铸造低合金钢的生产

铸造低合金钢的生产 铸造低合金钢的生产 Production of low alloy steel casting 中化机集团三明双轮化工机械有限公司 张启深 摘要：本文通过对低合金钢中合金元素作用的介绍，针对低合金钢铸造性能特点，提出低合金钢铸造过程应注意的事项，尤其是要加强熔炼过程及铸件在后道工序热割处理过程的控制，是有效提高铸件质量，降低生产成本，提高市场竞争力的有力。 主词：低合金钢 铸造性能 熔炼 热割处理 1 前言 低合金钢是以碳钢为基础，金相组织和相应的碳钢大体上是相似的。在钢中加入合金元素，钢的机械性能显著提高。近几年来，随着社会的发展和科学技术的进步，低合金钢铸件的需求量越来越大。生产企业如何提高生产工艺，控制好铸件质量，是企业抢占市场先机的关键。 2 合金元素的作用 合金元素影响钢的组织和性能。其主要作用表示在：提高钢的淬透性，提高钢的强度，增强钢的回火抗力和提高断面组织均一性等。合金元素的综合作用使得钢的机械性能提高，铸造生产上所用的低合金结构钢中，大多数是加入两种以上合金元素的多元素铸造低合金结构钢。但是应该适当掌握合金元素的加入量，加入量过少时，不能起到有效的强化作用，而加入量过多时，又会使钢的塑性和冲击韧性降低。 依据有关资料分析，单合金元素的适宜含量控制在1～2%以下，多合金元素总含量为3～5%。合金元素在铸钢中的作用见表1。 3 低合金钢的铸造性能 合金元素对钢的铸造性能的影响，反映在铸件的一次结晶、钢液的流动性、收缩及热裂等方面。 3.1流动性 在合金元素中，一些高熔点的合金元素（如Mo、W）使钢水流动性降低，而低熔点的合金元素（Mn、Ca）使钢水流动性提高。锰降钢的液相线和固相线，硅使液相线降低的倾斜度更大，因此，锰钢中加入硅后，具有更好的流动性。 3.2收缩     线收缩率和缩孔率方面，低合金钢与具有相同含碳量的碳钢相似. 3.3热裂锰、硅、铬显著降低钢的导热性，见图1所示。因此，铸件在凝固和冷却过程中各部位的温度差异较大，产生较大的内应力，容易出现裂纹。随着含碳量的增加，低合金钢的热裂和冷裂倾向加大。 HYPERLINK "http://xz8.2000y.net/admin/uploadpic/20041031132229644.gif" \o "点击图片看全图" \t "_blank" 3.4 结晶特点 由于锰、硅、铬等元素降低钢的导热性，并在一定程度上增加结晶温度范围，从而降低冷却速度，促使产生粗大的晶粒，晶内偏析也较大。 4. 生产工艺措施 为了克服低合金钢的一次晶粒较粗大，热裂和回火脆性倾向较大等缺点，铸造过程应严格控制好生产各工序的工艺技术操作，采取有效的措施，防止或降低铸件缺陷的产生。尤其是对冶炼过程的控制和铸件热割的过程控制，是低合金钢铸件生产的关键性环节。 表1 合金元素在铸钢中的作用 元 素 作 用 锰(Mn) 1．  强化基体作用很大，提高强度、硬度和耐磨性。 2．  在低合金范围内增加回火脆性。 3．  缩小结晶范围，提高流动性。 4．  增加体收缩和线收缩，增加冷、热裂倾向。 硅(Si) 1．  强化铁素体，提高耐热性和耐蚀性，降低韧性和塑性。 2．  降低熔点，改善流动性。 3．  含量在0.40%范围内，改善热裂倾向。含量高时，易形成柱状晶，增加热裂倾向。 磷(P) 1．  强化铁素体能力最大。 2．  改善切削性能。 3．  钢中含碳较高时，磷导致冷脆性。 4．  有抗大气腐蚀作用，有铜时，尤为显著。 5．  改善流动性，但增加冷、热裂倾向。 铬(Cr) 1．  强化基体能力很大。 2．  含量高时，提高抗氧化和耐蚀性。 3．  生成夹杂物，生成氧化膜，使钢水变稠，降低流动性，高铬钢铸件易形成皱纹及冷隔。 4．  减少导热性，增加热裂倾向。 5．  增加体收缩量，增大缩孔倾向。 钼(Mo) 1．  强化铁素体。 2．  提高高温性能，改善回火脆性。 3．  