高品质耐磨球用钢生产工艺优化*

吕纪永，陈子坤，王忠英，施　枫

(1.常熟市龙腾特种钢有限公司， 江苏 常熟　215511； 2.钢铁研究总院华东分院， 江苏 淮安　223002)



高品质耐磨球用钢生产工艺优化*

吕纪永1，陈子坤2，王忠英2，施枫2

(1.常熟市龙腾特种钢有限公司， 江苏 常熟215511； 2.钢铁研究总院华东分院， 江苏 淮安223002)

分析了影响高品质耐磨钢的主要因素，针对影响质量的因素提出了生产高品质耐磨钢的主要措施，并结合生产装备的具体特点对生产工艺进行了优化。

耐磨球用钢； 高品质； 工艺优化

引言

耐磨材料是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动作用，耐磨球用钢是矿山机械作业中所必需的耐磨材料之一。伴随着矿山开采业的飞速发展，对耐磨球用钢的质量提出了更高的要求，要求耐磨球具有良好的内部质量及耐磨性，整体硬度的均匀性和良好的韧性，以降低在矿料破碎中耐磨材料的消耗。耐磨球在耐磨材料中占很大比重，国内需求量与对外出口量逐年递增，对磨球的耐磨性要求更高。因此，耐磨球用钢的制造工艺方法及技术装置水平要不断创新，提高质量、扩大产量、降低成本以适应市场激烈竞争的需要，同时还面临着科技与经济发展带来的挑战。

目前国内不少特钢企业，先后对耐磨球用钢的少数品种进行了分散开发，但由于各厂的装备与工艺技术的差别，磨球质量也有所差别，并对磨球加工后的性能研究不足，不能形成系统的系列性的研发，使得我国耐磨球用钢及耐磨球产品在高端用钢和国际市场仍缺乏竞争力。

本文以国内某特钢企业所具有的特钢转炉-大棒材生产线、世界一流的耐磨球加工设备及全系列钢球品种需求为研究对象，进行全系列品种的研制开发，对生产工艺进行优化、改进，提升耐磨球用钢产品质量，最终形成完整的高品质耐磨球用钢系列品种开发及生产技术集成。成功开发了w(C)含量为0.58%～1.05%的全系列合金钢球用钢品种，其铸坯和轧材产品各项性能、质量良好，完全满足高品质耐磨球的加工需求。

1　生产工艺及主要设备参数

1.1工艺路线介绍

100 t LD转炉→100 t LF精炼炉→CCM连铸( 310 mm×360 mm/220 mm×260 mm) →铸坯缓冷→空气煤气双蓄热式步进加热炉→15架连轧机组→热锯切定尺(3台热锯)→冷床→缓冷(入坑缓冷)→检验、修磨。

1.2主要工况介绍

主要工况如表1所示。

表1　主要工况

2　耐磨球用钢全系列品种介绍

传统的磨球制造工艺为铸造，材料主要有高碳钢和高铬合金钢两种，铸造磨球因表面粗糙，内部疏松，球的内部组织粗大，在使用过程中破碎率高、冲击韧性小，球越大、磨机越大，产生破碎的几率也就越大等原因，不能满足矿山机械发展的需求。锻造、轧制磨球具有生产效率高，所生产的磨球表面光滑，内部致密、晶粒度高，球的抗跌落性和冲击韧性较强，球的破碎率低等特点。以轧代铸、以轧代锻工艺成为耐磨球生产的主要方式，特别是随着转炉-连铸特殊钢冶炼生产技术日趋成熟，耐磨球用钢的生产主要采用连铸-连轧生产圆棒，进而轧球的生产工艺。

现国内磨球厂家需要的耐磨球用钢，一般采用w(C)为0.58%～1.05%的高碳钢，添加适量的Si，Mn，Cr等强化元素，以改善材料性能；根据耐磨球的加工工艺和用户的不同使用要求，要求在不同使用环境下，磨球要具有较高的硬度、耐磨性和良好的韧性。本生产线已开发的高品质耐磨球用钢具有钢水洁净度高，残余有害元素含量低，化学成分能窄带范围控制等特点，系列品种实际化学成分满足表2的技术要求。

表2　化学成分 /%

备注：以上化学成分范围仅供参考，实际生产按目标值控制。

3　试生产质量问题分析

3.1主要质量问题

特钢厂设备调试初期，进行了高品质耐磨球用钢5个牌号的试生产，产品整体质量较差，不能满足高品质耐磨球的使用要求，存在的质量问题有：

1)钢水洁净度差，非金属夹杂物较多，且级别较高，90%以上比例非金属夹杂物不能满足≤1.5级的需求，特别是存在大颗粒B类夹杂物。

2)残余元素及有害气体含量较高，只能满足w(P)≤0.030%，w(N)≤100×10-6的需求。

3)连铸钢坯和轧材低倍质量差，存在较严重的中心疏松和缩孔，铸坯中心偏析较重等，特别是B3，B6，B7，BU铸坯低倍质量缺陷严重，中心疏松、缩孔级别较高，如表3所示。连铸坯经轧制后低倍质量虽有所改善，但仍存在较重的中心疏松和缩孔残余等缺陷，钢材致密性差，表4为典型钢种B7试生产低倍检验数据，轧材中心疏松≤1.5级的比例仅为46.4%，钢棒在轧球和热处理过程中容易开裂，不能完全满足后续钢球加工的需求，BU和B6轧材检验发现低倍质量差，疏松和缩孔严重，无法进行轧球生产。

