圓坯連鑄機(jī)工藝分析

在本人多年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋼鐵工業(yè)現(xiàn)場，總結(jié)出一份綜述文章來闡述圓坯連鑄一些關(guān)鍵性的問題，供有關(guān)的公司領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員作為決策和組織生產(chǎn)的參考之用。

1  大圓連鑄機(jī)的發(fā)展

大圓連鑄機(jī)的發(fā)展是從無縫鋼管需求而來的，上個世紀(jì)70年代次石油危機(jī)后，各國大力開發(fā)節(jié)能產(chǎn)品，推動了近終形連鑄技術(shù)發(fā)展，大規(guī)格圓坯就是近終形連鑄的產(chǎn)品之一。采用連鑄圓坯直接生產(chǎn)無縫鋼管主要鑒于：

（1） 成本優(yōu)勢：顯而易見的是采用軋鋼的方式獲得的圓坯，雖然表面和內(nèi)在質(zhì)量較高，但是軋鋼工序至少需要30KWh/耗和1.2吉焦/t的加熱能耗，按照當(dāng)前的軋制費(fèi)用至少噸鋼需要150圓加工費(fèi)用，直接采用連鑄圓坯來生產(chǎn)無縫鋼管，完全節(jié)約了軋制費(fèi)用，對節(jié)能減排國策有利，對企業(yè)的成本控制有利；

（2） 大規(guī)格產(chǎn)品的需要：無縫鋼管發(fā)展逐漸從小規(guī)格向大規(guī)格發(fā)展，目前生產(chǎn)的無縫鋼管從Φ0.6mm一直可達(dá)到Φ450mm，國內(nèi)的一些廠家甚至可以達(dá)到1000m直徑的無縫鋼管。這么大的無縫鋼管需要的原料也是巨大的，使用鋼錠或者大型連鑄坯來軋制往往就不可能，或者是代價高昂，市場必然選擇了鑄造圓坯，而且相對說來，大直徑的圓坯連鑄比小直徑圓坯要好控制一些；

（3） 認(rèn)識上的提高：幾十年前人們的認(rèn)識停留在鍛造和軋鋼的壓縮比要達(dá)到5以上，才能給無縫鋼管提供合格的管坯，這樣就的限制了圓坯連鑄的發(fā)展。經(jīng)過科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員的不斷努力，認(rèn)識到連鑄圓坯形成的縮孔和疏松在無縫鋼管穿孔和軋制過程中能夠得到有效的焊合，合理和必然存在別的疏松和縮孔對于鋼管的內(nèi)在質(zhì)量沒有負(fù)面的影響，穿孔過程實(shí)質(zhì)就是在斜軋旋向相反軋輥和頂頭共同作用下，螺旋前進(jìn)的圓管坯內(nèi)部產(chǎn)生撕裂和焊合的過程，在無縫鋼管芯棒和軋輥的作用下，能夠達(dá)到相當(dāng)大的壓縮比，將鑄坯的疏松給予焊合，達(dá)到無縫鋼管的使用條件。理論的支持促進(jìn)了圓坯連鑄的發(fā)展。

無縫鋼管穿孔解剖實(shí)驗(yàn)

時代是在前進(jìn)的，大圓連鑄機(jī)問世30多年，很多技術(shù)業(yè)已成熟，只不過國內(nèi)還沒有掌握到位，公司大膽吸取國外成熟公開的技術(shù)，集眾家所長，發(fā)揮中國人的聰明才智，大膽創(chuàng)新，設(shè)計了大圓連鑄機(jī)。

這套連鑄機(jī)的設(shè)計建成，開創(chuàng)了我國大型圓坯連鑄機(jī)設(shè)計制造的先河，中國人在這個技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)和歐洲站在了同一水平上了。這套連鑄的投產(chǎn)非常順利，次熱負(fù)荷試車就連續(xù)生產(chǎn)，經(jīng)過鋼鐵公司和工程技術(shù)人員不斷的努力，產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高，成為國內(nèi)流的管坯鋼供應(yīng)商，圓坯良好的內(nèi)外在質(zhì)量得到用戶的高度評價，所有來參觀、學(xué)習(xí)、培訓(xùn)的國內(nèi)外同行和領(lǐng)導(dǎo)為這套連鑄機(jī)而感嘆和震撼，國內(nèi)很多領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員看過這個連鑄機(jī)?？陀^地說，她代表了中國大圓連鑄機(jī)高水平，至今生產(chǎn)出來的產(chǎn)品品質(zhì)也是中國流的，見圖3。要生產(chǎn)的圓坯，就有流的連鑄設(shè)備，根據(jù)的理論和實(shí)踐完全能夠承接圓坯和方坯兼容的連鑄機(jī)。

設(shè)計制造的無錫鋼鐵公司大圓連鑄機(jī)在生產(chǎn)

圓坯離開結(jié)晶器進(jìn)入二冷

反映的是直徑380mm圓坯二冷零段冷卻，這個區(qū)域一般稱為足輥段冷卻，注意這里是沒有足輥的，作者始終認(rèn)為圓坯不用足輥加持，因?yàn)殡x開銅管約束后的圓坯具有厚度固態(tài)坯殼，固態(tài)坯殼圓環(huán)具有的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方坯和矩形坯薄弱之處，不會被鋼水被鋼水靜壓造成鼓肚缺陷的，唐工在設(shè)計所有的圓坯連鑄機(jī)上都不要足輥來支撐鑄坯，僅僅在外弧上設(shè)置一個足輥，目的僅僅是給送引錠桿扶正之用，而且這個足輥至少離開外弧1mm的距離。沒有足輥的限制，零段噴嘴可以覆蓋鑄坯表面，給二冷創(chuàng)造了有利條件，同時大大減輕了結(jié)晶器維護(hù)的壓力，也避免了由于足輥卡死造成的鑄坯表面劃傷。

