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鑄鋼件裂紋與鋼中夾雜物關系及減少措施


2020-05-22來源:暫無數據

鋼液在冶煉過程中產生的夾雜物, 是鑄鋼件產生裂紋的重要原因之一。為減少鋼液中的夾雜物, 在冶煉過程中, 要加強對脫氧、脫硫 、除雜、去氣等冶煉操作, 并在爐后鋼包內采取必要的措施, 如加稀土等進行變質處理來改變夾雜物的形狀, 以減少夾雜物的存在, 更好的消除鑄鋼件的裂紋。


鋼中夾雜物的種類及產生原因

鋼中夾雜物主要指鋼中非金屬夾雜物, 一般認為鋼中非金屬夾雜物常以下列形式存在:氧化物 :F eO 、 Fe2 O 3  、M nO 、Al2 O 3  、SiO 2  、M gO  ;硫化物 :M nS 、FeS  ;硅酸鹽 :FeSiO 4  、M nSiO 4  、FeO ·A l2 O3   ·SiO2;氮化物 :A lN 、Si3 N 4   等。
鋼中的非金屬夾雜物來源于兩個方面 :一是隨冶煉過程產生, 即在出鋼時加入鐵合金的脫氧產物和澆注過程中鋼液和空氣的二次氧化產物, 稱內生夾雜物, 此類夾雜物一般顆粒細小, 在鋼中分布均勻;二是因種種原因從外界帶入的, 稱外來夾雜物, 此類夾雜物外形多不規則 、尺寸較大且分布不均勻 , 是產生裂紋的主要原因, 對鋼的危害性較大。
內生夾雜物主要產生于下列幾種情況 :①在冶煉過程中, 脫氧產物未能全部排除, 或澆注過程中溫度下降, 繼續反應生成的脫氧產物來不及上浮殘留于鋼液中, 它們有的以小質點存在于鋼的基體組織中, 有的則集聚成大顆粒 Al2 O 3 ), 有的則以固溶狀態存在于鋼中( M nO 、F eO);②在出鋼及澆注過程中鋼液與空氣接觸被氧化, 氧與鋼中元素結合形成二次氧化物留在鋼液中;在鋼液凝固過程中 , 低熔點的 FeS 、FeO 等由于鋼液“ 選分結晶” , 最后在晶粒邊界及樹枝晶間析出。
外來夾雜物 :這類夾雜主要由原料帶入泥沙、熔渣及保護渣等卷入, 澆注系統的耐火材料受鋼液沖刷 、浸蝕等進入, 滯留于鋼液中, 多為大顆粒夾雜物 。
非金屬夾雜物在高溫下或溶解于鋼液中, 或單獨存在于鋼液中, 但隨著溫度的下降及成分、氣體壓力等條件的改變, 原來溶解于鋼液中的夾雜物, 將以獨立相分離出來, 在結晶過程中聚集于晶界上, 成為割斷鑄鋼基體連接的微小單元, 形成裂紋的最初源頭, 從而形成了裂紋的潛在隱患。


主要夾雜物與鑄鋼裂紋的關系及減少的措施

在非金屬夾雜物中, 使鑄鋼件產生裂紋的主要原因是硫化物夾雜, 而且它常常和其他因素共同作用, 使鑄鋼件裂紋傾向增大。鑄鋼中, 硫化物夾雜分成三類:Ⅰ類  —球狀;Ⅱ類  —點鏈狀晶間薄膜狀;Ⅲ類  —任意分布的尖角狀。其中Ⅱ類夾雜對鋼危害最大, Ⅲ類次之, Ⅰ 類較小。而硫化物夾雜與鋼的脫氧程度以及鋼中殘留鋁量有關。鋁固溶量低, 氧殘留少時, 可得Ⅰ類夾雜。
脫氧劑對夾雜物的形成及鋼的性能都有較大影響。復合脫氧劑的脫氧效果要比單一脫氧劑好, 這是因為復合脫氧劑形成的夾雜物較大, 容易上浮去除。若鋼液脫氧不足, 易出現氣孔類缺陷, 易使鑄鋼件產生裂紋。但終脫氧用鋁量剛夠脫氧而無剩余, 鋁固溶量低, 氧殘留少, 會產生Ⅱ類夾雜, 一般用過量鋁脫氧, 會得到Ⅲ類夾雜。值得注意的是, 如用過量鋁就會形成較多的氮化鋁夾雜沿晶界析出, 導致“ 巖石狀”脆性斷口, 惡化鋼的性能。所以說, 用過量鋁脫氧是不合理的。煉鋼時的加鋁量及鋼中的殘余鋁量既不能太低也 不能太高 。
用鋁脫氧是目前應用廣泛的鋼脫氧方法。工業生產中通常采用兩種脫氧工藝, 一種是加鋁脫氧工藝, 另一種是控鋁脫氧工藝。前者是先用鋁將鋼中的溶解氧完全脫除, 然后通過各種方式的攪拌將Al2 O3 夾雜盡可能多地去除 ;后者是僅用硅錳粗脫氧, 并嚴格控制鋼中的鋁和鈣含量, 以便控制鋼中析出的氧化物夾雜的成分 、性質和形態[ 3] 。前者的一次脫氧率大于 90   , 脫氧產物主要是 Al2 O3 ;后者一次脫氧析出的脫氧產物量大大減少, 一次脫氧產物主要是SiO2 。
外來夾雜物可以根據其來源采取相應措施加以去除, 而內生夾雜物卻需通過脫氧工藝及鈣處理工藝新技術加以控制。
鋼包精煉時向鋼液中吹入數量更多 、尺寸更小的氬氣泡有利于一次脫氧產物的去除。
為了更好的去除鋼中的夾雜物, 減少裂紋, 冶煉操作采取以下措施。
(1) 做好原材料準備工作, 防止產生外來夾雜。
(2) 采取合理的煉鋼工藝:如采取合理的吹氧 、配電工藝, 保證一定的脫碳速度使夾雜上浮, 保持良好的爐況等。(3) 采取復合脫氧劑代替單一脫氧劑。(4) 爐后鋼包內加稀土 , 改變夾雜物形狀, 減少夾雜, 以減少鑄鋼件裂紋傾向, 增加鋼液流動性。(5) 為了有利于夾雜上浮排除 , 除了保證足夠的鋼液溫度外, 出鋼后鋼液在鋼包內要適當靜置。
另外, 使用高質量的耐火材料, 保證澆注系統潔凈或使用過濾網, 也是減少夾雜的重要措施。


