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A4Cr5MoSiV1高合金芯棒的开发研制

陈勇，王宁，孙彦妮

(鞍钢股份有限公司)

摘 要：利用鞍钢现有转炉冶炼技术和连铸连轧设备，开发了A4Cr5MoSiV1高合金芯棒。研究表明，试制的φ102．3mm和φ144．9mm两种规格的或品芯棒，显微组织均匀，横向V型缺口冲击功≥20J。成品几何尺寸精度高，各项性能指标均达到了预期目标。

关 键 词：连铸连轧；A4Cr5MoSiV1钢；高合金；芯棒

限动芯棒是连轧机组的重要变形工具，其使用寿命的长短及稳定性直接影响着无缝钢管的生产效率及成本。目前，国内能稳定从冶炼到机械加工成品的完整工序生产芯棒的只有河南中原特钢和宝钢等少数几个企业。鞍钢无缝钢管厂芯棒年需求量在400支左右，约2000万元，占轧制成本较大。该厂利用现有转炉冶炼技术和连铸连轧设备，开发了A4Cr5MoSiV1高合金芯棒料，实现了限动芯棒自制，降低了生产成本。

1  芯棒坯料的开发

A4Cr5MoSiV1高合金芯棒生产工艺路线为：铁水预处理+转炉双联+炉后扒渣+LF精炼+VD真空处理+弱吹氩+方坯浇铸+连轧轧制+下线缓冷。

1．1  芯棒坯料生产的关键技术

A4Cr5MoSiV1钢含碳量相对较低，合金元素偏高，合金总量大约在8％以上。由于碳和合金元素易发生中心偏析，致使钢中形成一种亚稳定共晶碳化物，这种共晶碳化物呈多角状、链状和网状分布，使模具或构件早期失效。另外，轧制工艺制定不合理也会造成碳化物带状严重偏析。根据有关文献介绍，可在冶炼方面采取措施来提高A4Cr5MoSiV1钢的性能。鞍钢在制造A4Cr5MoSiV1钢时主要采取了以下措施：

1)采用转炉内、大罐分批加合金和炉后吹氩方式，以提高Cr收得率。

2)采取双联法冶炼，控制钢水中P含量，保证钢水验收成分。

3)采用LF+VD+弱吹氩搅拌工艺，降低钢水夹杂物含量，提高钢质纯净度。

4)采用低过热度和低拉速控制及弱冷技术，改善钢的内部组织结构，降低中心偏析、疏松和缩孔。

5)延长均热时间，提高头尾部温度均匀性，保证轧制质量。

1．2  化学成分

参考鞍钢无缝钢管厂159MPM机组使用芯棒、国内其他钢厂使用芯棒及进口芯棒的钢种成分，设计出自制芯棒钢种成分及实际熔炼成分，见表1。

1．3  纯净度控制

研究表明，降低钢中S、P含量，可以显著提高冲击韧性，减小横纵向韧性差别，提高材料的等向性。据参考文献介绍，将A4Cr5MoSiV1钢的S、P含量从0．030％降低到0．010％，可使冲击韧性提高1倍左右，并显著改善抗热疲劳性能；在45HRC硬度下，可使冲击韧性从31J提高到102J；在抗拉强度1550MPa下，当钢中S含量从0．005％降低到0．003％时，可提高冲击韧性约13J。美国压铸协会NADCA#207—2003标准规定：优级H13钢的含硫量应≤0．005％，而超级钢要求S≤0．003％，P≤0．015％。A4Cr5MoSiVl钢限动芯棒技术条件要求S≤0．008％，S+P≤0．020％。

控制铁水温度≥1300℃，铁水P含量≤0．007％。转炉采用双联法冶炼，前半钢通过加入合理渣料，采用低氧压操作，碳控制在2．60％～2．80％，磷控制在0．010％以下。双联后半钢，炉渣碱度控制在2．6左右，出钢碳控制在0．06％~0．09％，出钢磷控制目标为0．003％以下。出钢使用挡渣锥进行挡渣，严禁出钢下渣，出钢后采用钢水扒渣，扒渣后盖覆盖剂。

采用铁水预处理技术，铁水脱硫扒渣S≤0．002％，转炉采用低硫白灰，出钢S≤0．005％。LF造碱性还原渣，通过合理氩气搅拌，保证炉渣碱度控制在4．0～5．0左右，出LF前用白灰盖罐，出LF后S≤0．001％。通过VD真空脱气搅拌，上机S可以控制在0．0008％以下。

以上措施有效控制了S、P含量，P≤0．005％，S≤0．001％。不但满足了限动芯棒技术条件要求，同时满足了NADCA#207—2003标准超级H13钢要求，为芯棒的横向V型缺口冲击韧性达到较高水平提供了保证。