天鋼聯(lián)合6流圓坯連鑄機(jī)全景

聯(lián)合6流連鑄機(jī)投產(chǎn)照片，其產(chǎn)品規(guī)格一直到φ350mm圓坯。

2  圓坯連鑄鋼種和要求

2.1  連鑄圓坯的鋼種

大圓坯連鑄機(jī)主要面對的市場是無縫鋼管和鍛造用坯：

（1） 無縫鋼管生產(chǎn)用管坯鋼：無縫鋼管生產(chǎn)量大，相對說批量較大，冶煉和連鑄容易組織工業(yè)化生產(chǎn)，可以達(dá)到相應(yīng)的批量來組織規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，無縫鋼管管坯鋼生產(chǎn)量約占大圓連鑄機(jī)產(chǎn)能的80％；

（2） 鍛造用材：主要是面對小斷面鍛造用鋼。比如小斷面軸類用材，中小規(guī)格的齒輪用鋼和齒輪軸用鋼；直徑范圍在1-5米的齒圈用鋼等。鍛造坯料生產(chǎn)特點(diǎn)是批量較小，但鋼種相應(yīng)簡單。從鑄坯的內(nèi)在質(zhì)量來看，鍛造發(fā)展的方向是盡可能使用圓連鑄坯，這是因?yàn)閳A坯幾何尺寸的優(yōu)越性形成了均勻的一維傳熱，結(jié)晶凝固過程中的內(nèi)在質(zhì)量明顯高于大方坯和大矩形坯，給鍛造工序創(chuàng)造了高質(zhì)量的先決條件。

無縫鋼管穿管使用的管坯鋼面對下游各家客戶群，規(guī)范的用戶在使用外購來的管坯鋼都需要進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。在軋制無縫鋼管之后，需要對材料進(jìn)行各種力學(xué)性能、金相組織、耐腐蝕性能、成形性能等進(jìn)行檢驗(yàn)。雖說管坯鋼在冶煉廠生產(chǎn)檢驗(yàn)的項目不多，但是其軋制成形后的各項性能是需要冶煉廠方需要保證的。對材料化學(xué)成分和鋼水潔凈度的控制是根據(jù)不同使用工況而變化的，需要過硬的質(zhì)量保證體系來保證。

無縫鋼管用鋼主要分為油井管用鋼、輸油輸氣用管、高壓鍋爐管、高壓液壓管路、氣瓶鋼管、化學(xué)耐腐蝕條件用管和一般流體介質(zhì)用管和結(jié)構(gòu)用管，這些鋼管對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不同，用戶使用條件不同，造成了無縫鋼管用鋼千差萬別。

2.2  油井管用鋼

油井管用鋼主要涉及的標(biāo)準(zhǔn)為美國的API標(biāo)準(zhǔn)，其它標(biāo)準(zhǔn)都是API的翻版和變種，掌握了API標(biāo)準(zhǔn)基本上就可以涉及世界主要的油井管。

（1） J55和K55系列：對應(yīng)的鋼種有37Mn5，30Mn2等；

（2） N80系列：主要是非調(diào)鋼，33Mn2V、36Mn2V等；

（3） P110系列：生產(chǎn)過程中一般在J55系列鋼種中加入鈮、釩、鈦微合金化元素，通過調(diào)質(zhì)處理達(dá)到需要的強(qiáng)度和韌度指標(biāo)。但用戶和協(xié)作，使用30Mn2鋼種，通過熱處理調(diào)質(zhì)處理達(dá)到P110各項指標(biāo)要求，減少了合金使用量，降低了使用成本，這個鋼種的量是比較大的；

（4） C90、Q125系列：這些都是在特定條件下使用的套管，要求耐大氣、硫化氫和二氧化碳等酸性和堿性介質(zhì)的腐蝕，主要鋼種是30CrMo、28CrMo等系列的鋼種；

（5） 輸油輸氣無縫鋼管：這就是大家熟悉的X42、X50、X60、X65、X70系列的鋼種，這個鋼種對于板坯連鑄機(jī)來說生產(chǎn)比較成熟，但對于大圓坯生產(chǎn)來說難度較大。主要的鋼種有14Mn、16Mn、20Mn、27CrMo4s、28CrMo44、30CrMo4s、14MnV、14MnVNb、08MnVNbTi等；

（6） 鉆桿用鋼管：代表鋼種為2Cr3Mo；

（7） 油管：這是等級高的鋼，都是企業(yè)制訂的標(biāo)準(zhǔn)，比如生產(chǎn)的FT－2，F(xiàn)T－3等。

在地質(zhì)條件復(fù)雜油田的油井管中，由于二氧化碳、硫化氫、氯離子等酸性介質(zhì)的腐蝕，加上原油黏度大，需要反復(fù)使用高溫高壓蒸氣加熱降低原油的黏度，所以對熱沖擊和特殊扣都提出了很高的要求。需要的套管就是超級13Cr的鋼種了，這就是不銹鋼的范疇了，需要有RH真空脫碳設(shè)備，生產(chǎn)超低碳的不銹鋼才能滿足需要，這些鋼種和超超臨界的高壓管相近。

