大型钢锭模失效原因分析

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大型钢锭模失效原因分析

黄飞，薛小丽

上海电气核电集团有限公司上海201306

摘要：介绍了大型钢锭模材质的选用，分析了大型钢锭模的失效过程，以及影响大型钢锭模使用

寿命的因素。针对大型钢锭模的失效问题，制定了原因分析方案，进行了化学成分和金相组织分析，确 认龟裂处和纵裂纹处碳、锰、硅元素含量较原始组织明显下降，片状石墨周围氧化严重.基体组织中珠 光体几乎被全部分解。

关键词：钢锭模；失效，•原因分析中图分类号：TM201. 3

文献标志码：A 文章编号：1674 - 540X(2019)04 - 052 - 05

Abstract： The selection of large steel ingot mold materials was introduced, and the failure process

of the large steel ingot mold and the factors affecting the service life of the large steel ingot mold were analyzed. Aiming at the failure of the large steel ingot mold, a case study scheme was developed, and chemical composition and metallurgical structure were analyzed. It is confirmed that the content of carbon, manganese and silicon in the crack and longitudinal crack is significantly lower than that in the original structure, and the oxidation around the flake graphite is serious, and the medium pearlite in the matrix structure is almost decomposed completely.Key Words： Steel Ingot Mold; Failure； Case Study

i

研究背景

重机厂主要生产和制造大型锻件，产品一般用

2大型钢锭模材质选用

大型钢锭模材质的选用要考虑其使用的环境，

于制造国家重大装备的关键核心部件，是大型船 舶、大型发电设备、石油化工和航空航天等行业的 基础[1]。

大型锻件主要由大型钢锭锻压生产，钢锭模作 为生产钢锭的基础设备，其使用情况直接影响钢锭 的质量与生产成本。

目前国内对大型钢锭模失效情况的探讨仍然 较少，笔者通过参考现行钢锭模失效理论的研究情 况，结合国内某大型重机厂对170 t钢锭模失效分 析的实践结果，对大型钢锭模的材质选用、失效形 式，以及失效的发生过程与影响因素等进行介绍与 分析。

收稿日期：2019年7月第一作者简介：黄飞（1986

大型钢锭一般采用真空浇铸工艺，钢水的浇铸温度 较高，通常在1 550 °C以上，钢锭模的表面会很快产 生一层氧化亚铁（FeO)膜。与连铸钢锭相比，由于 大型钢锭的直径大，凝固时间长，高温钢水在锭模 内的时间较长，钢锭模需承受激冷激热的温度变 化。脱模时，由于钢锭本身的质量大，在行车起吊 时，对钢锭模会产生强大的机械冲击力，因此，钢锭 模材质需要具有良好的抗氧化能力、良好的导热 性、抗冲击性以及在高温状态下良好的抗热疲劳与 裂纹的能力[w]。

国内外的生产企业经过长期的实践与探索，目 前适合用于钢锭模的材质主要有灰铸铁、蠕墨铸铁

)，男•硕士，工程师，主要从事炼钢现场技术支持与质量控制工作，

E-mail ： rice_huangfei@163.com

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上海电和球墨铸铁三种。根据实际使用情况来看>S]，球墨 铸铁的抗氧化能力、抗冲击性和高温强度最好，但 导热性能较差、散热慢，容易进人塑变区而在高温 钢水压力下使钢锭模变形而造成脱模困难；灰铸铁 的抗氧化能力、高温强度较差，使用次数较短，但导 热性能最好.钢锭模不易变形；蠕墨铸铁的性能介 于球墨铸铁和灰铸铁之间，是较为理想的钢锭模材 料.但现行工艺对石墨蠕化率控制不佳，钢锭模在 超过1 400 °C的高温状态下容易产生弯曲变形。

从以上的分析可知，球墨铸铁和蠕墨铸铁材质 适合应用于中小型钢锭模.而大型钢锭模周转使用 率较低，需要更多地考虑其导热性。因此，大型钢 锭模材质适合采用灰铸铁.国内的大型重机厂，如 一重、二重、上重和中信重工等企业的钢锭模，均采 用灰铸铁材质。

3大型钢锭模失效过程与影响因素分析3. 1

大型钢锭模失效过程

大型钢锭模在使用后失效的形式主要是纵裂 和内表面的龟裂[7]，如图1、图2所示，下面结合灰 铸铁在热循环过程中组织和成分的变化，结合钢锭 模的实际使用环境，探讨大型钢锭模的失效过程与 原因。

图1钢锭模纵裂纹

灰铸铁主要由基体（铁素体、珠光体）、片状石 墨和晶界共晶物组成.基于强度和硬度因素的考 虑，大型钢锭模材质目前为珠光体基体灰铸铁或珠 光体-灰铸铁混合基体灰铸铁:8]。蒋明辽[9。等发现 钢锭模在激冷激热交替循环使用中，钢锭模的组织 会发生转变，在钢锭模的同一横截面上，由于温度 梯度的存在，会同时存在铁素体、奥氏体和珠光体 组织。由于这三者的密度和体积不同•在钢锭模的

