影響鋼中非金屬夾雜物的關(guān)鍵因素的研究

(河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000)

非金屬夾雜物是指鋼中不具有金屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、硅酸鹽或氮化物等。鋼中存在的非金屬夾雜物會破壞鋼基體的連續(xù)性，造成鋼組織的不均勻性，嚴(yán)重影響鋼的性能；同時，非金屬夾雜物能以不同的方式在鋼中形成解理裂紋的核，在高度變形時這些夾雜物發(fā)生變形，并在其周圍伴隨有裂紋的萌生，在一定的力學(xué)條件作用下，夾雜物周圍的裂紋互相聯(lián)結(jié)成片，形成了宏觀可見的裂紋。另外，非金屬夾雜物存在的另一危害就是鋼材在受力過程中形成應(yīng)力集中，造成鋼材的強度下降。此外，鋼中非金屬夾雜物還能提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼有變脆的傾向[1]。因此，可以說鋼的性能、質(zhì)量(如疲勞壽命、加工性能及耐蝕性能等)在一定程度上取決于鋼中夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和分布[2]。

鋼中非金屬夾雜物主要來源于原材料、冶煉過程中脫氧和合金元素與溶解在鋼液中的O、S或N的反應(yīng)產(chǎn)物、出鋼和澆注過程中的二次氧化或鋼在凝固過程中由于某些元素溶解度下降而形成的硫化物或氮化物、爐渣或耐火材料或其它夾雜在鋼液凝固過程中未及時浮出而殘留于鋼中。為滿足現(xiàn)代工程技術(shù)發(fā)展對鋼的潔凈度要求不斷提高的需要，有必要對影響鋼中夾雜物形態(tài)、尺寸及分布的關(guān)鍵因素進行深入探討和研究，從而生產(chǎn)出更具有市場競爭力的產(chǎn)品。本文以中信重工42CrMo鋼生產(chǎn)實踐為基礎(chǔ)，主要分析了冶煉過程精煉控制時間、[Mn]/[S]、Al含量等對鋼中非金屬夾雜物等級的影響。

1 試驗條件

試驗材質(zhì)42CrMo生產(chǎn)工藝流程為：EBT超高功率電爐初煉→LF爐外精煉→VD真空脫氣處理→靜吹→VC真空澆注/氬氣保護下鑄。

操作要點有：

(1)精選爐料，熔清殘余元素滿足工藝要求，利用EBT超高功率電弧爐內(nèi)去氣、去夾雜，并最大限度降低鋼中P含量，EBT出鋼前加強噴吹碳粉操作以免鋼水過度氧化，出鋼采用留鋼留渣操作，嚴(yán)禁氧化渣進入精煉包，并隨鋼流加入鋁脫氧。

(2)到達LF精煉工位后盡快造好還原性渣，控制好熔渣堿度及流動性，并盡量避免因氬氣攪拌而導(dǎo)致卷渣或鋼液裸露現(xiàn)象，調(diào)整合金成分達到鋼種要求，出鋼前喂入適量Si-Ca線終脫氧。

(3)VD處理真空度≤66.5Pa，有效高真空保持時間不低于15min，并保證適宜的氬氣攪拌強度。VD真空處理結(jié)束后，靜吹時間大于15min，有效保證鋼中夾雜物的上浮。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 精煉時間對鋼中非金屬夾雜物評級的影響

表1所示為試驗統(tǒng)計精煉時間與鋼中非金屬夾雜物評級的關(guān)系?？梢钥闯觯珶捒倳r間對鋼中非金屬夾雜評級的影響具有兩重性，當(dāng)精煉時間低于1.5 h或達到3.5 h以上時，鋼中非金屬夾雜物超過1.5級的幾率明顯增加：這主要是由于若精煉時間過短，鋼液中各物質(zhì)之間的物化反應(yīng)尚不充分，顆粒直徑小的脫氧/脫硫產(chǎn)物沒有足夠充分的上浮時間浮出鋼液面而殘留于鋼中，會導(dǎo)致鋼中非金屬夾雜升高；但若精煉時間過長，則容易造成鋼渣或耐火材料等外來夾雜進入鋼液導(dǎo)致夾雜物含量增加。只有精煉時間控制在2 h～3 h時，鋼中非金屬夾雜物評級才比較穩(wěn)定，大約60%都能控制在1.0級以下。另外，試驗各爐次VD后靜吹時間不得低于15 min，以給鋼液中夾雜物充分的上浮時間，并借助外力攪拌作用，使夾雜物上浮的動力學(xué)條件得以改善。