2.3  高壓鍋爐鋼

高壓鍋爐鋼主要使用美國的asme標(biāo)準(zhǔn)和我國的標(biāo)準(zhǔn)。

這些鋼種代表了超臨界高壓鍋爐管，如果用戶能夠高質(zhì)量生產(chǎn)上述表格的高壓無縫鋼管，就能夠進(jìn)一步考慮生產(chǎn)超超臨界的高壓無縫鋼管了，比如T91、P91、超級13Cr等更加高級的鋼種。

2.4  氣瓶用鋼

主要是液壓蓄能器，各種工業(yè)用和民用的氧氣、氮?dú)?、氬氣等氣體用瓶，這些鋼種雖然不是非常復(fù)雜，但是要求比較高，生產(chǎn)難度較大。主要鋼種有37Mn，34CrMo44等。

2.5  煤礦支護(hù)液壓缸用鋼

典型鋼種為27SiMn。

2.6  鍛造用鋼管

主要有S48C、45、40Cr、20CrMnTi、2Cr3Mo、20Mn、40Mn、Q345D、42CrMo等。

2.7  普通無縫鋼管

主要的鋼種有20、10、45等，其中20鋼的產(chǎn)量較大。主要用于結(jié)構(gòu)用管，結(jié)構(gòu)用無縫鋼管主要鋼種分為碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼鋼管。碳素和低合金高強(qiáng)度鋼種主要為：10、20、35、45、20Mn、25Mn、Q275、Q345、Q420等。合金鋼用管主要的鋼種有：40Mn2、27SiMn、40Cr、12CrMo、15CrMo、20CrMo、42CrMo等等，很多鋼種和油井管用鋼和高壓鍋爐管用鋼相同或相近。

無縫鋼管用鋼屬于鋼和合金鋼系列，用戶一般都是以協(xié)議的方式給出要求，標(biāo)準(zhǔn)僅僅作為未盡事宜項來執(zhí)行。要記住標(biāo)準(zhǔn)是低要求，根據(jù)用戶協(xié)議指定的工藝文件是高標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)在生產(chǎn)過程中就是根據(jù)這個工藝文件當(dāng)作紀(jì)律來執(zhí)行的。并且各家用戶由于其軋制的方式不同，熱處理設(shè)備和工藝不同，所以即使相同的鋼種，也對應(yīng)著不同的用戶協(xié)議，比如37Mn5鋼種，就要面對5家以上的用戶協(xié)議。所以鋼鐵公司每一個煉鋼廠的工藝文件都是幾百頁厚的大本子。開始進(jìn)行圓坯生產(chǎn)的企業(yè)達(dá)到這個程度，需要相當(dāng)長的時間，我估計至少需要2-3年的時間才能干出來這么多的鋼種，而且要得到市場的肯定也是非常不容易的。

3  連鑄圓坯規(guī)格和長度要求

從設(shè)計的圓坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的規(guī)格來看，目前國內(nèi)的常用的圓坯規(guī)格為：Φ110mm、Φ120mm、Φ130mm、Φ140mm、Φ150mm、Φ160mm、Φ180mm、Φ200mm、Φ210mm、Φ230mm、Φ250mm、Φ270mm、Φ280mm、Φ310mm、Φ330mm、Φ350mm、Φ380mm、Φ410mm、Φ450mm、Φ500mm、Φ600mm等。

按照R11米半徑連鑄機(jī)的工藝裝備和鋼廠的要求，生產(chǎn)的規(guī)格為Φ220mm、Φ250mm、Φ280mm、Φ310mm、Φ330mm、Φ350mm六種。在長江中下游地區(qū)由于大圓坯的建成使用多年，形成了約定成俗規(guī)矩，基本上就是這些規(guī)格，在設(shè)計和生產(chǎn)上按照無縫鋼管廠的要求來提供原料。在設(shè)計上對于無縫鋼管使用的管坯鋼外形尺寸就按照圓坯來確定，比如，生產(chǎn)的Φ280mm圓坯，冷卻后的尺寸平均值為Φ278mm。

鑄坯的長度根據(jù)用戶協(xié)議和商務(wù)合同來制訂，按照用戶提出的單倍尺原料要求來組織合理的生產(chǎn)長度，按照我多年的生產(chǎn)和用戶打交道的經(jīng)驗(yàn)，要求大圓坯不能低于6米交貨，長度不大于10米。

給出管坯鋼下限要求是按照連鑄機(jī)產(chǎn)能要求給定的，用戶希望能夠按照單倍尺交貨，但是連鑄機(jī)無法生產(chǎn)，吊運(yùn)作業(yè)困難，特別是火車和輪船裝船困難，難以固定大圓坯，容易形成翻車和翻船事故，所以我規(guī)定短定尺為6米，圖6是船運(yùn)圓坯照片，可以看出船艙擺放也是非常重要的，要防止圓坯傾斜滾動偏移到一側(cè)。

 大圓坯裝船

大圓坯長度不超過10米是根據(jù)精整廠房條件得出的，我的觀點(diǎn)是每一根大圓坯都是需要檢驗(yàn)，而且是翻滾檢查，去掉切割渣。按照30米跨度的廠房計算，如果倍尺長度超過10米，坯場只能放置兩排鑄坯，大大減少了廠房的利用率，如果是9米長度就可以安放3堆鑄坯，為緩冷和精整創(chuàng)造了有利的條件。

管坯鋼的長度是下游無縫鋼管用戶來制訂的，每一個標(biāo)準(zhǔn)、每個用戶、每個規(guī)格要求的長度都是不一樣的，要具體情況具體對待。特別是大截面的鑄坯，用戶對長度偏差要求是非常高的。江南很多用戶是根據(jù)生產(chǎn)的規(guī)格來確定下料的長度的，所以新的管坯鋼供應(yīng)廠家應(yīng)當(dāng)參考當(dāng)前的成熟設(shè)計，避免生產(chǎn)出來的鑄坯尺寸偏離約定的數(shù)值，給用戶帶來麻煩。

