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鑄鋼業界的重要課題 - 鎮江正源冶金材料有限公司-免固精煉劑│脫氧劑

 

近十多年來,生產清潔鋼一直是各國鑄鋼業界廣泛關注的問題,為進行這方面的研究,花費了可觀的時間、金錢和人力。對于鑄鋼業界,生產清潔鋼的含義是:加強脫氧和防止出鋼和澆注過程中的二次氧化,從而減少鋼中和鑄件表面上的氧化物夾雜。說起來,這是個老問題,搞鑄鋼的誰都知道,但實際上大多數同仁對此并無切實的認識和了解。

 

據國外所作的統計分析,鑄鋼件的直接生產成本中,表面清理費用約占20%,其中,大部分是用于清除和焊修氧化夾雜缺陷的。

 

美國鑄鋼研究學會作,從各類鑄鋼件取樣500件以上,作研究分析,結果表明:鑄鋼件表面上的宏觀夾雜的來源如下:
1、83%是由于鋼液脫氧不好和二次氧化

2、14%來自造型材料

3、2%來自爐渣

4、1%來自耐火材料

 

因此,鑄鋼件表面上形成宏觀氧化物的主要原因是鋼的清潔度不夠好。從而,鑄造用鋼的清潔度,可用每噸鑄件表面上需清除的宏觀夾雜物的體積來衡量,也可以用每噸鑄件修補所用的焊條量來衡量。

 

當然,鋼中微觀夾雜物的數量,形態及分布狀況也與其清潔度相關,但其影響較小。

 

在許多鑄鋼廠現場所作的調查表明:不同爐次之間的鑄件,每噸鑄件修補所需的焊條量差別很大;同一爐次所澆注的鑄件,從最先澆注的到最后澆注的,每噸鑄件的焊條用量差別不大。而且,鑄件上宏觀夾雜物多的爐次約占20~25%。這說明:熔煉方面容易失控的變數較多,而澆注過程中的變數較少。

 

鑄鋼件中也會含有其他雜質,如硫化物和氮含量等,但是,鋼中的氮含量可以通過脫碳沸騰可靠地加以控制,堿性爐煉鋼控制含硫量也不成問題,而且鋼中硫化物的情況也與脫氧有關。因此,加強脫氧和防止二次氧化是當前鑄鋼業界所面對的重大問題之一。

 

一.鋼的脫氧
使鋼脫氧方法很多,所用的脫氧劑也不一而足,這里只談及主要的脫氧作業,即最終脫氧。

 

1.鋁脫氧

由于鋁的脫氧能力強,對鋼中FeO的溶有量影響很大,影響鋼中鐵因而對鋼中硫化物的數量、形態及分布狀況都有很大的影響。
在煉鋼溫度下,氧化物和硫化物在鋼中都有一定的溶解度,在鋼液凝固過程中,因氧化物和硫化物溶解度的變化,會按一定的規律析出非金屬夾雜物。所以,鋼中的”非金屬夾雜物”并不都是混雜在鋼中的異物。

 

只用硅,鋼中殘留鋁量極低時,鋼中溶解的氧較多。此時,硫化物的溶解度下降,在鋼液凝固初期,就有硫化物或以硫化物為主的硫氧復合化合物析出。這樣形成的硫化夾雜物是較大的、分布不規的近球形夾雜物,即第I類硫化物夾雜。這類夾雜物對鋼的韌性影響很小。但是,在此種條件下,鑄件中的晶粒粗大,而且很難避免氣孔、針孔等疵病。實際上,此種工藝是不可取的。

 

加鋁量較多,鋼中殘留鋁量為0.01的溶有量很低,硫化物在鋼中的溶解度增大,不在鋼液的凝固初期析出,而在稍后鋼液溫度進一步下降后,以硫化物與鐵的共晶形式析出,分布在晶界上,呈連續網狀,即第II類硫化物夾雜。在此情況下,鋼的韌性顯著下降。此種工藝也不可取。

 

加鋁量夠多,鋼中殘留鋁量在0.04%以上時,鋁會和硫生成Al2S3。Al2S3又與硫化鐵,在鋼的凝固初期析出。這種情況下,硫化物是尺寸較大、形狀不太圓、分布也不規則的夾雜物,即第III類硫化夾雜物。這種夾雜物對鋼的韌性影響也不大。

 

鋼終脫氧所用的鋁量,是考慮其脫氧效果和對硫化物的影響而確定的。不加鋁則鋼不能完全脫氧;加鋁量太少,則鋼既不能有效地脫氧,又不能細化晶粒;加鋁量多,但不超過每噸鋼0.7kg,則有招致第II類硫化物的危險。因此,作為最終脫氧劑的鋁,用量一般是每噸鋼0.8~1.2kg。

 

從前面談到的幾點,對加鋁量下限么,鋁既然是很好的脫氧劑,多加些豈不更好?為什么要規定加入量的上限呢?

