高韧性抗热耐磨铸钢衬板的研发

莱钢集团机械制造有限公司 （山东莱芜 271104） 张怀鹏 朱小波 于俊才

衬板是高炉渣处理设备的关键部件，在服役过程中受到熔渣的热负荷、冲击、高温磨损作用，易出现冲击断裂和磨料磨损，故要求其具有高耐磨性、强韧性和抗高温氧化性。莱钢高炉现役衬板制造成本高，高温磨损快，使用寿命短，达不到设计要求。为此，我公司开始研制成本低、韧性高、抗热耐磨性更好的新型衬板。

1.化学成分的选择

根据高韧性、抗热耐磨铸钢衬板的工况条件，针对现役衬板抗热耐磨性能差的现象，再考虑到经济原因，合理设计了高韧性、抗热耐磨衬板的化学成分，与现役衬板材料相比，C、Cr、Si、Mn、RE、S和P含量基本相同，而降低了合金Ni的含量，提高了合金元素W、Nb的含量。试验衬板与现役衬板化学成分对比见表1。

表1 试验衬板与现役衬板的化学成分（质量分数） （%）

2.熔炼和铸造工艺

（1）熔炼 采用0.5t碱性炉衬中频感应电炉熔炼钢液。熔炼工艺如下：①先向炉中加入废钢、生铁及铬铁合金，待其大部分熔化后再加入镍板，最后加入高熔点钨铁和铌铁。②钢液熔清并调整化学成分后，提温至1720～1760℃高温熔炼。③在出钢前数分钟内加入硅铁和硅钙脱氧，然后加入适量铝丝进行终脱氧。④在浇包中加入稀土复合变质剂进行变质处理。⑤钢液出炉温度为1500～1600℃，为了保证钢液成分的准确性，出炉前使用光谱仪测量成分。⑥往包内撒入适量保温聚渣剂覆盖，并镇静5min左右，扒渣。⑦浇注温度为1530～1570℃。

（2）铸造 衬板单件重52kg，木模收缩率选2.3%～2.5%，采用普通分模造型和呋喃树脂砂自硬铸型生产，涂刷醇基锆粉涂料，要求搅拌充分，均匀刷涂两次，加温快干。冒口尺寸比普碳钢大20%～30%，设置两个楔形易割保温冒口。

试生产的衬板表面质量较好，尺寸精度较高，未见缩孔等铸造缺陷。

3.热处理工艺

铸态材料组织粗大，存在着严重的枝晶偏析，影响材料的韧性和强度，必须经过适宜的热处理来改善组织状况，提高性能。试验衬板热处理工艺为固溶处理＋稳定化处理。

（1）固溶处理 将衬板加热到Ac3＋50～90℃（1070～1150℃）并保温一段时间，使钢中的碳化物等过剩相充分溶解到固溶体中，得到化学成分基本均匀的单相奥氏体组织，然后快速冷却，以得到过冷奥氏体固溶组织，目的是改善衬板的韧性和耐热性。

衬板属薄壁件，低温阶段升温过快易开裂；高温阶段升温太慢，保温时间太短，都会影响铸件质量。因此，正确的操作是550℃以下，升温速度控制在50～100℃/h；至>550℃时，升温速度控制在100～200℃/h。只有足够的保温时间才能使碳化物充分溶解，根据衬板的厚度和试验条件确定保温时间，取3～4h为宜。固溶处理工艺曲线如图1所示。

（2）稳定化处理 试验衬板在较高的温度(400～800℃)下工作时，固溶处理后碳化物(主要是碳化铬) 会重新析出，故还需进行稳定化处理。稳定化处理工艺是将铸件加热至Ac1＋30～50℃（850～900℃），最好加热到稳定元素的碳化物几乎全部析出的温度，并保温一段时间，然后空冷，使奥氏体钢中的碳充分与钛、铌化合形成稳定的碳化物，从而发挥它们的稳定作用，使衬板在长期服役过程中形位尺寸变化能在可控范围内，避免形成高铬碳化物，提高其抗晶间腐蚀能力。稳定化处理工艺曲线如图1所示。

图1 试验衬板的热处理工艺曲线

4.试验结果与分析

（1）显微组织观察 将试验衬板和现役衬板各取一铸态和热处理态试样，进行金相组织观察与对比，如图2所示。由图2a、b可知，两种衬板的铸态组织为奥氏体+少量铁素体+碳化物，碳化物呈连续网状分布。由图2c、d可知，热处理后试验衬板的组织为奥氏体+碳化物，且组织明显细化和均匀化。试验衬板与现役衬板相比，由于含量较高的Nb、W元素，组织中有一定数量的颗粒状MC型碳化物。呈M23C6型的碳化物弥散分布在晶内和晶界上，能有效阻碍晶界滑移，提高钢的强度。

图2 衬板金相组织

（2）高温抗氧化性试验 采用增重法，通过计算试样单位面积、单位时间的氧化增加质量即氧化速度来评定其高温抗氧化性能。氧化速度越快，材料抗氧化性能越差，反之，抗氧化性能越好。从热处理后的试验衬板上取样，测3组数据，取其平均值，并与现役衬板作对比，试验结果见表2。

表2 抗氧化性试验结果

由表2可以看出，现役衬板在900℃、1100℃下，氧化速度远大于试验衬板的氧化速度。参照GB/T13303—1991《钢的抗氧化性级别评定标准》可知：试验衬板在900℃下完全抗氧化，在1100℃下抗氧化，而现役衬板在900℃、1100℃下都是弱抗氧化，说明试验衬板的抗氧化性显著优于现役衬板。

（3）冲击韧度测试 依据GB/T2106—2005《金属夏比(V型缺口)冲击试验方法》，用JB—30型摆锤式冲击试验机测定试样铸态和热处理态的冲击值，结果见表3。通过固溶处理，适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性。

表3 试样的冲击吸收能量 （J）

（4）耐磨性试验 对铸态和不同高温抗氧化性试验条件下的试验衬板和现役衬板的试样进行了耐磨性试验。其结果见表4。由表中可知，900℃氧化后的耐磨性比铸态时好，1100℃氧化后耐磨性和铸态时差别不大。试验衬板材料和现役衬板材料相比，其硬度和耐磨性是增加的。

表4 试样铸态的硬度及耐磨性

相对于现役衬板，试验衬板中添加了较多量的Nb、W，其与C结合形成了具有很高热稳定性的NbC、WC硬质点，提高了碳化物的硬度。尤其是NbC的晶格强度与晶格类型和奥氏体非常接近，所以NbC弥散分布在奥氏体基体上，与之牢固结合，起弥散强化作用，提高基体的强度。碳化物数量的增加，硬度的提高，以及基体强度的提高，对提高耐磨性都有贡献，因此试验衬板的耐磨性比现役衬板有明显提高。而在1100℃下长期氧化时，钢中的MC型碳化物较900℃时少，所以试验衬板硬度及耐磨性减小。

5.结语

通过合理设计化学成分和正确制定铸造与热处理工艺，改善了试验衬板材料的微观组织，获得了良好的力学性能。与现役衬板相比，硬度和耐磨性明显增加，抗氧化性能显著，经固溶处理+稳定化处理后提高了强韧性。新型高韧性、抗热耐磨铸钢衬板的研发成功，对降低生产成本，延长使用寿命起到积极作用，将具有广阔的市场空间。