4  連鑄圓坯的精整

連鑄過程特別是一冷過程極為復(fù)雜，多方面因素的存在和干擾使得坯殼在形成和發(fā)展中極為艱難，要掌握一冷過程理論問題目前看來還不具備，100％的合格產(chǎn)品是我們的追求目標(biāo)，但是要清醒地認(rèn)識到當(dāng)代技術(shù)還不能保證所有的鑄坯表無缺，所以需要對成品圓坯進(jìn)行精整檢查，將不合格品挑揀出來，或者修磨成為出廠。圓坯的精整和修磨是這個時代的產(chǎn)物，暫時不能避免。為什么有的國營鋼鐵公司不檢查修磨呢，這是體制問題，不在討論范圍。

有的公司沒有自己的軋管機(jī)組，生產(chǎn)的連鑄圓坯都是外賣。這就對產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，特別是表面質(zhì)量。根據(jù)我長期生產(chǎn)圓坯的經(jīng)驗(yàn)，絕大部分出現(xiàn)的質(zhì)量異議都是表面問題。這是因?yàn)椋?

（1）包晶反應(yīng)嚴(yán)重：當(dāng)代無縫鋼管用鋼向著高強(qiáng)高韌方向發(fā)展，低碳、超低碳是鋼種發(fā)展的方向，含碳量的降低造成的強(qiáng)度上面的損失由合金來彌補(bǔ)。無縫鋼管大量的低碳合金鋼的碳含量大多落在了20個碳以下，鋼水凝固生成初生坯殼時候包晶反應(yīng)嚴(yán)重，造成了鑄坯坯殼凹陷等缺陷，這些缺陷找到，清理表面和亞表面，將其存在和可能存在的表面裂紋和皮下裂紋修磨處理。以包晶鋼生產(chǎn)為主的管坯鋼需要認(rèn)真檢查鑄坯表面，發(fā)現(xiàn)問題及時修磨，減少企業(yè)的損失，不能將缺陷坯混入到成品中，在用戶軋制時候出現(xiàn)質(zhì)量問題，就是廢品了；

（2）打掉掛渣：火焰切割產(chǎn)生的鑄坯外弧掛渣對無縫鋼管生產(chǎn)是不利的，好將其去除，在我是個打掛渣的人，而且堅持這樣做，目的是保證完好的鑄坯表面質(zhì)量給用戶，使得無縫鋼管在穿孔過程中能夠?qū)χ?，同時正是因?yàn)槿斯ご虻魭煸?，所以就可以翻動鑄坯仔細(xì)檢查鑄坯表面，如果想生產(chǎn)流的圓連鑄坯，這個工作要堅持。

（3）圓坯精整：高強(qiáng)度鋼的大圓坯需要緩冷，現(xiàn)場一般采用堆冷方式緩冷，見圖7和圖8。

大圓坯緩冷堆放和精整修磨

 大圓坯集中堆放緩冷方式

要進(jìn)入到無縫鋼管大圓坯供應(yīng)商的行列之中，堅持高質(zhì)量政策，流的產(chǎn)品銷售給用戶，鑄坯精整是質(zhì)量保證有力的措施，也是鋼廠外觀形象體現(xiàn)。我在外地看用戶看鑄坯，一眼就可以看出來和其它工廠鑄坯的差別，希望鋼廠能夠堅持高標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)的管坯鋼。

5  是否需要酸洗和拋丸處理

無縫鋼管開始使用軋鋼圓棒，如果不經(jīng)過酸洗或者拋丸修磨交貨就稱為黑皮交貨?；仡?0年前大多數(shù)棒材抵達(dá)無縫鋼管廠家后，都需經(jīng)過酸洗修磨，才能保證無縫鋼管軋機(jī)生產(chǎn)的質(zhì)量。我當(dāng)時看到無錫和蘇州地區(qū)每一條內(nèi)河都是臭水溝，尤其是錢橋地區(qū)無縫鋼管軋機(jī)多，酸洗量大，所有河流都是臭氣熏天。我當(dāng)時就下定決心，要生產(chǎn)無缺陷的棒材交給用戶，不讓用戶酸洗而直接下料穿孔軋制，即成為黑皮交貨和黑皮軋制。在當(dāng)時是不可想象的，遭到了眾多反對，隨著管坯鋼的質(zhì)量不斷提高，用戶逐漸認(rèn)識到了可以使用的產(chǎn)品而不用酸洗修磨，不僅僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，重要的是改善了環(huán)境，為祖國的藍(lán)天白云和青山綠水做了實(shí)際性的工作。

有兩種理念：一個是經(jīng)過酸洗或者拋丸，找出鑄坯表面的缺陷進(jìn)行修磨，將合格的管坯鋼交給用戶；另一個是將工作放在連鑄機(jī)的設(shè)備和工藝上，精心操作來生產(chǎn)無缺陷的坯料，僅僅在精整工序上檢查，發(fā)現(xiàn)問題后修磨。我覺得后者應(yīng)該是今后的道路，將主要精力放在生產(chǎn)過程的控制上。

根據(jù)無錫大圓坯生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)一般鋼種的情況下，基本上都是無缺陷坯，修磨工作量是很小的。