1．4  大方坯连铸

采用结晶器断面为280mm×380mm弧形大方坯连铸机生产，机前拉速0．55～0．6m／min，恒拉速操作，过热度为10～18℃，二冷冷却水量0．20～0．25m³/t，采用结晶器电磁搅拌和凝固末端段电磁搅拌技术。

1．5  铸坯轧制

将280mm×380mm×5m方坯轧制成Φ111mm×10．2m圆坯。加热炉采用独特的加热制度，要求预热段温度控制在1000℃以下，延长均热时间，使初轧温度达到1220℃以上，在炉时间6h以上。为提高钢材的致密性，增加了轧制变形量，采用先小后大压下量的多道次轧制工艺，防止产生裂纹缺陷。快速抢温轧制，保证轧制终了温度大于1000℃。

铸坯缓冷也很重要，如果缓冷不好，铸坯易形成马氏体，重新轧制时很容易开裂，甚至发生断裂。因此要求下线铸坯要进行堆垛缓冷，缓慢冷却到室温。堆垛方式：下面铺一炉下线热铸坯，上面盖一炉热铸坯，中间摆放A4Cr5MoSiV1铸坯。为防止空冷，形成马氏体而产生裂纹，成品要抢温下冷床堆垛缓冷。成品堆放在出钢槽内，要求该槽周围存放上浇次热钢坯，缓冷72h至室温。冷缩系数按1．3控制，锯切采用低流量雾化水冷却锯片，以减少对轧材端部的影响。

2  芯棒制造工艺

芯棒规格为Φ102．3mm和Φ144．9mm丝扣连接单头芯棒。

2．1  热处理工艺

炉温500℃时，芯棒试样入炉，温度升高到900℃后保温3h，继续升温到1040℃，保温6h后通过淬火进行冷却，采用640℃与650℃二次回火工艺，彻底消除淬火产生的内应力，避免开裂。

3  性能检测

3．1  机械性能

随机选取3支芯棒取样做一拉三冲试验，室温机械性能标准和检验结果。从3组试样的屈服强度及抗拉强度完全满足要求，延伸率及断面收缩率超过标准要求，冲击性能良好，机械性能完全符合标准要求。

3．2  宏观检验

3组试样经50％工业盐酸水溶液，在60～65℃浸蚀后，未见皮下气泡、裂纹和明显夹杂，存有一般疏松0．5级、中心疏松0．5级、偏析1．0级，符合GB/T699—1999要求。

3．3  金相检验

非金属夹杂物检验结果。3组试样均有A、B、C、D类夹杂物，级别均在0．5级到1．0级之间，经650℃回火后的组织为回火托氏体+回火索氏体，组织较为均匀，碳化物弥散析出。之后对试样进行奥氏体晶粒度的腐蚀试验，晶粒度为7．0级。由此说明，淬火温度对组织有很大影响，选择合适的淬火温度能使钢具有良好的淬火组织，同时保持细小的晶粒。

3．4  芯棒外观检验

芯棒加工完毕后，对试制的12支芯棒进行了外径、硬度、光洁度和镀铬层厚度检验。其中外径、硬度和镀铬层厚度的测量位置分别在芯棒圆周0°、取其平均值。以1号芯棒(Φ102．3mm)测量数据为例。

由此芯棒外径全部合格；硬度分布比较均匀，在335～372HB范围内，同一支芯棒上测量的最大值和最小值偏差最大值为42HB；镀铬层均匀，表面光洁。

4  现场使用

自制芯棒分别在159MPM机组和177PQF机组进行了实际生产试验，芯棒规格分别为Φ102．3mm和Φ144．9mm，轧制的J55油井管规格分别为73．02mm×5．51mm、139．7mm×7．72mm。为了与国产芯棒进行比较，轧制时各有一支外购芯棒同时投入使用。使用过程中，芯棒没有发生磕、碰等异常现象，两种芯棒轧制力曲线无异常。对轧制后的成品钢管内表面进行检查，光滑无异常。无内直道缺陷发生，完全满足产品质量要求。芯棒出伤后及时换下，并统计了轧制情况。

对使用后的芯棒进行表面检查和测量，从端头500mm开始，每隔1m进行一次测量，主要测量镀铬层厚度、外径和硬度。测量结果显示，镀铬厚度基本无变化，而且数据总体趋势与使用前一致；两种自制芯棒使用后表面状态看出，芯棒表面缺陷主要为划伤、微裂纹，个别芯棒出现均裂现象。

5  结论

1)采用转炉冶炼和连铸连轧技术自制A4Cr5MoSiV1高合金芯棒可行，自制芯棒的质量接近国外先进水平。

2)研制的芯棒显微组织均匀，横向V型缺口冲击功≥20J，几何尺寸精度高。

3)自制芯棒试用结果表明，其使用寿命达到了外购芯棒的使用效果，可以实现部分规格芯棒自给自足，降低连轧机组轧制成本。

4)今后将对芯棒各种出伤状态做进一步分析，查找原因，为后期改进与完善提供依据。