 

第二次世界大戰初期,發現有的鑄鋼件在調質由于其后果是災難性的,立即成為研究的課題。起初還以為是”氫脆”,到1947年才確認此種缺陷的主要原因是氮化鋁析出。AlN可以溶于鋼液,在鑄鋼件凝固的后期,在較低的溫度下沿晶界析出呈網狀,致使鑄件脆斷。由于鋁的脫氧效果好,鑄鋼廠為確保鑄件不出氣孔,隨意多加的事是十分常見的。同時,電弧爐煉的鋼含氮量較高,一般為100ppm左右,如脫碳沸騰作業不佳,還會高于此值。在鋼中殘留鋁量高、含氮量高的情況下,鑄件就易于發生石狀斷口脆斷。我國的鑄鋼廠中,這種情況也并不鮮見。因此,嚴格控制加鋁量的上限,是十分必要的。

 

在這里順便還要說一說,發生石狀斷口脆斷并不只限于經調質處理的低合金鋼鑄件,經正火、回火的馬氏體不銹鋼鑄件也可出現,還有報道說,低碳鋼鑄件也發生過此種脆斷。此外,雖然AlN析出是造成石狀析口脆斷的主要原因,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鑄件發生脆斷。脆斷總與晶界缺陷有關。

 

每一家鑄鋼廠都要在煉鋼時加鋁,也都會加鋁。但是,如果問加鋁的工藝是否妥當?加鋁的收得率是否穩定?恐怕會有不少的鑄鋼廠難以回答。鋁的密度不及鋼液的1/2,在爐中加鋁,除采用插入方式外,容易裹在鋼渣中不易與鋼液作用。如果所用的鋁塊大小不一,就更難有穩定的效果。為了嚴格控制鋼中殘留鋁量,國外有的鑄鋼廠不用鋁而用含Al35%左右的鋁鐵合金。鋁鐵合金的密度約為6.15g/m3,比鋼渣的密度高,與鋼液的密度相近。雖成本略高,但脫氧效果好而且穩定。

 

2.復合脫氧劑脫氧
到目前為止,鑄鋼廠所用的復合脫氧劑,都以硅和鈣為主要成分。

 

六十多年以前,就有人注意到鈣在鋼中的脫氧作用。鈣在鋼中溶解度很小,但它與氧、硫的親和力都很強。在鋼的脫氧過程中,鈣和鋁有互補增益的共同作用,很像硅和錳的共同作用。氧化鈣可以和氧化鋁復合成易熔的鋁酸鈣,甚至在煉鋼溫度下可以是液相。
力都很強。在鋼的脫氧過程中,鈣和鋁有互補增益的共同作用,很像硅和錳的共同作用。氧化鈣可以和氧化鋁復合成易熔的鋁酸鈣,甚至在煉鋼溫度下可以是液相。

 

鈣使鋼液脫氧的同時,還能與溶于鋼中的夾雜物中的氧反應,降低鋼中硫化物的溶解度,使其在鋼液的凝固初期析出,呈球狀,對鋼的力學性能影響很小。

用鈣脫氧雖有很多好處,但實施時卻有不少困難。鈣的沸點為1492℃,密度僅是鋼的1/5,在煉鋼溫度下,不僅會漂浮在鋼渣表面上,而且很快就會氣化、揮發。所以,在煉鋼條件下用鈣脫氧,必須配合其他元素降低其活性,以避免過多的燒損。
硅是可以降低鈣的活性的元素,又是良好的脫氧劑,又是鑄鐵的孕育劑,所以,硅鈣合金量是最常用的鈣合金。對于鑄鐵而言,硅鈣合金是最佳的處理劑。但是,在煉鋼溫度下,硅鈣合金中的鈣,其活性仍然過高。鋼中加硅鈣,反應很激烈,效果不穩定。
 
以一定量的鋇代替硅鈣合金中的鈣,能顯著降低鈣的活性,可使之適用于煉鋼。在此條件下,鋇是一種緩沖劑。美國聯合碳化物公司早已生產硅用的復合脫氧劑。
 
前已經談到,鈣和鋁配合使用有相補增益的效果,所以,硅用效果會更好。為現場使用方便起見,聯合碳化物公司20多年前就生產一種名為”Hypercal”的硅鋼用。用硅氧時,其加入量按加鋁0.05%計算。
 
目前,我國也有硅國外用的幾種含鈣合金和我國的硅列于下表,供參考。
 
幾種常用的含鈣合金的化學成分Al Fe

國外常用的硅鈣合金 28

硅ibar) 144  硅percal) 10  我國硅/T 067
≥9
≥6 ≥30
≥35
≥40 ≥9
≥9 ≥
≥12 ≥16
≥12
≥8 —
當然,硅鋁貴,加入量也比鋁多,生產一般鑄件的鑄鋼廠,不一定要采用。嚴格控制加鋁量也能得到清潔程度較好的鋼。

 

二.防止二次氧化
與鑄鐵相比,鑄鋼的碳、硅含量低得多,而澆注溫度卻高150℃以上。所以,在出鋼和澆注過程中金屬的二次氧化比鑄鐵嚴重得多,鑄鋼件的表面質量差主要與此有關。鑄鋼廠通常都用鋁脫氧,脫氧產物氧化所形成的氧化物,能與氧化鋁作用,使之長大成為復合的宏觀氧化物夾雜。