3 稀土復合變質處理去除鋼中夾雜及加入方法

加入稀土對去除鋼中夾雜物有較好的作用, 稀土在鋼中主要是用來控制硫化物的, 且能脫氧、脫硫 。
在鑄態情況下, 鋼中M nS 夾雜物呈橢圓形或近似于圓形。而較大橢圓形夾雜物是以 M nO 為核心, 外層由M nS M n-S-O 包圍而形成的復合夾雜物。加入稀土后, 鑄態夾雜物的分布和組成發生了變化,MnS 夾雜物被近似球形的細小彌散分布的稀土夾雜物所代替。為了使稀土很好還原, 稀土氧化物應當與強烈的還原劑(Ca-Si 、Ca-B)混合后加入鋼液中,這樣才能起到變質處理的作用。采用適當的變質處理, 可使硫化物夾雜形成熔點高、塑性小 、熱力學性質較穩定的球狀夾雜物??梢哉f, 稀土和鈣是良好的脫硫劑, 又是硫化物夾雜的良好變質劑。采用RE-Ca 復合處理能夠更好地脫氧、去硫、凈化 、變質 , 控制非金屬夾雜物的形態和分布, 達到提高鑄造低合金鋼的綜合力學性能。
為進一步探討稀土對鑄鋼性能的影響, 對ZG 35CrM o 鋼中使用稀土復合變質處理進行了試驗, 所用稀土合金牌號為 YX 20 , 含有 20 .53 RE ,40 .95 Si ;Si-Ca 成分中含有 26 .45  Ca , 57 .07  Si 。
復合處理是采用包內加入法, 加入稀土時, 鋼液必須充分脫氧, 防止稀土加入時燒損, 防止它同鋼包耐火材料發生反應。稀土在加入前應很好烘烤。具體做法是按照鋼包內鋼液量及其含硫多少, 確定 RE Si-Ca 的用量, RE Si-Ca 破碎成小塊混合均勻, 用鐵皮包覆, 快速插入用鋁進行終脫氧扒渣后的鋼液中, 并不停攪動, 處理溫度保持在 1 600 1 650 ℃范圍內, 然后扒渣, 靜置 1 2 min 澆注。
根據不同的回收率, 控制好鋼液中稀土殘留量與硫含量的適宜值 RE/S , 可獲得良好的變質效果。研究證明 :RE/ S 3 , 可使 M nS 夾雜完全變質; RE/ S <3 , 只能部分變質 ;當鋼中 S 0 .02  , RE/ S =1 .8 2 .5 時變質效果最好。
變質處理后鋼液的化學成分見表 1 。從表中可見, RE 、RE-Ca 處理后的鋼中含硫量明顯下降, 而鋼液中RE 的回收率則隨 RE 加入量的增加而增加。力學性能測試結果見表 2 。
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從表中可以看出, 經過變質處理的鋼液, 力學性能有明顯提高, 強度提高 11 以上, 而采用 RE-Ca 復合處理綜合性能更好, 沖擊韌度提高 26 左右。
稀土復合變質處理的作用主要在于凈化鋼液和控制夾雜物形態, 減少夾雜物, 同時還有消除魏氏組織、細化晶粒和微合金化作用。即加入稀土復合劑后不但 能脫氧去硫, 而且在 RE/ S 3 6 , MnS 會變成球狀夾雜物, 從而減輕硫的危害, 防止或減少熱裂, 稀土對于改變鋼液中夾雜物的形態, 減少裂紋, 效果很明顯。測試結果見表 3 。
image.png

采用ZG 35C rM o 鋼生產的齒輪, 在復合變質處理前廢品率很高, 而復合變質處理后, 廢品率降低 40%以上, 取得了明顯的效果, 獲得了很好的經濟效益。


4 結 論

(1) 鋼液中的夾雜物是鑄鋼產生裂紋的主要原因之一, 不同夾雜物, 產生裂紋的方式也不同。
(2) 為減少鋼液中的非金屬夾雜物及防止鑄鋼件 裂紋, 要從原材料準備 、冶煉工藝 、脫氧操作 、鋼包靜置、變質處理等環節上, 切實做好。
(3)采用稀土和鈣聯合變質劑對鋼液進行復合變 質處理, 是減少鋼液中非金屬夾雜物, 改變其形狀, 減少鑄鋼件裂紋的有效方法。

 

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