铸钢业界的重要课题--生产清洁钢(1)

发布时间:2011-09-28 18:52:52
 

铸钢业界的重要课题--生产清洁钢(1)

 近十多年来,生产清洁钢一直是各国铸钢业界广泛关注的问题,为进行这方面的研究,花费了可观的时间、金钱和人力。对于铸钢业界,生产清洁钢的含义是:加强脱氧和防止出钢和浇注过程中的二次氧化,从而减少钢中和铸件表面上的氧化物夹杂。说起来,这是个老问题,搞铸钢的谁都知道,但实际上大多数同仁对此并无切实的认识和了解。

据国外所作的统计分析,铸钢件的直接生产成本中,表面清理费用约占20%,其中,大部分是用于清除和焊修氧化夹杂缺陷的。

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山东中德铸钢厂坐落于山东省聊城市经济开发区,京九铁路畔,329国道旁交通十分便利。 公司现主要生产离心浇铸钢管,外径可生产180-800*30-150单支长度6米左右,常备离心浇铸管资源材质为:20#离心浇铸钢管、45#离心浇铸钢管、16Mn离心浇铸钢管、15Crmo离心浇铸钢管、35crmo离心浇铸钢管40CrMo离心浇铸钢管、42CrMo离心浇铸钢管、12Cr1MoV钢管、27SiMn离心浇铸钢管、12Cr1MoV(G)离心浇铸钢管、13CrMo44(A335P12、STFA22离心浇铸钢管、15CrMo)离心浇铸钢管、10CrMo910离心浇铸钢管(A335P22、12Cr2Mo、STFA24)离心浇铸钢管、A335P5(STFA25、Cr5Mo)、A335P9(Cr9Mo、STFA26)、A335P91(T91)离心浇铸钢管、A335P92离心浇铸钢管、钢研102(12Cr2MoWVTiB)离心浇铸钢管。执行标准:日标JISG3457、德标DIN17175-79、美、意标ASTM、ASME。结构管GB8162-1999、流体管GB8163-1999、低中压锅炉管GB3087-1999、高压锅炉管GB5310-1995、化肥专用管GB6479-2000、石油裂化管GB9948-88。生产制造15Crmo离心浇铸钢管/27SiMn离心浇铸钢管/12Cr1MoV(G)离心浇铸钢管。生产159*10-30,195*10-35,219*10-35,245*10-40,273*10-50,325*10-60,377*10-60材质为:20#厚壁钢管、45#厚壁钢管、16Mn厚壁钢管、15Crmo厚壁钢管、35CrMo厚壁钢管、40CrMo厚壁钢管、42CrMo厚壁钢管、12Cr1MoV钢管、27SiMn 钢管、12Cr1MoV(G) 钢管、13CrMo44(A335P12、STFA22 钢管、15CrMo)厚壁无缝钢管、10CrMo910厚壁无缝钢管(A335P22、12Cr2Mo、STFA24)厚壁无缝钢管、A335P5(STFA25、Cr5Mo)、A335P9(Cr9Mo、STFA26)、A335P91(T91)离心浇铸钢管、A335P92离心浇铸钢管、钢研102(12Cr2MoWVTiB)离心浇铸钢管。执行标准:日标JISG3457、德标DIN17175-79、美、意标ASTM、ASME。结构管GB8162-1999、流体管GB8163-1999、低中压锅炉管GB3087-1999、高压锅炉管GB5310-  1995、化肥专用管GB6479-2000、石油裂化管GB9948-88。生产制造15Crmo离心浇铸钢管/27SiMn离心浇铸钢管/12Cr1MoV(G)离心浇铸管



美国铸钢研究学会(SFSA)自1985年起进行了大量研究工作,从各类铸钢件(包括碳钢件、低合金钢件和中高合金钢件)中取样500件以上,作研究分析,结果表明:铸钢件表面上的宏观夹杂的来源如下:

l 83%是由于钢液脱氧不好和二次氧化;
l 14%来自造型材料;
l 2%来自炉渣;
l 1%来自耐火材料。

因此,铸钢件表面上形成宏观氧化物的主要原因是钢的清洁度不够好。从而,铸造用钢的清洁度,可用每吨铸件表面上需清除的宏观夹杂物的体积来衡量,也可以用每吨铸件修补所用的焊条量来衡量。

