閆抒宇 朱偉偉 楊海石

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

大型鍛件一般用于制造各種重大裝備的核心和關(guān)鍵部件，是大型船舶、冶金、火力發(fā)電、核電、軍工、石化和航空航天等重大裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)[1]?，F(xiàn)有大型鍛件用鋼錠主要是通過電爐、精煉爐、中間包澆注生產(chǎn)，中間包澆注時(shí)存在鋼水二次氧化、中間包耐火材料侵蝕、中間包塞棒關(guān)不死引起下渣等問題，容易造成鋼錠內(nèi)部存在較多的外來夾雜物[2]，導(dǎo)致鍛件無損檢測不合格。

通過對(duì)現(xiàn)有大型鋼錠澆注方式改進(jìn)[3-5]，取消中間包環(huán)節(jié)，由精煉包直接座包在真空罐蓋上，鋼水直接澆注入鋼錠模內(nèi)，有效地避免了中間包澆注環(huán)節(jié)帶來的問題，極大地減少了進(jìn)入鋼錠內(nèi)部的夾雜物總量，提高鍛件無損檢測合格率。本文介紹了公司精煉包直注工藝開發(fā)情況。中間包真空澆注見圖1，精煉包真空直注見圖2。

1 精煉包真空直注設(shè)備改造

在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)135 t精煉包、300 t真空罐蓋，滿足精煉包直接座包于真空罐蓋上進(jìn)行真空澆注的能力，實(shí)現(xiàn)80～120 t真空鋼錠的生產(chǎn)。

圖1 中間包真空澆注Figure 1 Tundish vacuum pouring

圖2 精煉包真空直注Figure 2 Refining ladle vacuum direct pouring

1.1 真空直注精煉包設(shè)計(jì)

為滿足精煉包真空狀態(tài)下澆注，新設(shè)計(jì)了135 t精煉包，單包最大鋼水量為135 t，雙真空處理最大鋼水量為125 t，包底采用雙孔吹氬和單孔澆注的布局，取消包腳結(jié)構(gòu)，用密封腔體替代，精煉包的密封腔體與真空罐蓋接觸，形成密閉空間。密封腔體內(nèi)部安裝滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、吹氬管道?；瑒?dòng)機(jī)構(gòu)采用雙層吹氬滑板機(jī)構(gòu)，滿足滑板吹氬。油缸安裝在密封腔體外側(cè)，通過長連桿與機(jī)構(gòu)連接。澆注水口選用直徑60 mm的吹氬水口，滿足真空狀態(tài)下自動(dòng)開澆。135 t精煉包包底布局見圖3。

圖 3 135 t精煉包包底布局示意圖Figure 3 Layout diagram of 135 t refining ladle bottom

圖4 300 t真空罐蓋示意圖Figure 4 Schematic diagram of 300 t vacuum tank cover

1.2 真空罐蓋設(shè)計(jì)

原300 t真空罐蓋設(shè)計(jì)是用于80 t中間包座包澆注，最大承重載荷為140 t，在考慮安全性因素后，重新設(shè)計(jì)300 t真空罐蓋。新的300 t真空罐蓋外形尺寸不變，內(nèi)部增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，承重載荷由140 t提高至230 t，材質(zhì)為Q345-B，結(jié)構(gòu)圖見圖4。對(duì)真空罐蓋受力進(jìn)行有限元分析，在真空狀態(tài)下，135 t鋼包滿載鋼水座包最大重量為230 t，真空罐蓋最大變形量為0.376 mm，放置鋼包最大應(yīng)力區(qū)域約為35 MPa，小于材料許用應(yīng)力75 MPa的要求，可以滿足使用要求。

在鋼水澆注時(shí)，真空罐蓋依靠自身結(jié)構(gòu)支撐精煉包的全部重量，澆注行車不受力，安全系數(shù)較高。真空罐蓋的頂部焊接兩個(gè)密封環(huán)，可以同時(shí)滿足精煉包座包澆注及普通中間包座包澆注，與現(xiàn)有設(shè)備通用性強(qiáng)，投資小。

2 精煉包真空直注工藝開發(fā)

在完成設(shè)備安裝后，進(jìn)行了2次設(shè)備測試和1次投料實(shí)驗(yàn)，收集過程數(shù)據(jù)，并對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 精煉包防卷渣設(shè)計(jì)

根據(jù)李宏俠[6]的研究，在澆注時(shí)發(fā)生旋渦卷渣的臨界高度Hc可以由下式計(jì)算得出：

135 t精煉包的包底設(shè)計(jì)：水口中心與鋼包中心距離0.66 m，鋼包內(nèi)壁直徑為2.9 m，鋼包的水口偏心率η=0.4552。精煉包滿載125 t鋼水時(shí)，以鋼水密度7.0 gcm3計(jì)算，鋼液面高度為2.7 m，真空狀態(tài)下鋼水受到大氣壓力影響，折算鋼水高度為1.48 m，因此計(jì)算鋼液面初始高度H0=4.18 m。水口直徑d=0.06 m，鋼水初始切向速度μ0=0.06 ms，g=9.8 ms2，代入公式(1)可以計(jì)算出臨界高度Hc為0.081 m，鋼水重量為3.7 t，即澆注結(jié)束時(shí)，精煉包內(nèi)鋼水量大于3.7 t可完全避免旋渦卷渣出現(xiàn)。