如果生產(chǎn)新的鋼種和新的產(chǎn)品，還是要安排做酸洗查看鑄坯的表面質(zhì)量，為制訂正確的工藝做準(zhǔn)備。

圓坯連鑄的工藝控制難度要比矩形坯和方坯大得多，在很大的程度上，鑄坯表面質(zhì)量決定了鑄坯的整體質(zhì)量。在長期的設(shè)計和現(xiàn)場工作中，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，形成一冷和二冷的思路，根據(jù)提出來的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)了、金安、邯鄲、天鋼聯(lián)合和意大利等廠大圓坯連鑄，收到了非常好的效果，成為的關(guān)鍵技術(shù)訣竅，也是生產(chǎn)高質(zhì)量圓坯的保證技術(shù)。

6  圓坯連鑄的標(biāo)準(zhǔn)

生產(chǎn)大圓坯的冶金工廠，應(yīng)該一只隊伍來研究標(biāo)準(zhǔn)，要分析美國、德國、日本、英國、中國等標(biāo)準(zhǔn)，同時對于用戶提出來特殊條件都是需要加以正確的分析研究，然后根據(jù)自己工廠的實(shí)際條件和用戶交流，從而制訂出合理的技術(shù)協(xié)議和工藝。各種標(biāo)準(zhǔn)我都有電子版，我這里是比較齊全的，我是一個有心人，收集這些資料。

管坯鋼生產(chǎn)的特點(diǎn)之一就是面對世界，國內(nèi)無縫鋼管的訂單來源于世界各地，無縫鋼管生產(chǎn)廠家拿到?jīng)]有生產(chǎn)過的訂單后，往往來征求管坯鋼供應(yīng)商，看看是否能夠生產(chǎn)這個鋼種，生產(chǎn)成本多少，這樣才能確定是否拿下這個訂單。這樣就需要公司有人來研究熟悉各國標(biāo)準(zhǔn)，這樣的人才要有，如果沒有馬上就培養(yǎng)。對這些人才的要求為：

l  要求熟悉冶煉、精練和連鑄；

l  軋鋼也要有的了解；

l  具備金屬材料的基本功；

l  了解和懂得金屬材料的檢驗(yàn)手段和方法；

l  要能夠看懂英文的技術(shù)協(xié)議和文獻(xiàn)。

當(dāng)年在公司這些工作都是我在那里做，的市場反響速度是非常快的，往往我接到技術(shù)協(xié)議后，很短時間看好，馬上就可以確定是否生產(chǎn)，價格多少，通知銷售部門立即辦理。往往半個小時時間敲定訂單。這個工作看似簡單，但是需要多年學(xué)習(xí)和實(shí)踐的功夫。

7  是否需要真空脫氣

一般低碳鋼種不需要真空脫氣處理鋼水，但是對于大斷面高強(qiáng)度鋼則是需要真空脫氣處理的。對于氫的行為我很久前在《世界金屬導(dǎo)報》上看過一篇文章，這里引用此文來回答是否需要真空脫氣的問題：

質(zhì)疑“白點(diǎn)”

“白點(diǎn)”也稱“發(fā)紋”，作為鋼中尤其是含Mn、Cr、Ni等合金元素鋼中的主要缺陷之一，一直困擾著鋼的質(zhì)量。經(jīng)過長期的科研工作，人們提出了“白點(diǎn)”成因的一些解釋。

依據(jù)現(xiàn)有理論以及鋼鐵冶金人士普遍接受的觀點(diǎn)，只要將鋼液中氫降至2ppm以下，又防止了澆鑄過程中的吸氣，鋼材上是不應(yīng)產(chǎn)生“白點(diǎn)”的，因此有了VD以及RH這樣的設(shè)備，進(jìn)行了保護(hù)澆注，鋼材中是不應(yīng)產(chǎn)生“白點(diǎn)”的，但是今天合金鋼連鑄生產(chǎn)迅速發(fā)展，真空處理手段十分完善時，“白點(diǎn)”問題比以往任何時候都更加困擾當(dāng)今軸承鋼生產(chǎn)：

（1） 某西部企業(yè)進(jìn)行模鑄生產(chǎn)時，幾乎沒有遇見“白點(diǎn)”問題，但自進(jìn)行軸承鋼的連鑄生產(chǎn)后，“白點(diǎn)”出現(xiàn)機(jī)率大幅度增加，盡管模鑄與連鑄同樣是未進(jìn)行真空處理，

（2） 軸承集團(tuán)總工程師李師傅曾問筆者，為什么用經(jīng)過真空處理的某企業(yè)生產(chǎn)的軸承鋼的發(fā)裂比該廠未經(jīng)過真空處理的發(fā)裂要多，