低合金范围内，降低流动性。 4．  含量在1%以下时，降低导热性，并增大收缩，增大冷、热裂倾向。 铝(Al) 1．  良好的脱氧作用，细化晶粒。 2．  提高抗氧化性能及抗氧化酸类的腐蚀能力。 3．  作脱氧剂时，改善流动性。 4．  作合金加入时，形成铝的夹杂物和氧化膜，降低流动性。 钛(Ti) 1．  脱氧、细化晶粒。 2．  强化铁素体。 3．  显著降低流动性。 镍(Ni) 1．扩大奥氏体区，是奥氏体化有效元素。 2．提高强度而不显著降低塑性。 3．对一些酸类（硫酸、盐酸）有良好耐腐蚀能力。 4．  改善流动性。 5．  易生成枝晶，增大热裂倾向。 硫(S) 1．  改善切削性能。 2．  生成夹杂物，使铸件延展性及韧性降低。 3．  含量高时，将损害钢的抗蚀性，使钢表面产生抗蚀。 4．  以FeS形式存在于钢时，容易在晶界上形成连续的网状组织，易导致铸件产生裂纹。 稀土元素(Re) 1．  脱硫、去气、净化钢水。 2．  细化晶粒，改善铸态组织。 3．  脱氧脱硫、改善流动性，减少热裂倾向。 4.1 熔炼过程的控制要点 我国目前的冶炼设备主要是以电炉为主，而电炉又是以电弧炉为主导，碱性电弧炉氧化法炼钢有其独特的优势。因而运用碱性电弧炉氧化法冶炼低合金钢，需要控制好熔炼过程的各项操作。 4.1.1 原材料的控制 不同的钢种对原材料的要求不同，要炼好一炉钢，首先要保证炉料配制的技术要求，配料的准确性包括炉料重量及配料成分两方面。配料重量不准，容易导致冶炼过程化学成分控制不当或造成铸件浇不足等废品，也可能出现过量的浇余而增加消耗。炉料化学成分配得不准，会给冶炼操作带来极大困难，严重时将使冶炼无法进行。 因此，配料过程中，在确保重量与安排无误的情况下，主要考虑钢种规格成分、冶炼、元素特征及工艺的具体要求来控制炉料的化学成分。首先，根据钢种的规格成分，碳的配定要保证熔化期碳的烧损及氧化期的脱碳量，还要考虑还原期补加合金和造渣制度对钢液的增碳。其次，合金元素的配制要依据冶炼方法的不同而有所区别。氧化法炼钢时，合金通常不宜与炉料一起装炉，一些合金元素熔点高，不易氧化，可按钢种规格下限配入，并与炉料一起装炉，但合金料应注意避开电极电弧区，以减少它们的挥发。最后，对炉料中磷、硫成分的控制尤为重要，除磷、硫钢外，一般钢中的磷、硫含量均是配得越低越好，但顾及钢铁料的实际情况，磷、硫的配定以不超过规格要求为限。 4.1.2 熔化期的控制 熔化期的主要任务是以最少的电耗将固体炉料迅速熔化为均匀的液体。炉料熔化的同时，熔池中也发生各种各样的物化反应，主要有元素的挥发和氧化、钢液的吸气、热量的传递与散失以及夹杂物的上浮等。因此，熔化期提前造渣覆盖于钢液面上，既可减少散热，减少钢液的吸气量，又可促使夹杂物的上浮等。熔化期的正确操作，可以把钢中的磷去除60%左右。对于低合金钢来说磷是钢中的有害元素，在冶炼过程中，要尽量降低钢中的磷含量，一般优质钢中要求P<0.030%，而高级优质钢中的磷要求P<0.015%，极特殊的要求P<0.005%。 常规脱磷的有利条件是高碱度、高氧化性及流动性良好的熔渣和中等偏低的温度。因此，熔化期操作是如何提前造好熔化渣。首先，在炉料装炉前就在炉底垫入料重1%～2%的石灰及少量的铁矿石，或在炉料大半熔时分批加入料重1%的氧化铁皮或矿石粉，从中提高熔化渣的氧化能力；其次，在炉料大半熔或全熔后扒除部分熔化渣，对于高磷炉料或磷规格要求较严格的钢种，也可全部扒除，然后重造新渣，脱磷效率可达50%～70%，是强化脱磷行之有效的好办法。 4.1.3 氧化期的控制 低合金钢氧化期的操作与普通碳素钢操作相似，在不配备炉外精炼的条件下，电炉氧化期主要任务是继续并最终完成钢液的脱磷任务，使钢中磷降到规定的允许含量范围内；在脱碳过程中去除钢液中的气体和非金属夹杂物；加热并均匀钢液温度，为钢液的还原期操作创造条件。 