高性能彈體用鋼質量研究以及軋制實踐

供稿|王海峰，肖洋 / WANG Hai-feng, XIAO Yang

作者單位：本鋼板材股份有限公司特殊鋼廠，遼寧 本溪 117000

50SiMn是由本鋼特鋼自主設計的全連鑄工藝，一直是本鋼的優勢特鋼產品，曾經創造了顯著的經濟效益和社會效益。十九大閉幕后，六大“鋼需”亮點振奮人心，本著“以銷定產”的經營理念以及“鋼需”方向，對高性能彈體用鋼50SiMn進行產品質量優化以及品種規格升級。生產高性能彈體用鋼能夠發揮本鋼鐵礦資源和轉爐、電爐冶煉系統的優勢，充分發揮軋機能力[1]。通過對圓鋼孔型系統的優化設計，實現了一條孔型系統共線軋制方鋼與圓鋼產品，成功開發了105 mm×105 mm高破片率高性能彈體用方鋼50SiMn。

生產工藝研究

生產工藝流程

50 t EBT電弧爐→50 t LF爐→50 t VD真空脫氣→235 mm×265mm合金鋼連鑄機→軋制成材→矯直→精整修磨→檢驗→包裝→入庫。

化學成分

高性能彈體用鋼50SiMn要求較高的致密度、鋼質純凈度和力學性能。由于含C量較高且含一定的B，因此淬透性較高，對白點較敏感，易出裂紋、過熱等缺陷。碳含量增加，珠光體的數量也隨之增加，使鋼的強度以及硬度均得到提高，塑性韌性下降，以保證破片的質量光滑鋒利。破片率高的品種鋼一般要求Si控制在1%~3%，Mn控制在1%~2%(表1)。而Si＞1.2%，Mn＞1.0%均使鋼的延伸率和沖擊值下降，影響破片效果。同時Mn還促進晶粒長大。隨著含硼的增加，晶界析出網狀硼化物，韌性降低，使鋼的脆性增加“硼脆”，一般控制在0.002%~0.006%，可以達到高破片率。

冶煉工藝

保證鋼液的純凈度，電爐冶煉控制精料比≥70%，確保鋼水中較低的殘余元素含量，為有效地減少鋼中氣體含量，所用材料全部烘烤后入爐。全程采用泡沫渣操作，通過快速氧化脫碳，保證良好的氧化沸騰。精煉過程采用高堿度精煉渣造渣方式，采用定量加入的形式，在規定的處理時間內加入造渣材料，將鋼水頂渣改質成具有極大脫硫能力和吸附夾雜能力的預熔性白渣。保證真空壓力，真空度100 Pa以下保持15 min以上，控制好H含量。

表1 化學成分(質量分數，%)

連鑄工藝

連鑄工藝參數直接影響鑄坯的內在質量和外部質量，最終影響產品的性能。高性能彈體用鋼對鋼材致密度要求極高，鋼材100%進行超聲波檢驗，采用靈敏度 f2.0 mm當量平底孔徑，另外此鋼由于其合金成分裂紋敏感性較高，坯料易產生角裂，為解決坯料問題，投入末端電磁攪拌降低鑄坯偏析；“三恒規定：恒拉速、恒液位、恒溫度”，提高鑄坯表面質量；在生產過程中控制過熱度20~25℃，拉速0.80 m/min；上澆次結束后嚴格檢查結晶器、二冷段的設備狀態和檢查噴嘴狀態，保證鑄坯冷卻均勻；保證生產過程中二次冷卻均勻，結晶器、二冷段對弧精度；銅管內壁一側角部鍍層磨損高度不大于400 mm；提高生產過程二冷水霧化效果，定期對濁環反沖洗過濾器進行清洗，保證濁環水質；提高噴嘴噴水情況的檢查頻次，生產前、中、后逐一對噴嘴進行檢查，保證下次生產前所有噴嘴達到最佳噴水狀態，提高二冷霧化效果。圖1是優化前后鑄坯斷面質量對比。

圖1 鑄坯質量對比

加熱爐工藝

充分利用本鋼蓄熱式燒嘴步進梁式加熱爐的設備能力，采用計算機數?？刂?，坯料受熱均勻，溫度控制精度高，鑄坯整體溫差可控制在30℃之間。保證加熱爐狀況良好，注意控制加熱溫度，由于鋼種導熱性差，Si含量較高，易出氧化鐵皮，鋼材表面要求較高，加熱工藝按操作要點執行，出爐溫度1170~1230℃，從根本上避免了坯料表面缺陷的出現。

