节，铸锭重量为40～76t。

水冷模铸钢锭结晶器如图1所示，底部和长宽方向的四个面周围采用流动水进行冷却，且长宽方向的水冷板均可移动调节。钢液通过浇注管道浇入水冷结晶器，浇注的同时循环水进行冷却，钢锭表面凝固收缩后，微调宽度方向的水冷板使钢锭表面和冷却板进行接触，保证钢锭快速冷却，以达到控制偏析的目的。待钢锭凝固完成后，先调节钢锭周围水冷板偏离钢锭一定距离，吊出水冷结晶器，再将钢锭取出。生产出的水冷板坯钢锭如图2所示，可以看出该钢锭表面质量良好且冒口较小。

图1 水冷模铸钢锭结晶器示意图

图2 水冷板坯钢锭(52t）

水冷板坯钢锭的应用及优势

目前，我公司利用水冷板坯结晶器生产了15炉钢锭(重量总计约900t），用于制造厚板类和模块类等锻件，产品质量稳定，合格率高，化学成分、力学性能指标、超声波无损检测(UT）等均符合技术要求。下面对我公司制造的ASTM A517 Gr.Q齿条钢产品的检验结果进行介绍。

图3 水、冒口化学成分取样位置示意图

用于自升式海洋石油钻井平台的齿条钢是由厚板坯加工而来的，通常所用的厚板坯尺寸为177.8mm×2210mm×8890mm，材质为 ASTM A517 Gr.Q，其化学成分和力学性能要求分别见表1、2。我公司利用水冷板坯钢锭锻造成齿条钢毛坯，锻后热处理后水、冒口端分别锯片取样分析成品化学成分，调质处理后在1/4和1/2壁厚取样进行拉伸试验、夏比冲击试验。

如图3所示是锻后水、冒口锯切图和化学成分取样图，成分试样在板坯1/2壁厚位置每隔300mm取一处光谱试样进行化学成分分析，水口试样用S表示，冒口试样用M表示。所用光谱仪型号为ARL-3460，成品化学成分检测结果见表3。由表3可以看出，水、冒口化学成分均在标准范围内，Si、Mn、Mo、V等元素的含量均和熔炼成分接近，C、Cr和Ni略有偏析存在。冒口端最大碳含量为0.19%，水口端最小碳含量为0.14%，碳偏差在0.05%范围内。整体上该锻件成品化学成分较均匀，说明水冷板坯钢锭在成分偏析控制上达到了很好的效果。

该齿条钢锻件锯掉水、冒口后实际重量为43.1t，采用的水冷板坯钢锭重量为52t，实际钢锭利用率为83%，且两端化学成分均合格。从生产的6块齿条钢宽厚板UT结果看，有一块宽厚板锻件冒口端存在600mm×600mm区域的密集缺陷区，其余宽厚板锻件均未发现当量大于φ2mm的缺陷。对锻件毛坯粗加工、调质处理后，在1/4和1/2壁厚处取样进行力学性能检测，结果见表4，从检测结果可以看出，各项指标均大大优于ASTM A517标准中的技术要求。

■ 表1 ASTM A517 Gr.Q的化学成分

■ 表2 齿条钢的力学性能要求

■ 表3 齿条钢锻件水、冒口端的化学成分

■ 表4 齿条钢水、冒口端力学性能要求及检测值

结束语

为了控制大型锻件用钢锭的成分偏析，我公司研发了水冷模铸钢锭并将其成功用于齿条钢等产品的生产中，成品化学成分分析表明水、冒口两端最大的碳偏差不超过0.05%，且各项力学性能指标均优于标准要求。该水冷钢锭利用率为83%，钢锭利用率较高。

任树洋，主任工程师，主要从事大型锻件用钢锭的冶炼、锻造及热处理工艺研发工作，获得山东省技术创新二等奖两项，拥有发明专利两项，实用新型专利一项。