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内外壁上会存在很大的组织应力和热应力，随着应 力的累积•当数值超过钢锭模的强度极限时，钢锭 模就会产生裂纹。兰鹏等[1°11]发现在钢锭模奥氏 体-铁素体、奥氏体-珠光体的转变过程中，在片状石 墨周围会逐步形成微观孔洞，在浇铸过程中，钢水 中的氧会沿着微观孔洞与铸铁本身及石墨发生反 应，使钢锭模内壁成为疏松的材质，形成龟裂。

(b)形成凹坑图2

钢锭模龟裂

李戬等[1213]进一步阐明了钢锭模龟裂失效的 过程。钢锭模在冷热循环使用过程中.钢水中的氧 与钢锭模内壁的铸铁基体发生反应生成氧化膜，氧 元素通过氧化膜与钢锭模的内部铸铁基体反应生 成金属氧化物，由于氧化物的体积要大于铸铁基体

本身，所以钢锭模内部组织发生不可逆的体积膨 胀.这个过程也叫铸铁生长现象。随着使用次数的 增加，饱和的氧会与铸铁中的片状石墨发生反应生 成气体，随着气体的逸出，片状石墨逐步消失生成 微观孔洞。由于应力集中效应，加上铸铁基体与片

状石墨的结合力也比较弱，其以如图3所示的方式 一或方式二发生断裂，而石墨在铸铁基体中的分布 比较散.所以微观孔洞的分布面积也较广，这就是 龟裂成蛛网状的原因。再继续使用，龟裂部位会慢

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慢剥落，最终形成凹坑而报废。

3.2.1碳当量(CE)

CE对灰铸铁性能影响表现在两个方面：①

CE

对铸铁材质性能产生直接影响，齐笑冰等[2°]的研究 表明随着CE的提高，铸铁基体中的石墨数量增多， 对基体产生割裂作用，使铸铁材质的弹性模量、抗 拉强度和硬度均呈下降趋势；②CE直接影响铁水 的流动性和凝固速率，较低的CE会降低铁水的凝 固速率，增加铸铁形成集中缩孔的倾向，使钢锭模 图3

片状石墨在金属基体中断裂方式

对于大型钢锭模在使用过程中，纵裂纹基本 发生在钢锭模的上半部分[U]。由于钢锭的质量大、 浇铸时间长，钢锭模的下部先在钢水的作用下加 热至较高温度，而钢锭模的上部仍然处于相对低的 温度，这样就产生了温差，钢锭模的上部产生拉应 力，下部产生压应力，且大型钢锭模的壁厚通常在

300 mm以上，钢键模内外部温度的传导需要较长 时间，钢锭模内壁受热膨胀产生压应力，外壁产生 拉应力。这样，钢锭模上部受拉应力最大，如前文 所述，片状石墨与铸铁基体的结合能力较弱，在拉 应力的作用下，片状石墨的尖角部位由于应力集中 效应，产生显微裂纹。钢锭模在多次使用后，显微 裂纹逐步累积扩展延长，在宏观上表现为纵 裂纹[15-⑷。3.2大型钢锭模使用寿命影响因素

根据前述钢锭模的失效理论分析，灰铸铁对微 观裂纹产生和发展的阻碍能力越大，其使用寿命也 越长。相关的研究表明D718]，珠光体组织的抗拉强 度及对裂纹的阻碍作用要优于铁素体，所以要提高 灰铸铁钢锭模的使用寿命，一是要提高珠光体在铸 铁原始组织中的含量，二是要提高珠光体在高温下 的稳定性。实际生产中，钢锭模的外形设计、使用 环境和材质都对其使用寿命产生影响，但灰铸铁化 学成分的含量是最直接的因素[19]，笔者在化学成分 方面对灰铸铁钢锭模性能的影响作简单介绍。

在凝固过程中产生较大的缩松应力，进而影响其性 能[21]。因此，对钢锭模铸铁材质的选择需要根据各 厂的实际情况综合考虑。3. 2.2硅及硅碳比（Si/C)

硅（Si)是灰铸铁的合金元素之一，其能促进铸 铁的石墨化，但当Si含量在2%以上时，其会急剧降 低铸铁的导热性能，对于大型钢锭模的使用非常不 利[22]。另外相关的研究表明<：£范围在3.55%~ 3. 65%时，桂碳比（Si/C)对材质的力学性能影响较

大，随着Si/C的提高，材质的抗拉强度随之提高，在

Si/C为0. 57时，材质将得到不低于300 MPa的抗

拉强度，而CE范围在3. 75%〜3. 85%时，Si/C对 材质的力学性能没有明显影响。所以在较低的CE 时，高Si/C比是提高灰铸铁力学性能的有效途径， 但是Si的含量应控制在一个合理的范围，以免影响 材质的到导热性。3.2.3 锰（Mn)及硅锰比（Si/Mn)