 

 1.二次氧化的氧源

使鋼液二次氧化的氧,主要來自以下幾方面。
出鋼和澆注時,鋼液暴露于空氣中,而且紊流的鋼液會卷入為量可觀的空氣,這是鋼液被二次氧化的主要原因,根據模擬研究的結果,僅就澆注而言,每澆注1噸鋼液,就可卷入空氣0.07m3,造成氧化物夾雜10cm3。
 
氧的第二個重要來源是鋼渣。如果煉鋼后期脫氧不好,鋼渣中含FeO量擼齦質備趾馱⑸苛業幕彀?,使钢液二锤C躉lt;br /> 如修筑出鋼槽和澆包的耐火材料品質不好,其中一些氧化物可能被鋼液中某元素還原,使鋼液氧化?;蛘?,耐火材料中的某些氧化物可能與鋼液中已形成的氧化物結合,從而使宏觀夾雜物增多。
 
此外,澆注充型過程中,型內氣氛為氧化性氣氛,也會使型內的金屬氧化。如果鑄型中含氧物料多,會使氧化過程加劇。

 

 2.現場易于實施的預防措施

煉鋼過程中,防止二次氧化是十分困難的,鑄鋼廠比煉鋼廠的工藝變數多,難度就更大。在這方面,目前各國鑄鋼業界都在積極地探索、研究。但是,目前我國多數鑄鋼廠,工藝未經優化,工藝過程的控制很不嚴格,產品的質量水平很低。在此情況下,注意以下幾點,并嚴格工藝控制,就可能有較明顯的效果。
 
首先,要保證鋼液脫氧良好,國外鑄鋼廠出鋼前鋼渣中的FeO含量要求在0.5%以下。目前我國多數鑄鋼廠渣中FeO含量都在1%以上,能達到0.8%的為數不多。近期內應努力做到渣中FeO不超過0.5%。這不需要搞技術改造,也無需投資,只要求敬業和認真。
 
其次是要嚴格控制碳鋼和低合金鋼中的硅含量在0.5%~0.6%的水平,以保證鋼液有防止二次氧化的脫氧余力。不少鑄鋼廠至今還按含硅0.17%~0.37%或0.2%~0.4%的要求生產,這樣的標準早已過時,并已廢止了。
最終脫氧用的鋁,塊度應有要求,加入量和加入方法應嚴格控制。

 

 

3.鋼包中加鈣補充脫氧

目前,在鋼包中加鈣補充脫氧是最有較的克服二次氧化影響的措施之一,但所用的含鈣材料和加入方法至關重要。
 
國外不少鑄鋼廠試用過在鋼包中加CaC2,效果都不好。也有鑄鋼廠在出鋼時,將硅鈣合金投入鋼液,由于合金漂浮在表面,收得率很低。在包中加硅鈣合金,則合金浮在鋼渣表面。

最有較的方法是喂絲法。用鐵皮包裹的硅鈣粉通過鋼渣插入鋼液中,不到3秒鐘硅鈣合金就可熔化于鋼液中。鈣在鋼中的作用,前面已經談過。每噸鋼的加鈣量約為0.3kg。國外鑄鋼廠采用喂絲法后,鑄件上的宏觀夾雜缺陷平均減少40%。

 

4.鋼包中用等離子弧精煉

在鋼包上方裝一中間有小孔的石墨電極,出鋼后,使電極與鋼液間產生電弧,再自電極中心的孔吹入氬氣以產生等離子弧,并使之穩定。同時,自鋼包底部的多孔塞吹入氬氣攪拌鋼液,使之脫氧。
 
氬氣的流率可調。攪拌速率較高,則有利于均勻溫度并脫S;低速攪拌,則使鋼液中的夾雜物上浮。
 
等離子弧的極性也是可變的,負極性用于加熱鋼液和鋼渣;正極性則用于脫氧和脫硫。
 
因此種裝置??墒逛撘褐泻趿亢艿?,脫硫效果也好,可得到非常清潔的鋼。與酸性電弧爐配用,可使鋼液的品質達到堿性爐鋼的水平。

后期,還可用喂絲法加鈣,以控制硫化物和夾雜物的形態。
此種方法,小型鑄鋼廠不宜采用。
  

 

5.氬氣保護工藝尚待探索
鋼液被二次氧化,主要是因其暴露于大氣中的氧,因而自然會想到用氬氣予以保護。氬的密度高于空氣,有可能使其處于鋼液和大氣之間,形成保護氣氛。

 
由于鑄鋼廠出鋼和澆注的情況復雜,國外不少鑄鋼廠試用過多種多樣的氬氣保護方法,如澆注時用氬氣保護鋼流、在包中用氬氣覆蓋鋼液、直接向鋼液表面吹氬等。但是,迄今為止還未找到經濟而有效的屏蔽方法,這方面尚有待進一步探索。

 
 
 

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