氧化期脱碳过程产生的CO或（CO+CO2）气泡，有吹氧时来不及参加反应的氧气泡和有目的地往熔池中直接吹入惰性气体或纯CO气体而形成的气泡上升与逸出，使熔池产生沸腾，为氢和氮的去除创造条件。 生产实践证明，高的冶炼温度可降低熔渣和钢液的粘度，有利于气体的排除。另外，高温又能促进碳氧反应的激烈进行，碳氧反应进行得越激烈，生成的气泡越有利于气体的排除，因此氧化期一般都要求高温激烈沸腾。为使除气充分，还要笥凶愎坏耐烟剂浚鲜实耐烟妓俣群图ち曳刑诘氖奔洌辖鸶忠绷妒保ΡＶじ忠喝テ墓蹋斜纫话闾妓馗指叩耐烟剂浚懈嗟募ち曳刑谑奔湟耘懦忠褐械钠濉?/SPAN> 碳氧反应能引起渣钢间的激烈搅混，为澄清这种搅混以及使非金属夹杂物充分上浮，在氧化末期停止向熔池供氧一段时间，一般约10分钟的清洁沸腾时间。这时，熔池中主要进行微弱的碳氧反应，并使之趋于平衡。对于冶炼低合金钢种时，往往在氧化末期将钢中锰含量调到0.20%以上，并保持10～15分钟，因为在氧化末期，尽管钢液比较洁净，但仍含有少量的非金属夹杂物，如 等。如锰含量在0.20%以上，使钢中的MnO含量增多，而MnO能和 等氧化物形成低熔点或极易聚结、长大、上浮的夹杂物，从而有利于去除。 氧化期的各项任务主要是通过脱碳来完成。单就脱磷和脱碳来说，两者均要求熔渣具有较强的氧化能力，可是脱磷要求中等偏低的温度、大渣量且流动性良好。脱磷反应是一个放热的反应，其反应方程式如下：               （4—1） 式4—1是在仅有FeO参加的去磷反应，反应生成物磷酸铁仅在低温下稳定。因此，为了较好的脱磷，应在大量磷酸铁生成后，将渣由炉内扒除，以免炉温上升后，因磷酸铁分解而发生回磷。同时，为使 和 形成更稳定的化合物，常用的是 ，因此碱性炼钢炉的脱磷反应可写成下式            2［P］+ 5(FeO) + 4(CaO) = (4—2) 按熔渣的离子结构模型理论，则为                （4—3） 设反应式4—2 的平衡常数为Kp，则：                           平衡常数与温度的关系：              由脱磷反应方程式可见，提高炉渣中CaO和FeO的浓度，同时不断放渣造新渣或增加渣量，从而降价渣中 的浓度，有利于脱磷。另外，脱磷反应是放热反应，因此，常规脱磷的操作均在熔化末期与氧化初期集中进行，这时的熔池温度适宜，只要大力创造高碱度、高氧化性及流动性良好的熔渣就可以了。 4.1.4 还原期的控制要点 碱性电弧炉还原期主要任务是脱氧、脱硫、合金化和调整钢液成分以及最后调整钢液温度。事实上，还原期各项任务的完成是相互联系、同时进行的。钢液脱氧好，有利于脱硫，且化学成分稳定，含金元素的收得率也高，因此脱氧是还原期精炼操作的关键环节。氧化期任务完成后，应快速扒净全部氧化渣，如果氧化渣不扒净，在还原期就会出现回磷。扒除氧化渣后，加入钢液重量2～2.5%的造渣材料，然后用最大电流使其迅速熔化。薄渣形成后即可开始加入还原剂，造还原渣以脱氧和脱硫。 4.1.4.1 脱氧 脱氧方法有沉淀脱氧和扩散脱氧。沉淀脱氧法是向钢液中加入比铁更容易氧化的元素，使溶解于钢液中的FeO还原，生成不溶于钢液的新的氧化物，并把氧化物去除。扩散脱氧是利用氧在钢液和渣中溶解度的不同，使氧向渣中扩散。在一定温度下，钢液中氧的活度与渣中（FeO）的活度之比是一个常数，表示为：                                      式中 Lo——氧的分配系数。 将粉状脱氧剂加入渣中，渣中（FeO）的含量势必减少，氧在渣钢间的分配平衡遭到破坏，为了达到重新平衡，钢液中的氧就向渣中扩散或转移，由此不断地降低熔渣中的氧含量，就可使钢液中氧陆续得以脱除。 在生产实际中，沉淀脱氧速度快，但脱氧产物排除不充分；而扩散脱氧反应的脱氧产物是进入炉气中或被熔渣吸收，这样不易玷污钢液，钢水较纯净，但扩散脱氧反应是在渣中或渣钢界面上进行，氧从钢液内部向渣中扩散转移速度较慢。