相关的研究表明.Mn在铸铁基体中能细化珠 光体，沈定钊等[23]经试验发现，低硅高锰是获得在 高温下稳定的珠光体的必要条件.珠光体的含量越 高，髙温下越稳定，裂纹扩展的速度就越慢，钢锭模 的使用寿命就越高，所以应该适当提高锰的含量。

4大型钢锭模失效分析实践

4.1钢锭模失效分析方案制订

通过以上灰铸铁钢锭模失效过程的分析，可知 灰铸铁钢锭模在循坏使用后，基体中的石墨周围会 慢慢氧化形成微观孔洞，使石墨与基体的结合变得 脆弱.从而以如图3所示的形式发生断裂产生微观 裂纹。随着使用次数的增加，微观裂纹最终累积形 成宏观裂纹，造成钢锭模的报废。根据以上分析， 失效钢锭模的组织、化学成分与新钢锭模的组织、 化学成分会有较大变化，下面对国内某大型重机厂 使用21次170 t失效钢锭模进行组织、化学成分变 化的分析.取样情况如图4所示。

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上海电试猶驟试样麵|鬱面，雜漏

图4失效锭模取样位置

取样部位位于该170 t钢锭模上半部分，模厚 为3 700 mm,在失效钢锭模上取四个试样，试样1 取离钢锭模内壁龟裂20 mm处，试样2取钢锭模中 部离断裂面20 mm处，试样3取钢锭模中部与钢锭 模内外壁平行处，试样4取离钢锭模外壁20 mm 处。为了对比.对随钢锭模附带的试块称标样。对

标样及试样1、试样2、试样3、试样4做化学成分和 金相分析。

4.2试样化学成分

某重机厂对上述所取的试样及标样做化学成 分分析，分析结果见表1。

表1化学成分分析

肝m

〇*7

__

元素

. ..

____ 一 -C

Si Mn

P

S

标样

3.78%

i. ii%

0. 72%0.026%0. 033%试样12.97%0.76%0.49%0.028%0.032%试样23.21%0. 79%0. 54%0.027%0.035%试样33.36%0.91%0. 59%0.026%0. 032%试样4

3. 59%

1.03%

0. 67%

0.028%

0.034%

从表1的分析结果我们可以看到，试样的C、

Si、Mn较标样均呈下降趋势，龟裂处和断裂面的C、 Si、Mn下降最多，特别是龟裂处，C下降0.81 %，下 降率为21. 5%; Si下降0. 35%，下降率为31. 5%; Mn下降0.23%，下降率为31.9%。相关的研究表 明[〜，硅含量的降低使铸铁的相变温度也相应降 低，相变后，铸铁的体积膨胀率约为相变前的三倍. 这样使钢锭模受到的相变组织应力激增；随着钢锭 模使用次数的增加，内壁硅含量持续减少，以上过 程不断重复，最终导致内壁出现龟裂而失效。本次

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试样化学成分分析的结果也验证了这点。

4.3试样金相组织

某重机厂对上述所取的试样及标样进行了金 相组织分析，分析结果如图5〜图9所示。

图5

室温下标样金相组织

图6 室温下试样丨金相组织

图7 室温下试样2金相组织

图8室温下试样3金相组织

图9 室温下试样4金相组织

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从试样的金相组织图可知，标样（钢锭模原始 组织）石墨为A型片状石墨，基本沿晶界均匀分布 于基体组织中，珠光体含量占组织的65%以上；试 样1(钢锭模内壁龟裂处）石墨氧化严重，片状石墨 周围出现大量的微观孔洞，铸铁组织的石墨呈全面 氧化状态，珠光体基本分解完毕，含量不足组织的 15%;试样2(钢锭模纵裂断面处）石墨氧化严重，氧 化主要沿片状石墨周围发散，晶界处明显被破坏， 的因素[J].特殊钢，2003,24(3) :33 - 36.

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珠光体分解明显，含量约占组织的30%;试样3(钢 锭模中部横截面）和试样4 (钢锭模离外壁20 mm 处）的金相组织较完整，石墨氧化情况较轻，珠光体 含量稍有下降，约占组织的55%左右。金相组织分 析的结果也印证了前述钢锭模失效过程理论。

5结论

通过对大型钢锭模失效过程的理论分析，结合 某重机厂对使用21次170 t失效钢锭模化学成分、 金相组织的分析结果，可以得出以下结论。

(1) 钢锭模在失效后，材质从内壁至外壁其主 要成分C、Si、Mn的含量较原始成分含量均有下降， 其中龟裂处和纵裂面处成分含量下降最明显。

(2)

钢锭模内壁龟裂处组织石墨呈全面氧化的

状态，珠光体几乎全部分解，片状石墨周围密集分

布微观孔洞，呈羽化形态。

(3) 钢锭模的纵裂面处片状石墨周围微观孔洞 明显，晶界处被明显破坏，珠光体分解严重。

(4) 钢锭模中部和锭模外壁化学成分呈一定程 度的下降，基体组织基本完好，珠光体含量略有 下降。

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(编辑：启德）