軋制工藝

特鋼廠800連軋產線的現有生產工藝孔型布置，箱型孔→箱型孔→箱型孔→橢圓孔→圓→橢圓→圓孔型系統生產圓斷面鋼材。105 mm×105 mm方鋼孔型系統設計是在原橢圓孔機架和圓孔機架組成的機架組基礎上進行計算設計，采用軋線生產的圓鋼為來料+大圓角菱形孔+方孔過渡孔型進行方鋼軋制生產。

圓形軋件進入大圓角菱形孔時，延伸系數在1.22~1.35范圍內，同時要保證圓形軋件直徑必須在133~137 mm范圍，這樣可保證圓形軋件在大圓角菱形孔內成型。因此，軋制105mm×105 mm方鋼可以實現與 f135 mm圓鋼共線軋制，新設計“大圓角菱形孔+方型孔”方孔型銜接在軋制 f135 mm圓鋼孔型系統之后， f135 mm圓鋼成品孔型做105 mm×105 mm方鋼的成前第三孔。

BOX1-1(V1箱型孔)—BOX2-1(H2箱型孔)—BOX3-2(V3箱型孔)—ODR4-1(H4橢圓孔)—R5-1(過渡孔)—ODR6-2(橢圓孔)—FR7-3(f160成品圓孔) —ODR8-3(橢圓孔)—FR9-5(f135成品圓孔)—RH10-1(特制菱形孔)—FF11-1(□105成品方孔)。工藝孔型系統圖見圖2所示。

圖2 105 mm×105 mm孔型示意圖

823產品質量

化學成分

本鋼特鋼采用電爐冶煉，硫含量0.001%，磷含量0.01%，有害殘余元素鎳、銅控制在0.01%，鋼材化學成分均勻，組織致密，有較好的等向性和純凈度。通過精確控制化學成分及其均勻性保證鋼的強韌度要求。

非金屬夾雜

按GB/T 10561檢驗，以A類或C類夾雜物(粗系或細系)的評定結果作為“塑性夾雜物”的結果，并按其中較嚴重者判定；以B類夾雜物(粗系或細系)的評定結果作為“脆性夾雜物”的結果，并按較嚴重者判定，見表2。

表2 50SiMn非金屬夾雜物

宏觀組織

鋼材橫截面酸浸低倍組織試片無肉眼可見縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點等缺陷，□105 mm規格的823鋼的宏觀組織評級結果見表3。

表3 105 mm×105mm宏觀組織

力學性能指標

高性能炮彈用鋼50SiMn，各項指標(見表4)均優于普通的彈體用鋼，彈體材料強度越高，彈壁還可相應減薄，裝填系數即可增大。材質有一定的脆性，有利于形成較多的光滑鋒利的破片，當然要有一定的塑性以確保彈藥在運輸、發射時的安全性。

表4 50SiMn鋼力學性能

圖3 823鋼顯微組織圖

顯微組織

從顯微組織圖(圖3)可以清晰看出大量的網狀析出物，大量的網狀析出物有利于破片，提高破片率。

尺寸精度

50SiMn鋼105 mm×105 mm方鋼尺寸控制良好，生產過程只需更換兩架軋機，平均節約作業時間5 h，同時鋼材表面質量良好，角部無折疊等缺陷，見表5。同時實現圓鋼和方鋼共線孔型系統生產， f135 mm圓鋼尺寸滿足GB/T 702—2008Ⅰ組(±1.2 mm)。

表5 □105mm截面尺寸

結束語

(1) 通過鑄工藝以及過程參數優化，提高了鑄坯致密度，降低了鑄坯偏析，解決了鑄坯角裂問題，235 mm×265 mm電爐冶煉中方坯軋制105 mm×105 mm，在壓縮比不足的情況下，鋼材超聲波探傷合格率100%。

攝影 賈大庸

(2) 通過對原橢圓孔機架和圓孔機架組成的機架組基礎上進行設計計算，采用軋線生產的圓鋼為來料+大圓角菱形孔+方型孔過渡孔型進行方鋼軋制生產，成功軋制105 mm×105 mm高性能彈體用方鋼，尺寸控制良好，生產過程只需更換兩架軋機，平均節約作業時間5 h，同時軋制鋼材表面質量良好，角部無折疊等缺陷。