当然,钢中微观夹杂物的数量,形态及分布状况也与其清洁度相关,但其影响较小。

在许多铸钢厂现场所作的调查表明:不同炉次之间的铸件,每吨铸件修补所需的焊条量差别很大;同一炉次所浇注的铸件,从******浇注的到******浇注的,每吨铸件的焊条用量差别不大。而且,铸件上宏观夹杂物多的炉次约占20~25%。这说明:熔炼方面容易失控的变数较多,而浇注过程中的变数较少。

铸钢件中也会含有其他杂质,如硫化物和氮含量等,但是,钢中的氮含量可以通过脱碳沸腾可靠地加以控制,碱性炉炼钢控制含硫量也不成问题,而且钢中硫化物的情况也与脱氧有关。因此,加强脱氧和防止二次氧化是当前铸钢业界所面对的重大问题之一。

一.钢的脱氧

使钢脱氧方法很多,所用的脱氧剂也不一而足,这里只谈及主要的脱氧作业,即***终脱氧。

1.铝脱氧

由于铝的脱氧能力强,对钢中FeO的溶有量影响很大,影响钢中铁-氧-硫三元素的平衡,因而对钢中硫化物的数量、形态及分布状况都有很大的影响。

在炼钢温度下,氧化物和硫化物在钢中都有一定的溶解度,在钢液凝固过程中,因氧化物和硫化物溶解度的变化,会按一定的规律析出非金属夹杂物。所以,钢中的"非金属夹杂物"并不都是混杂在钢中的异物。

只用硅-锰脱氧,或加铝量很少,钢中残留铝量极低时,钢中溶解的氧较多。此时,硫化物的溶解度下降,在钢液凝固初期,就有硫化物或以硫化物为主的硫氧复合化合物析出。这样形成的硫化夹杂物是较大的、分布不规的近球形夹杂物,即第I类硫化物夹杂。这类夹杂物对钢的韧性影响很小。但是,在此种条件下,铸件中的晶粒粗大,而且很难避免气孔、针孔等疵病。实际上,此种工艺是不可取的。

加铝量较多,钢中残留铝量为0.01-0.03%时,钢中氧的溶有量很低,硫化物在钢中的溶解度增大,不在钢液的凝固初期析出,而在稍后钢液温度进一步下降后,以硫化物与铁的共晶形式析出,分布在晶界上,呈连续网状,即第II类硫化物夹杂。在此情况下,钢的韧性显著下降。此种工艺也不可取。

加铝量够多,钢中残留铝量在0.04%以上时,铝会和硫生成Al2S3。Al2S3又与硫化铁(锰)形成复合硫化物,其在钢中的溶解度很低,在钢的凝固初期析出。这种情况下,硫化物是尺寸较大、形状不太圆、分布也不规则的夹杂物,即第III类硫化夹杂物。这种夹杂物对钢的韧性影响也不大。

钢终脱氧所用的铝量,是考虑其脱氧效果和对硫化物的影响而确定的。不加铝则钢不能完全脱氧;加铝量太少,则钢既不能有效地脱氧,又不能细化晶粒;加铝量多,但不超过每吨钢0.7kg,则有招致第II类硫化物的危险。因此,作为***终脱氧剂的铝,用量一般是每吨钢0.8~1.2kg。

从前面谈到的几点,对加铝量下限(每吨钢0.8kg)的确定是不难理解的。那么,铝既然是很好的脱氧剂,多加些岂不更好?为什么要规定加入量的上限呢?

第二次世界大战初期,发现有的铸钢件在调质(淬火加回火)后脆断,断口为石状或冰糖状。由于其后果是灾难性的,立即成为研究的课题。起初还以为是"氢脆",到1947年才确认此种缺陷的主要原因是氮化铝析出。AlN可以溶于钢液,在铸钢件凝固的后期,在较低的温度下沿晶界析出呈网状,致使铸件脆断。由于铝的脱氧效果好,铸钢厂为确保铸件不出气孔,随意多加的事是十分常见的。同时,电弧炉炼的钢含氮量较高,一般为100ppm左右,如脱碳沸腾作业不佳,还会高于此值。在钢中残留铝量高、含氮量高的情况下,铸件就易于发生石状断口脆断。我国的铸钢厂中,这种情况也并不鲜见。因此,严格控制加铝量的上限,是十分必要的。

