模具钢连铸坯内部质量优化实践

田永久，于海岐，刘清海，崔福祥，方恩俊，吕志勇，黄岩

（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口115007）

模具是工业生产的基础工艺装备，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。随着我国模具行业的迅速发展，模具钢用量不断增加，特别是大型、精密、复杂、长寿等技术含量高的模具比例逐年增大。鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司（以下简称“鲅鱼圈”）的宽厚板连铸机自投产以来，逐步以生产300 mm×2 100 mm以上超宽、超厚规格连铸坯为主，98%以上的连铸坯直供5500 mm轧机，轧后缺陷平均发生率为0.58%，主要产品结构为船板钢、管线钢、桥梁钢、容器钢、模具钢、核电钢及止裂钢等。尽管模具钢产量占比仅为9.3%，但缺陷发生率明显高于其他钢种，主要为轧后钢板内部“硬芯”、“砂眼”缺陷，发生率达1%以上，严重影响了产品整体质量。为此，本研究针对模具钢种的缺陷进行系统分析，在对连铸坯、轧材检验分析的基础上优化了生产工艺，制定了模具钢内部质量控制技术，彻底消除轧材“硬芯”、“砂眼”缺陷，提高了模具钢连铸坯内部质量。

1 生产设备及工艺流程

1.1 设备概况

鲅鱼圈模具钢连铸坯生产设备概况为：3座260 t铁水预处理装置，3座260 t顶底复吹转炉，2套260 t LF钢包精炼炉，2套260 t RH真空脱气炉，2台1机2流1450板坯连铸机，可生产规格为200 mm×（750～1 450 mm）的连铸坯，1台单流2300板坯连铸机，可生产规格为300 mm×（1 550～2 300 mm）的连铸坯，铸机均采用 VAI公司的动态轻压下技术、液位自动控制及二冷水自动控制模型等控制系统。

1.2 工艺流程

模具钢生产工艺流程如下：

铁水预处理→转炉冶炼→精炼 （LF→RH）→1450连铸机浇铸 （常规板坯）/2300连铸机浇铸（厚板坯）

1450连铸机主要生产供薄规格模具钢（成品厚度≤50 mm）的连铸坯，产量相对较低，内部质量相对稳定；2300连铸机主要生产供厚规格模具钢（成品厚度≥100 mm）的连铸坯，如 45、50、热塑模具钢1.2311等。

2 内部质量影响因素分析

2.1 连铸坯低倍检验分析

随机选取300 mm×2 300 mm规格模具钢铸坯做热酸低倍检测，铸坯热酸低倍缺陷形貌见图1，铸坯热酸低倍评级结果见表1所示。

图1 铸坯热酸低倍缺陷形貌Fig.1 Macrostructure Appearance of Defects in Casting Blanks after Pickling by Hot Acid

表1 铸坯热酸低倍评级结果Table 1 Macrostructure Rating Results of Casting Blanks after Pickling by Hot Acid

从图1看出，连铸坯中心偏析、中间裂纹严重；由表1看出，中间裂纹达到3.0级。经测量，中间裂纹距离铸坯内弧表面40～90 mm。

为确定铸坯热酸低倍评级和钢板内部缺陷的对应关系，将以上铸坯轧制为95 mm×2 300 mm规格钢板，对钢板取样检验，进一步分析内部组织形态的变化。

2.2 轧材检验分析

按照普轧工艺轧制钢板，并沿钢板厚度方向采用机械切割观察断面质量，如图2所示。由图2可见，钢板厚度1/4位置肉眼可见一处“砂眼”缺陷。本研究对缺陷位置取全厚度试样，经磨制、抛光、腐蚀后观察组织形貌。

图2 钢板断口形貌及缺陷取样Fig.2 Fracture Appearance of Steel Plates and Samples Taken at Defects

2.2.1 全厚度钢板金相显微镜检测

为了研究钢板性能变化规律，对试样的表面、厚度1/4、中心分别做金相显微镜及洛氏硬度检测，结果见图3。由图3（a）看出，表面组织较为细小均匀，为回火索氏体组织及碳化物，无偏析组织，测得洛氏硬度为 28 HRC；由图 3（b）看出，厚度1/4位置组织为回火索氏体+回火马氏体+碳化物，部分组织依然保留马氏体位向关系，存在轻微偏析，测得洛氏硬度为32 HRC；由图3（c）看出，芯部组织为回火索氏体+回火马氏体+铁素体，发现少量块状白亮偏析组织，测得洛氏硬度为44 HRC。