表3　试生产品种及连铸坯低倍质量

表4　试生产轧材低倍检验数据(以典型钢种B7为例)

4)热轧圆棒表面质量较差，存在耳子、折叠、裂纹、划伤等表面质量缺陷。

3.2质量分析

3.2.1非金属夹杂物超标分析

1)转炉出钢碳过低，钢水过氧化现象严重；出钢温度偏低，LF精炼透气塞搅拌效果差，精炼前期脱氧产生的大颗粒夹杂物上浮困难，化渣困难，精炼成渣速度慢，影响夹杂物的去除，精炼升温时间长，渣线砖受高温辐射侵蚀严重，易污染钢水；合金在精炼炉加入，影响精炼效果；炉后的脱氧操作、渣料调整不到位等问题，影响精炼效果。

2)精炼渣吸附夹杂物的能力差，不能完全去除已经产生的B类夹杂物。

3)钢水真空处理结束后，在软吹、连铸浇注过程中二次氧化严重。

4)在冶炼过程前期加铝较少，真空处理结束后补铝严重，达到补铝线160 m左右，补铝过程存在钢水裸露、氧化现象，而且没有充足时间保证夹杂物上浮。

5)钢包及中间包耐火材料侵蚀严重，导致外来夹杂物产生。

6)原辅材料质量不稳定和生产组织及节奏控制上不到位，对钢水纯净度产生影响。

3.2.2残余元素和氮气控制

1)转炉出钢下渣、回磷现象偏重,回磷量≥0.005%。

2)氮在钢水中的形成及增加主要在于转炉终点控制、转炉出钢合金化过程中、精炼埋弧造渣、吹氩控制、连铸的吸氮、原辅材料中含氮情况，在VD处理过程中氮含量会有所降低，以上因素综合影响钢材中氮含量的高低。在生产过程中以上环节如果控制不好都会影响钢水中氮含量，尤其是连铸大包水口与长水口之间保护不好时容易增氮，以及中间包水口与浸入式水口之间密封不好也容易增氮，连铸做好保护浇铸是氮气控制的重点。

3.2.3连铸钢坯和轧材低倍分析

通过对生产线工装能力、产品质量情况及结合耐磨球用钢的品种特性进行调研分析，铸坯低倍疏松、缩孔残余、偏析是此类高碳钢连铸过程质量控制的重点，也是质量控制的难点。该特钢厂耐磨球用钢轧材低倍质量较差，主要是由于铸坯存在较严重的中心疏松、偏析、缩孔导致，虽经过热轧后其心部质量有所改善，但因粗轧非大辊径开坯、大压下量轧制，心部的轧制力渗透不足，内部质量改善有限。而导致连铸坯低倍质量问题的因素主要有钢水纯净度较差、连铸过热度较高，拉速较高，电磁搅拌参数不合理等。

3.2.3.1 钢水过热度的影响

浇注温度是影响柱状晶生长的重要因素。浇注温度高，铸坯柱状晶发达；浇注温度低，铸坯等轴晶发达[2]。因此，在不造成水口凝结的情况下，尽可能采用低过热度浇注。对于此类高碳钢，应尽可能进行低过热度浇铸，中间包第一炉过热度控制≤40 ℃，连浇炉控制在20～30 ℃范围之内。

3.2.3.2 拉速的影响

拉速也是影响柱状晶生长的重要因素。原工艺的拉速偏大，铸坯在结晶器内停留时间短，铸坯液芯延长，推迟了等轴晶的形核和长大，扩大了柱状晶区，易产生中心疏松和中心缩孔。降低拉坯速度，利于减轻中心疏松和中心缩孔等缺陷，在中间包过热度合适的范围内采用恒拉速浇注，根据断面不同制定恒拉速浇铸工艺。

3.2.3.3 连铸工艺的影响

1)根据不同牌号钢种具有不同的化学成分、材料特性，优化结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌工艺参数。如结晶器电磁搅拌电流过大，易产生卷渣和加重中心区域的偏析和疏松；末段电磁搅拌电流过小，不能起到良好的冶金效果，对柱状晶不能有效打碎，不能增大等轴晶的面积，导致铸坯疏松和缩孔残余严重。

2)适当降低二冷水比水量。冷却不均或冷却过强会导致中心疏松和中心偏析加剧。

3)结合过热度与拉速的变化，对轻压下参数进行优化、调整，推算液芯长度和最有效的轻压下模式。

3.2.3.4 轧制工艺的影响

1)加热制度的影响：鉴于高碳(高Si)钢导热性差，裂纹敏感性强、铸坯低倍质量差等特点，同时，为保证磨球钢的致密度，一般需大断面规格坯料进行大压缩比轧制，不同轧材规格，使用不同断面规格的铸坯，因此坯料加热工艺控制是工艺控制的重点。冷坯进炉加热，前期升温速度不宜过快，否则铸坯内外温度差越大，产生的内应力超出钢坯强度极限，易产生开裂和裂纹；铸坯在高温段加热需进行适宜的加热温度、加热时间、加热速度控制，既要保证加热质量，又要对脱碳层和内部组织进行控制。保证铸坯均匀透烧，其心部的严重偏析才可进行有效高温扩散，铸坯心部温度较高时，利于轧制时轧制力向心部渗透，有效压合疏松、缩孔等缺陷[3]。