實(shí)際操作中，考慮外引流損失鋼水后，要求電爐放鋼鋼水量多5 t，防止精煉包澆注時(shí)發(fā)生卷渣。

2.2 精煉包溫度控制

精煉包吊出至精煉包座包，用時(shí)約22 min，溫降約24℃；精煉包座包后，待真空到位，用時(shí)約12.5 min(中間包澆注時(shí)，精煉包吊出時(shí)真空已到位)，溫降約16℃。精煉包吊出至鋼水開始澆注的過程中，累計(jì)降溫40℃，鋼水受氬氣攪拌影響，溫降速度較快，溫降約1.2℃min，精煉包吊出鋼水過熱度為40℃。

2.3 精煉包真空下自動(dòng)開澆

由于中間包采用整體塞棒設(shè)計(jì)，由提升機(jī)構(gòu)提升塞棒，中間包水口可以保證100%打開。而精煉包采用滑動(dòng)水口設(shè)計(jì)，由于鋼水精煉時(shí)間較長，精煉包水口內(nèi)填充鉻質(zhì)引流砂，為了防止鉻質(zhì)引流砂進(jìn)入鋼錠內(nèi)部，須采用外引流。在外引流后，為保證精煉包成功開澆，須進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌?/p>

精煉包吊出后，進(jìn)行3次外引流，每次外引流間隔1 min，每次鋼水引流時(shí)間不少于20 s，使滑板、水口充分預(yù)熱；精煉包外引流前，需要打開水口吹氬開關(guān)，至鋼水開澆前，保持水口吹氬始終打開，吹氬壓力保持在0.1 MPa左右即可。在第1次外引流鋼水下落后，打開滑板吹氬開關(guān)，至鋼水開澆前，保持滑板吹氬始終打開，吹氬壓力保持在0.1～0.3 MPa，以鋼水翻滾不破渣面為宜。精煉包座包后，待真空到位，打開滑板，鋼水自動(dòng)開澆后，關(guān)閉滑板吹氬，調(diào)整水口吹氬，吹氬壓力保持在0.1～0.3 MPa，視鋼水散流狀態(tài)調(diào)整吹氬流量。

表1 兩種澆注方式鋼錠無損檢測合格率對(duì)比Table 1 Comparison of NDT inspection qualified rate of ingots between two pouring methods

表2 不同產(chǎn)品類型鋼錠的無損檢測合格率對(duì)比Table 2 Comparison of NDT inspection qualified rate of ingots for different product types 單位：%

3 精煉包真空直注工業(yè)實(shí)踐

在精煉包真空直注設(shè)備投入使用后，車間對(duì)精煉包真空直注進(jìn)行了大量工業(yè)試驗(yàn)，選取80～120 t之間鋼錠，對(duì)精煉包真空直注與中間包真空澆注的鋼錠合格率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1，不同產(chǎn)品類型的鋼錠合格率對(duì)比結(jié)果見表2。

精煉包真空直注工藝?yán)塾?jì)投料50支鋼錠，共5111 t，未發(fā)現(xiàn)無損檢測不合格，鋼錠合格率達(dá)到100%；中間包真空澆注工藝?yán)塾?jì)投料129支鋼錠，共13350.9 t，無損檢測不合格噸位1588.5 t，鋼錠合格率為88.10%。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用精煉包真空直注工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯好于中間包真空澆注生產(chǎn)的鋼錠質(zhì)量，特別指出對(duì)Si、Mn、Al等易氧化元素含量較高的鋼種，如高中壓轉(zhuǎn)子、碳錳鋼等產(chǎn)品的質(zhì)量提升尤為明顯，高中壓轉(zhuǎn)子無損檢測合格率從78.85%提高至100%，碳錳鋼鍛件合格率從62.69%提高至100%。

4 結(jié)論

在現(xiàn)有澆注設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過對(duì)精煉包、真空罐蓋的改造，可以覆蓋80～120 t之間鋼錠，實(shí)現(xiàn)精煉包直接座包澆注，投資小，并可在多包拼澆時(shí)，采用中間包澆注工藝。精煉包真空直注工藝通過控制鋼水量、出鋼溫度、適當(dāng)?shù)耐庖鞑僮鞯龋梢杂行У亟鉀Q中間包澆注過程中的鋼水二次氧化、中間包耐材侵蝕、沖刷、中間包塞棒關(guān)不死引起的下渣等問題，特別是Si、Mn、Al等易氧化元素含量較高的鋼種質(zhì)量提升尤為明顯。采用精煉包真空直注工藝，累計(jì)投料50支鋼錠，鍛件無損檢測合格率達(dá)到100%，并且節(jié)約了中間包耐材、整體塞棒等費(fèi)用，取得了良好的質(zhì)量效果和經(jīng)濟(jì)效益。