（3） 某國內(nèi)企業(yè)檢驗(yàn)連鑄軸承鋼，檢驗(yàn)缺陷中時近50％是“白點(diǎn)”，

（4） 某企業(yè)為減少軸承鋼的“白點(diǎn)”，其連鑄大方坯軋制前需經(jīng)近10小時保溫，

（5） 兩企業(yè)功能很好的VD不能解決“白點(diǎn)”困擾，領(lǐng)導(dǎo)決定投入巨額資金建設(shè)RH，

而另一些事實(shí)也值得注意：

（1） 電渣鋼生產(chǎn)過程是在非真空狀態(tài)下進(jìn)行的，少有“白點(diǎn)”困擾，

（2） 鄭州鋼廠采用直流電弧電渣鋼包爐精煉，小方坯連鑄生產(chǎn)軸承鋼，且鋼坯未緩冷，鋼材未緩冷，鋼材幾乎未見“白點(diǎn)”，

上述事實(shí)說明，盡管“白點(diǎn)”理論已經(jīng)提出幾十年，但很多問題仍未解決，它迫使我們考慮如下問題：

（1） 為什么電渣鋼及小方坯連鑄流程未經(jīng)過真空處理卻不產(chǎn)生“白點(diǎn)”，

（2） 為什么連鑄軸承鋼經(jīng)過精良的真空處理，“白點(diǎn)”卻比未經(jīng)過真空處理的多，

（3） 為什么在西部某廠連鑄時產(chǎn)生“白點(diǎn)”，模鑄時幾乎就不見“白點(diǎn)”，

（4） “白點(diǎn)”的成因究竟是什么，

（5） “白點(diǎn)”為什么是白的。

電渣鋼幾乎不產(chǎn)生“白點(diǎn)”，這一事實(shí)說明：H是產(chǎn)生“白點(diǎn)”主要原因這一假說應(yīng)當(dāng)受到質(zhì)疑。同行承認(rèn)真空精煉使H含量達(dá)2ppm以下未使連鑄鋼“白點(diǎn)”問題變的輕松。

真空處理鋼比非真空處理鋼有更多“白點(diǎn)”，這個事實(shí)對降低鋼中H是消除“白點(diǎn)”的主要方法提出質(zhì)疑。

模鑄、電渣及連鑄過程，在鑄鋼及隨后的軋制過程中，其組織應(yīng)力基本相同，為什么產(chǎn)生“白點(diǎn)”的概率不同，這樣就可以質(zhì)疑原子氫－組織應(yīng)力假說。

“白點(diǎn)”有時與其它裂紋難以區(qū)分，所以有些單位就將一些細(xì)裂紋劃入“白點(diǎn)”。這樣長時間的混淆也許說明本來就不應(yīng)當(dāng)單獨(dú)將“白點(diǎn)”從裂紋中分開，統(tǒng)稱發(fā)裂即可。如果將“白點(diǎn)”看成是一種應(yīng)力裂紋，圍繞“白點(diǎn)”成因的一些問題就可以得到合適的解釋。

可以這樣認(rèn)為：在一些情況下，鋼中存在很大的應(yīng)力，這些應(yīng)力包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和加工應(yīng)力。這些應(yīng)力共同或單獨(dú)作用，不同條件下起主導(dǎo)作用的應(yīng)力可能不同。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到限度時，以鋼內(nèi)部的一些薄弱區(qū)作為裂紋源形成裂紋，當(dāng)鋼中氫含量比較高的時候，H向這些裂紋處擴(kuò)散，當(dāng)H在位錯移動區(qū)時，促進(jìn)這些裂紋的發(fā)展?？傊?，應(yīng)力是這些裂紋或“白點(diǎn)”的動因，否則我們無法解釋那么容易擴(kuò)散的H何以形成向1400MPa壓力區(qū)擴(kuò)散的驅(qū)動力。

冶金工作者在無真空精煉的模鑄時代，積累了很多處理類似于“白點(diǎn)”這類裂紋的經(jīng)驗(yàn)，從澆注控制到鋼錠和鋼材尤其是大規(guī)格鋼錠和鋼材的保溫，其主要目的之一就是使鋼錠與鋼坯鋼材中的H向外擴(kuò)散，以減少形成“白點(diǎn)”的幾率。如果從壓力作用的思路去考慮問題，這些保溫過程松弛壓力，減少裂紋的功能是根本性的，是主要的。

順理推論，只要鋼中應(yīng)力存在，各種去應(yīng)力的保溫措施就不能取消。電渣過程是一個緩慢的結(jié)晶過程，因此，結(jié)晶時形成的組織應(yīng)力較小。該過程是非真空處理過程，人們普遍注意其后續(xù)工藝過程的保溫措施，因而基本不會出現(xiàn)“白點(diǎn)”。模鑄時代，無真空精煉爐，人們認(rèn)識到“白點(diǎn)”的危害，因此也普遍注意鋼錠緩冷與退火。只要工藝把握得當(dāng)，并無“白點(diǎn)”之憂。那個時代，西寧特鋼的軸承鋼幾乎不出“白點(diǎn)”，有人將西寧特鋼不出“白點(diǎn)”的問題歸結(jié)為西寧氣壓低，如果西寧的氣壓就可以消除“白點(diǎn)”，那真空設(shè)備的真空度為0.8倍大氣壓就可以了，這顯然是不能成立的。

實(shí)踐證明：沒有真空，保溫、緩冷工藝合理也是可以生產(chǎn)出沒有“白點(diǎn)”的軸承鋼，只要做好緩冷、保溫措施即可。

過去，人們對于熱應(yīng)力與組織應(yīng)力給予了充分的注意，但是對加工應(yīng)力考慮的較少，而連鑄技術(shù)出現(xiàn)以后，對連鑄過程所出現(xiàn)的應(yīng)力特點(diǎn)未給于充分注意，我國合金鋼連鑄從上世紀(jì)80年代中期展開，進(jìn)展一直比較緩慢，在很大程度上與鋼的內(nèi)裂有關(guān)，其中也包括類似“白點(diǎn)”裂紋。