为了克服各自的缺点，集中优点来完成钢液的脱氧任务，在操作过程中，通常采用综合脱氧法。其操作特点是：扒除氧化渣造稀薄渣后，立即加入锰铁或硅锰铝进行脱氧，然后再造白渣进行扩散脱氧。综合脱氧的效果良好，目前低合金钢种已普遍采用。 为了进一步降低钢中氧含量，在出钢前对钢液进行终脱氧，常用的终脱氧剂有铝、硅钙等。铝的终脱氧是在出钢前2～3分钟插入钢中，插铝量一般为1Kg/t钢，插铝前先放在炉门上烘烤一下，插时要使铝块迅速穿过渣层进入钢中，为了扩大铝在熔池中的终脱氧范围，插铝后应进行搅拌。 4.1.4.2 脱硫 对于低合金钢来说，硫是一种有害的元素 ，炼钢时要最大限度地去除钢中的硫。钢中的硫主要是以FeS的形式存在，在炼钢温度下，FeS在钢液和渣中的溶解度都很大。在炼钢过程中，硫除以FeS的形式存在外，还有MnS、CaS、MgS等硫化物，它们都比FeS稳定。且MnS在钢液中溶解度很小，而CaS、MgS几乎不溶于钢中，却都能溶于渣中。因此，脱硫的基本原则就是把溶解于钢液中的FeS转变成不溶于钢液而却能溶于渣中的比FeS更稳定的硫化物。即将FeS转变成CaS后进入渣中，从而达到去除钢中硫的目的。 脱硫反应是一个在钢渣界面上进行的多相反应，反应式为： [FeS]+(CaO) → (CaS)+[FeO] 在有碳、硅等脱氧剂的熔渣中，脱硫反应式为： [FeS]+(CaO)+ C → (CaS)+[Fe]+CO↑ 2[FeS]+2(CaO)+Si → (CaS)+2[Fe]+(SiO2) 反应生成的CO逸出炉外，SiO2与CaO结合成稳定的 熔于渣中。在炼钢温度下，脱硫反应本身的速度是很快的，它的限制性环节一般认为是脱硫产物在渣内的扩散过程，因此，凡是改善和促进硫化物在渣中扩散的条件，都能加快去硫的速度。 脱硫往往伴随着脱氧造渣操作一并进行，根据生产实际，还原期操作应注意以下几方面的措施：首先，由于脱硫是吸热反应，提高全扒渣温度有利于反应的进行，温度的提高还能使稀薄渣形成速度快，改善脱硫的动力学条件；其次，提高还原渣的碱度，一般要求渣的碱度R应在2.5～3.5之间，在渣量合适，流动性良好的情况下，尽量提高碱度，使脱硫反应朝有利的方向进行；第三方面，加强熔池的搅拌，特别是在还原的中后期，当钢液中的硫含量较低时，脱硫反应经常达不到平衡，通过搅拌来强化硫的扩散，以改善脱硫的动力学条件。 最后，一炉钢炼好后，在出钢过程中，利用渣钢的激烈搅拌来扩大渣钢间的反应界面，可使脱硫反应条件得到显著的改善。因此，电炉炼钢出钢操作时，应采取渣钢混出，大口喷吐、快速有力的方式出钢，可继续脱硫30～50%。 另外，利用稀土元素脱硫、去气和净化钢水的作用，在出钢时加到钢流或钢包中，通过与钢液的充分混合后，能起到脱氧、脱硫和改善流动性，细化晶粒与改善铸态组织，减少热裂倾向。 4.2 铸件清理控制要点     低合金钢铸件根据一定时间后开箱清理，由于低合金钢铸件容易热裂的特点，在铸件去除浇道和冒口时应注意应力的消除。如果在铸件开箱冷却后直接用氧炔焰气割浇注系统及冒口和补贴，铸件气割面会产生大量裂纹，造成铸件报废。因而，铸件开箱后只能先去除浇道管部分，其它如冒口和补贴部位则不去除，而是先将其一同进退火炉进行去应力退火，退火温度一般要求600～650℃左右，保温4～6小时后随炉冷却，温度降到300℃时立即进行热割去冒口。铸件去应力退火工艺如图2所示。热割后，冒口根部要用草木灰等保温材料覆盖，或用原冒口压在上面，让其自然冷却，一般要12小时后方可将冒口调离。铸件补贴位置可不气割，而是直接用机床车去。 HYPERLINK "http://xz8.2000y.net/admin/uploadpic/20041031132516493.gif" \o "点击图片看全图" \t "_blank" 5. 结论 经过对低合金冶炼生产过程和铸件清理过程的控制，有效地防止了铸件缺陷的产生，尤其是大大降低了铸件裂纹的产生，减少废品损失，提高了企业的经济效益。