在这里顺便还要说一说,发生石状断口脆断并不只限于经调质处理的低合金钢铸件,经正火、回火的马氏体不锈钢铸件也可出现,还有报道说,低碳钢铸件也发生过此种脆断。此外,虽然AlN析出是造成石状析口脆断的主要原因,但也不是唯一的原因,沿晶界析出的硼化物,碳化物或硫化物也都可以使铸件发生脆断。脆断总与晶界缺陷有关。

每一家铸钢厂都要在炼钢时加铝,也都会加铝。但是,如果问加铝的工艺是否妥当?加铝的收得率是否稳定?恐怕会有不少的铸钢厂难以回答。铝的密度不及钢液的1/2,在炉中加铝,除采用插入方式外,容易裹在钢渣中不易与钢液作用。如果所用的铝块大小不一,就更难有稳定的效果。为了严格控制钢中残留铝量,国外有的铸钢厂不用铝而用含Al35%左右的铝铁合金。铝铁合金的密度约为6.15g/m3,比钢渣的密度高,与钢液的密度相近。虽成本略高,但脱氧效果好而且稳定。

2.复合脱氧剂脱氧

到目前为止,铸钢厂所用的复合脱氧剂,都以硅和钙为主要成分。

60多年以前,就有人注意到钙在钢中的脱氧作用。钙在钢中溶解度很小,但它与氧、硫的亲和力都很强。在钢的脱氧过程中,钙和铝有互补增益的共同作用,很像硅和锰的共同作用。氧化钙可以和氧化铝复合成易熔的铝酸钙,甚至在炼钢温度下可以是液相,见附图。

 


附图 CaO-AL2O3相图

钙使钢液脱氧的同时,还能与溶于钢中的夹杂物中的氧反应,降低钢中硫化物的溶解度,使其在钢液的凝固初期析出,呈球状,对钢的力学性能影响很小。

用钙脱氧虽有很多好处,但实施时却有不少困难。钙的沸点为1492℃,密度仅是钢的1/5,在炼钢温度下,不仅会漂浮在钢渣表面上,而且很快就会气化、挥发。所以,在炼钢条件下用钙脱氧,必须配合其他元素降低其活性,以避免过多的烧损。

硅是可以降低钙的活性的元素,又是良好的脱氧剂,又是铸铁的孕育剂,所以,硅钙合金量是***常用的钙合金。对于铸铁而言,硅钙合金是******的处理剂。但是,在炼钢温度下,硅钙合金中的钙,其活性仍然过高。钢中加硅钙,反应很激烈,效果不稳定。

以一定量的钡代替硅钙合金中的钙,能显著降低钙的活性,可使之适用于炼钢。在此条件下,钡是一种缓冲剂。美国联合碳化物公司早已生产硅-钙-钡合金作为供炼钢用的复合脱氧剂。

前已经谈到,钙和铝配合使用有相补增益的效果,所以,硅-钙-钡合金和铝配合使用效果会更好。为现场使用方便起见,联合碳化物公司20多年前就生产一种名为"Hypercal"的硅-钙-钡-铝合金,供炼钢用。用硅-钙-钡-铝合金复合脱氧时,其加入量按加铝0.05%计算。
目前,我国也有硅-钙-钡-铝合金生产。国外用的几种含钙合金和我国的硅-钙-钡-铝合金的成分列于下表,供参考。

几种常用的含钙合金的化学成分(%)

合金
Ca
Si
Ba
Al
Fe
国外常用的硅钙合金
28-32
60-65
--
--
--
硅-钙-钡合金(Calsibar)
14-17
57-62
14-18
--
<5
硅-钙-钡-铝合金(Hypercal)
10-13
38-40
9-12
19-21
<7
我国硅-钙-钡-铝合金(YB/T 067-1995)
≥12
≥9
≥6
≥30
≥35
≥40
≥9
≥9 ≥
≥12
≥16
≥12
≥8
--

当然,硅-钙-钡-铝合金价格比铝贵,加入量也比铝多,生产一般铸件的铸钢厂,不一定要采用。严格控制加铝量也能得到清洁程度较好的钢。