表1 精煉時間與鋼中非金屬夾雜物評級的關(guān)系Table 1 Relationship between refining time and grade evaluation of non-metallic inclusions in steel

表2 [Mn]/[S]與鋼中硫化物夾雜等級概率的關(guān)系Table 2 Relationship between [Mn]/[S] and grade probability of sulfide inclusions in steel

2.2 [Mn]/[S]對硫化物夾雜級別及形態(tài)的影響

表2所示為試驗中統(tǒng)計鋼水中[Mn]/[S]與鋼中硫化物夾雜等級概率的關(guān)系。可以看出，當(dāng)[Mn]/[S]≤90時，硫化物夾雜級別100%超過1級，隨著[Mn]/[S]的增大，鋼中非金屬夾雜中0.5級及1.0級的比例逐漸增加，只有當(dāng)[Mn]/[S]≥170時，才能保證硫化物夾雜的等級全部在1.0級以內(nèi)。

2.3 Al對鋼中非金屬夾雜評級的影響

Al是煉鋼過程常用的終脫氧材料，用鋁脫氧不但可以有效降低鋼中的O含量，還可以起到細(xì)化晶粒、改善鋼質(zhì)、防止時效的作用[4]。鋼中的內(nèi)生夾雜物主要包括煉鋼過程合金化和終脫氧時產(chǎn)生的初生夾雜及鋼液凝固過程由于各元素溶解度降低而析出的次生夾雜。其中，初生夾雜一般尺寸較大，是影響成品鋼中夾雜物評級的關(guān)鍵因素[5]。

圖1是根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)42CrMo鋼過程中測得Al含量及鋼中夾雜物評級數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。可以看出，鋼液中Al含量對非金屬夾雜總量有明顯的影響，通過生產(chǎn)過程中各工序參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整，控制鋼液Al含量，可以達到控制鋼液中夾雜物評級的目的。圖1分析結(jié)果表明Al的較佳控制范圍為0.022%～0.032%，Al含量過低或過高都會引起夾雜物總量的增加。根據(jù)試驗分析，若鋼液中Al含量過高，鋼液中的Al很容易與渣中的氧結(jié)合，還原渣中的SiO2、MnO等化合物而導(dǎo)致鋼水增硅，使鋼液中聚集的Al2O3增加。另外，在澆注溫度下，氧溶解于鋼水中的能力非常大，加之各種合金元素基本上都是起增大溶解能力的作用[6]，因此過高的Al會大大增加鋼液在澆注時的二次氧化現(xiàn)象。若Al含量過低，則會增加鋼液中溶解氧的含量，不但會造成鋼中氧化物的增加，還會影響鋼的組織性能。因此，控制好鋼中Al含量是降低夾雜物的一個關(guān)鍵點。

圖1 Al含量與鋼中非金屬夾雜評級的關(guān)系Figure 1 Relationship between Al content and grade evaluation of non-metallic inclusions in steel

3 結(jié)論

(1)精煉時間對鋼中非金屬夾雜評級的影響具有兩重性，把精煉時間控制在2 h～3 h以內(nèi)，鋼中非金屬夾雜物評級才比較穩(wěn)定，大約60%都能控制在1.0級以下。

(2)鋼液中[Mn]/[S]、O和S含量的高低都會不同程度的影響硫化物夾雜的級別及形態(tài)。只有保證[Mn]/[S]≥170，并適當(dāng)控制好鋼中O含量，才能保證硫化物夾雜的等級全部在1.0級以內(nèi)。

(3)鋼液中Al含量對非金屬夾雜總量有明顯的影響，適當(dāng)控制鋼液Al含量，可以達到控制鋼液中夾雜物評級的目的。Al的較佳控制范圍為0.022%～0.032%，Al含量過低或過高都會引起夾雜物總量的增加。