图3 钢板表面、厚度1/4和芯部组织金相显微镜及洛氏硬度检测结果Fig.3 Microstructural Test Results of Steel Plate Surface,1/4 Thickness in Steel Plate and Center in Steel Plate Detected by Metallurgical Microscope and Rockwell Hardness Checking

此类钢板基体组织要求洛氏硬度控制在28～36 HRC以内，上述分析得知，钢板表面及1/4位置满足要求，芯部洛氏硬度远远高于其他位置且已超出标准要求，存在“硬芯”缺陷。

2.2.2 全厚度钢板原位分析检测

为确定偏析元素种类及分布，对钢板厚度（95 mm）方向原位分析检测，结果如图4。由图4看出，主要偏析元素为 C、P、Cr、Mn、Si，计算各元素偏析度 （最大值/平均值）顺序为P（3.76）>Cr（2.63）>Mn（2.10）>C（1.96）>Si（1.73）。

图4 全厚度钢板原位分析检测结果Fig.4 In-situ Analysis Results of Steel Plate in Through Thickness

2.2.3钢板缺陷金相显微镜检测

为确定缺陷形成时机，测量“砂眼”缺陷位置,距离钢板上表面20～40 mm截取缺陷试样，对缺陷做金相显微镜检验，缺陷抛光态组织和腐蚀态组织见图5。由图5（a）可以看出,在缺陷位置试样内可见一条主裂纹呈折线状向内扩展，裂纹尖端尖锐，部分裂纹内存在脱碳层；由图5（b）看出,试样基体显微组织为珠光体+网状铁素体，缺陷处显微组织为珠光体+网状铁素体，与基体组织形态略有不同，存在一条裂纹。

图5 缺陷抛光态组织和腐蚀态组织Fig.5 Microstructures of Defects in Polished State and Corroded State

综合上述检验结果可知，钢板“砂眼”缺陷同铸坯中间裂纹位置一一对应，可确定为铸坯态产生的中间裂纹轧后遗传导致。

3 工艺优化及应用效果

3.1 优化钢种成分

冶炼过程均按照低磷钢标准控制P元素含量（≤0.015%）；对主要的易偏析元素Cr、Mn的成分进行了两次优化，在满足钢种性能前提下逐步降低其含量，以抑制铸坯中心偏析，成分优化后铸坯中心偏析情况见表2。

表2 成分优化后铸坯中心偏析情况Table 2 Situation on Central Segregation of Casting Blanks after Optimization of Compositions

3.2 优化二冷配水比例

比水量由原来的0.63 m/h降低至0.38 m/h，采用弱冷方式，降低铸坯宽度、长度方向的温度梯度，抑制中间裂纹产生。

3.3 优化辊缝评价标准

辊缝偏差由原来的±1.0 mm提高至±0.5 mm以内。通过提高辊子堆焊材质，避免在使用中出现辊面脱落；规范润滑系统及保护气体检验、使用标准；使用力矩扳手紧固螺栓，消除受力不均导致的间隙变化；清理扇形段各基准面、水口、液压管周围，并做好防护。

图6 为优化前后辊缝及中间裂纹对比，由图6可知，优化后辊缝±0.5mm合格率由83%提高至96%，铸坯中间裂纹≤1.0级合格率由77%提高至96%。

图6 优化前后辊缝及中间裂纹对比Fig.6 Comparison of Roll Gap and Intermediate Cracks before and after Optimization

采取上述优化工艺后，模具钢内部质量稳步提高，铸坯中心偏析≤B0.5级的比例达到100%，铸坯中间裂纹稳定控制在1.0级以下，轧后钢板内部“硬芯”、“砂眼”缺陷发生率为零。

4 结语

采用酸洗、金相检验、原位分析等方法对模具钢种连铸坯和钢板缺陷试样进行了检测，分析认为模具钢“硬芯”缺陷为连铸坯中心偏析导致；模具钢“砂眼”缺陷为连铸坯中间裂纹导致。据此对模具钢的生产工艺进行了优化，优化钢种成分，冶炼过程P含量保持≤0.015%，降低主要易偏析元素Cr、Mn的含量；优化二次配水比例，比水量由0.63 m/h降低至0.38 m/h；优化辊缝评价标准，辊缝偏差由±1.0 mm提高至±0.5 mm以内。工艺优化后，铸坯中心偏析≤B0.5级的比例达到100%，铸坯中间裂纹稳定控制在1.0级以下，轧后钢板内部“硬芯”、“砂眼”缺陷发生率为零。