由于連鑄過程與電渣與模鑄過程相比，澆注速度較快，補(bǔ)縮不易、外表強(qiáng)制水冷，形成極致密的等軸晶區(qū)，而其中心內(nèi)部較小的區(qū)域內(nèi)是較疏松的較粗大的等軸晶區(qū)，這種致密與疏松的對比，也就造成較大的組織應(yīng)力差，鑄坯表面水冷下的低溫和內(nèi)部的高溫也是造成內(nèi)外相區(qū)差別的原因，從而造成組織應(yīng)力差別，這種組織應(yīng)力差別比模鑄也要大的多，與電渣過程相比差別更大。連鑄與模鑄及電渣過程更大的不同在于矯直應(yīng)力，由于矯直過程造成內(nèi)弧拉應(yīng)力狀態(tài)與外弧的壓應(yīng)力狀態(tài)，因拉矯機(jī)的作用所產(chǎn)生的一系列裂紋，在生產(chǎn)中已經(jīng)有較多的注意，但是在沒有裂紋時的應(yīng)力狀態(tài)沒有給予應(yīng)有的關(guān)注，在一些工廠，從消除碳偏析出發(fā)，對連鑄鋼坯進(jìn)行保溫處理，有的達(dá)到10小時以上，因此可以獲得系統(tǒng)消除缺陷的結(jié)果，其中包括微裂紋及碳偏析。

合金鋼中對“白點(diǎn)”比較敏感的元素是Cr、Mn、V等，這些元素都是第四周期與鐵晶格尺寸相近的元素，與Fe的半徑相近，形成置換固溶體，合金元素周邊的晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生短程應(yīng)力區(qū)，通過這種畸變使鋼的強(qiáng)度增加，也使塑性降低，因此Cr、Mn、Ni和V是“白點(diǎn)”敏感鋼種，實(shí)際上也是應(yīng)力裂紋敏感鋼種，當(dāng)這些合金鋼中有薄弱環(huán)節(jié)時，在各種應(yīng)力的作用下，裂紋傾向變的顯著，在連鑄這些鋼種，如軸承鋼時，在矯直應(yīng)力，有時也有液芯壓下的加工應(yīng)力，使鋼坯處于嚴(yán)重的應(yīng)力不均勻狀態(tài)，如果沒有緩冷等技術(shù)措施以松弛應(yīng)力，那么在鋼中的薄弱區(qū)，如夾雜物或空洞及枝晶間隙處，愛拉應(yīng)力作用下形成裂紋，這樣的裂紋貌同“白點(diǎn)”。

回顧十幾年合金鋼尤其是軸承鋼連鑄的歷史，盡管通過展開精煉已經(jīng)將H降至很低，但對保溫、緩冷這些可以松弛應(yīng)力的手段不重視，因而出現(xiàn)的裂紋更多了，出現(xiàn)這種情況的根本原因在于“白點(diǎn)”理論將因果顛倒所至，可以說，由于對應(yīng)力的不重視，使中國的合金鋼連鑄進(jìn)展緩慢，早期進(jìn)口的幾臺合金鋼連鑄機(jī)幾乎全部拆除，這些問題的產(chǎn)生是與基本概念模糊是有關(guān)的。因?yàn)槿藗兘邮茕撝蠬含量高引起“白點(diǎn)”這樣一個理論，仍未只要降低鋼中H就會減少或消除”白點(diǎn)”，因此普遍重視控制設(shè)備的建設(shè)，在模鑄時代，由于真空爐外精煉的發(fā)展，夾雜物的減少，裂紋源自然減少，因而“白點(diǎn)”減少了，連鑄出現(xiàn)后盡管鋼液的純凈度提高，但由于連鑄時的加工應(yīng)力大幅度增加與組織應(yīng)力的增加，加之以為經(jīng)過真空處理，保溫這些可以松弛應(yīng)力的手段忽視，因而出現(xiàn)的裂紋更多了。

關(guān)于“白點(diǎn)”至今人們?nèi)杂袃蓚€疑問：

“白點(diǎn)”為什么是白的，依據(jù)本文作者之見解，所謂“白點(diǎn)”，是短程區(qū)域內(nèi)在拉應(yīng)力下的微小斷口，對于含引起晶格畸變強(qiáng)化的合金，含碳也比較高的低應(yīng)變能力鋼易于出現(xiàn)，當(dāng)這種情況發(fā)生在的薄弱區(qū)時即出現(xiàn)。

至此，總結(jié)本文觀點(diǎn)如下：

（1） 鋼中“白點(diǎn)”是一種應(yīng)力裂紋，是應(yīng)力作用的微小斷口，H能促進(jìn)這種斷口的增多，

（2） 對于結(jié)晶過程緩慢的鋼應(yīng)力比較小，裂紋傾向也比較?。?

（3） 傳統(tǒng)的去氫緩冷、保溫措施本質(zhì)上是一種去應(yīng)力的措施，同時也達(dá)到去氫效果，所以可以消除“白點(diǎn)”，

（4） 連鑄鋼有許多類“白點(diǎn)”裂紋的原因是連鑄坯還有更高的組織應(yīng)力與加工應(yīng)力，不管鋼液中氫多低，只要沒有鋼錠與鋼材的緩冷，這種傾向必然出現(xiàn)，與是否經(jīng)過嚴(yán)格的控制精煉過程無關(guān)，

（5） 現(xiàn)代特鋼生產(chǎn)四位一體工藝中“白點(diǎn)”更敏感，對于大型鋼材的生產(chǎn)、流程緩冷、保溫措施不可以省略，

（6） 未經(jīng)真空處理的鋼、鋼錠與鋼材緩冷保溫做好，不會出現(xiàn)“白點(diǎn)”，經(jīng)過真空處理氫含量很低的鋼，不注意含量與保溫同樣出“白點(diǎn)”。

正確的基礎(chǔ)理論是正確的設(shè)備布置與工藝制定的基礎(chǔ)，由于本文作者從金屬物理到鋼鐵冶金跨的學(xué)習(xí)與特殊的實(shí)踐環(huán)境，對上述問題有所思考，并向有關(guān)專家進(jìn)行了有益的討論。