2)轧制制度的影响：利用开坯的单道次大压下量轧制和粗轧后中间轧件内部温度高于表面温度两种控制思路，使得轧制力向铸坯心部渗透，进行控制轧制，有效地改善铸坯心部质量，压合疏松、缩孔质量缺陷，提高钢材致密度。

3)钢材的缓冷：钢材进行缓冷的目的是消除残余应力和防止白点质量缺陷的发生。同时，有效的缓冷措施也能进一步改善钢材的一般疏松。

4　工艺的优化、完善

通过对磨球钢产品特性的分析，结合生产线现有工装及初期产品质量情况，对生产工装和操作方式进行了适当的改进，对主要影响高品质耐磨球用钢质量的工艺进行了优化，如终点碳的要求、合金化加料顺行、精炼渣的成分、脱氧方式、钢水过热度、拉速等连铸工艺、轧制工艺参数进行了优化，并进行了连续四个月的批量生产，坯、材质量明显提升，满足高品质耐磨球用钢质量需求。全系列高品质耐磨球用钢关键岗位质量控制点工艺要求如表5所示。

5　批量生产质量情况

5.1铸坯低倍质量

经过连续4个月的批量生产，共开发10个牌号，累计产量近12万t，轧材规格为Ф40～105 mm，铸坯低倍质量明显改进，表6和图1为典型品种B7工艺优化后低倍质量情况。

表5　全系列高品质耐磨球用钢关键岗位质量控制点工艺要求

表6　B7铸坯低倍质量逐月统计(工艺优化后)

图1　B7铸坯中心疏松占比示意图

5.2钢材低倍质量

工艺优化后，从钢材取样低倍抽检情况来看，所有钢种低倍质量情况较之前有明显好转，中心疏松、一般疏松得到有效控制，目前中心疏松、一般疏松整体级别≤1.0级，90%以上≤0.5级，酸浸低倍样上无肉眼可见缩孔缺陷。以**年5，6月钢材低倍质量为例，钢材心部致密度高，低倍质量良好，钢材经磨球厂探伤、轧球、热处理后，加工使用良好，满足高品质磨球质量需求。磨球钢轧材低倍统计情况如表7所示，磨球钢轧材中心疏松、一般疏松级别占比如图2，3所示。

表7　磨球钢轧材低倍统计

图2　磨球钢轧材中心疏松级别占比示意图

图3　磨球钢轧材一般心疏松级别占比示意图

5.3其他质量方面

批量生产后，钢中非金属夹杂物得到有效控制，除个别炉次夹杂物超标外，整体指标控制在粗系≤1.5级，细系≤1.0级，达标率达到95%以上。气体含量w(H)≤1.0×10-6，w(O)≤15×10-6，w(N)≤70×10-6。钢材无过热、过烧现象，片层珠光体组织分布均匀，奥氏体晶粒度细小，晶粒度在6.5～7.0级之间。轧钢时结合残氧检测，确保煤气充分燃烧，有效控制了全脱碳层深度，脱碳层深度≤0.8%D，高于国家标准要求。钢材表面划伤等缺陷得到了有效控制，但偶有少部分钢材上存在耳子、裂纹等缺陷。

6　结束语

(1)利用转炉-连轧生产线，采用310 mm×360 mm连铸坯轧制≤Ф105 mm规格的磨球钢棒材，压缩比≥10，在连铸工艺与热轧工艺共同优化、相互弥补的前提下，棒材内部质量致密度高，低倍质量良好，产品质量可满足高品质耐磨球用钢的需求。

(2)对于高碳合金耐磨球用钢，连铸应遵从弱冷慢拉的工艺思路，才能有效保证铸坯低倍质量。

(3)对于高碳合金耐磨球用钢，轧制工艺应优先考虑热轧生产方式。冷装入炉时，应采取先期缓慢升温，后期快速升温的加热思路，高温轧制、道次大压下量轧制和轧制力心部渗透技术，是轧钢工序有效改进铸坯低倍质量的手段，在一定程度上能有效促进铸坯中心疏松和缩孔残余的压合。

[1]于桂玲, 苗红生，等.轴承钢的脱氧工艺优化[J]. 炼钢，2001,17(1): 27—30.

[2]王忠英.轴承钢大方坯连铸工艺研究[D].北京：钢铁研究总院，2001.

[3]于天忱，范连明，张元韬，等.低表面温度轧制大规格轴承钢GCr15工艺实践[J].中国冶金，2011，21(2): 34—37.

2016-04-16

吕纪永(1967—)，男，工程师。E-mail:yelangbalu@163.com

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