由于自己知識水平限制，觀點(diǎn)錯誤在所難免，只要國內(nèi)鋼鐵冶金尤其是特殊鋼生產(chǎn)同行能夠注意到應(yīng)力的問題，注意使用緩冷、保溫等工藝過程即是萬幸了。

引用《質(zhì)疑白點(diǎn)》文章的目的是闡述真空的作用，我本人也非常欣賞作者的觀點(diǎn)。20多年前，中國的鋼鐵生產(chǎn)基本上都是轉(zhuǎn)爐出鋼后經(jīng)過簡單的合金化處理后就直接上連鑄平臺澆鑄，很少有精煉爐和真空爐裝備。如果有真空爐就可以在真空條件下實(shí)現(xiàn)渣洗，將鋼種的氧勢降低，并且將非金屬夾雜物從鋼中分離達(dá)到渣中，從而提高了鋼的潔凈度，這個時候的真空脫氣工藝對脫氧提高鋼的潔凈度是有幫助的。

隨著時代的發(fā)展，中國的鋼廠逐步推廣了精煉設(shè)備，在生產(chǎn)鋼和合金鋼的企業(yè)中，精煉爐和真空爐都成為了必要的工藝裝備。工藝路線主要就是轉(zhuǎn)爐或電爐－精煉爐－真空爐－連鑄。裝備有精煉爐的工廠，就能夠在精練冶煉過程中將鋼水中的自由氧控制在很低的水平，比如控制在5ppm以下的水平上，此時鋼的潔凈度是非常高的，不需要再經(jīng)過真空脫氣來脫氧了。

有了精煉爐工藝之后，真空爐的任務(wù)就是脫氫和脫氮，對脫氧倒是沒有多大的貢獻(xiàn)，有時候反而是適得其反。在真空條件下鋼水上下翻騰交換相互位置，對耐材的沖刷比較嚴(yán)重，如果沖刷下來的耐材夾雜物保留在鋼中，將構(gòu)成大的非金屬夾雜物，從而提高了鋼中的全氧含量。

無縫鋼管屬于薄壁構(gòu)件，鋼管一般的厚度不大于30mm，所以說白點(diǎn)氫脆對其影響應(yīng)該來說是不大的，在無縫鋼管穿孔和軋制后，氫原子從內(nèi)外兩個方向逸出金屬表面，從而降低鋼中的氫含量，大大減輕了氫在鋼的危害。

我始終強(qiáng)調(diào)緩冷，其中之一就是在有溫度的條件下讓氫原子躍出金屬表面，降低鋼中的氫含量，從而減輕氫聚集的機(jī)會。對于鍛造性用材就考慮使用真空脫氣，因?yàn)闃?gòu)件的厚度往往大于40mm，氫的破壞作用往往就可以表現(xiàn)出來了。

無縫鋼管相當(dāng)一部分是需要真空脫氣的，一般來說較高的含碳量鋼種，比如45鋼以上的鋼種，鉻鉬系列的鋼種，特別是防腐性能要求高的鋼種就要真空脫氣，比如27CrMo44等。就真空脫氣來說主要是看標(biāo)準(zhǔn)要求，用戶要求，既然用戶確定使用真空工藝就堅持。一般來說高等級的鋼種都是需要經(jīng)過真空脫氣處理的。

按照我國的《高壓鍋爐用無縫鋼管》GB5310－2008中6.2.1條款要求：“應(yīng)采用電弧爐加爐外精煉并經(jīng)真空精煉處理，或氧氣轉(zhuǎn)爐加爐外精煉并經(jīng)真空精煉處理，或電渣重溶法冶煉。”生產(chǎn)的高壓鍋爐管都經(jīng)過了真空脫氣。我不說都經(jīng)過真空脫氣是否合理，但是一旦標(biāo)準(zhǔn)制訂下來就要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。有些鋼廠生產(chǎn)高壓鍋爐管用鋼沒有使用真空脫氣工序，我覺得不妥。

在高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)中，對于連鑄較大規(guī)格的圓坯和矩形坯還是需要真空脫氣處理的。

就ＨＩＣ氫致斷裂，SSC硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂來說，硫是管線鋼中為有害的元素之一，它嚴(yán)重惡化管線鋼的抗HIC和SCC的性能。法國D.Schawwinhold等人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：隨著鋼中硫含量的增加，裂紋敏感率顯著增加；只有當(dāng)〔S〕≤0.0012％時，HIC才明顯降低，甚至可以忽略。

硫還影響管線鋼的沖擊韌性，硫含量升高沖擊韌性值急劇下降。另外，硫還可導(dǎo)致管線鋼各向異性，在橫向和厚度方向上韌性惡化。因此，硫含量是管線鋼要求為苛刻的指標(biāo)，某些管線鋼要求硫含量小于0.005％，甚至0.001％。

所以我覺得如果氫致斷裂根本是硫在鋼服役期間起到了壞的作用，這也是氫脆問題，其實(shí)質(zhì)是環(huán)境、材質(zhì)和應(yīng)力的共同作用的結(jié)果，這個氫的破壞作用是環(huán)境氫沿著晶界進(jìn)入到鋼中導(dǎo)致的破壞，不是鋼中氫含量高導(dǎo)致的失效。

簡簡單單寫這些，都是工藝和質(zhì)量控制上面的一些常見問題，作者從事多年的圓坯生產(chǎn)，具有一點(diǎn)軋鋼方面的知識和經(jīng)驗(yàn)，這里寫出來給大家參考。水平有限，不對之處請大家給予指正。