陳建東

(上海重型機(jī)器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

S34M nV曲軸鍛用鋼的夾雜物控制

陳建東

(上海重型機(jī)器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245)

采用CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2基含氟精煉渣系，渣中含CaF220%左右，該渣系有較強(qiáng)的吸附夾雜物的能力。真空前鋼水中的部分MgO-Al2O3夾雜物已轉(zhuǎn)變成熔點(diǎn)較低的CaO-MgO-Al2O3夾雜物，真空后的夾雜物是完全改性的CaO-MgO-Al2O3夾雜物。真空前→真空后→鑄坯過(guò)程中，夾雜物數(shù)量逐漸減少。鑄坯中的夾雜物是完全改性后的CaO-MgO-Al2O3夾雜物，該夾雜物對(duì)曲軸鍛用鋼力學(xué)性能的危害很小。

S34MnV曲軸鋼;夾雜物;改性

曲軸工作過(guò)程中承受交變應(yīng)力(扭轉(zhuǎn)力、彎曲力和壓縮力)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。S34MnV曲軸鍛用鋼中的非金屬夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，會(huì)成為疲勞裂紋源，引發(fā)曲軸折斷等事故。因此，減少鋼中的夾雜物含量，減小夾雜物尺寸是提高船用曲軸疲勞壽命的主要途徑。

1 S34M nV曲軸鍛用鋼冶、鑄工藝要點(diǎn)

1.1 工藝流程

工藝流程為:100 t EBT→120 t LF→成分微調(diào)、控溫→120 t VD→控溫→氬氣保護(hù)、大氣下鑄。

1.2 預(yù)脫氧及爐外合金化

100 t EBT爐出鋼時(shí)采用鋁錠預(yù)脫氧、爐外合金化。預(yù)脫氧及爐外合金化的產(chǎn)物為Al2O3、MnO ·SiO2。Al2O3與鋼液間的界面張力較大，鋼液對(duì)Al2O3的潤(rùn)濕性很差，增大了Al2O3自發(fā)聚合的趨勢(shì)，在后續(xù)的精煉和澆鑄過(guò)程中Al2O3絕大部分都被排除掉了。用于合金化的錳鐵與硅鐵Mn/Si＞3，Mn、Si脫氧時(shí)可生成液態(tài)產(chǎn)物MnO·SiO2，其熔點(diǎn)是1 285℃，在氬氣的攪拌下很容易上浮而被爐渣捕獲［1］。

1.3 真空處理

VD處理時(shí)的有效真空度≤65 Pa，真空時(shí)間≥60 min。VD脫氣的原理是:爐渣吹面的“渣眼”處，鋼液沖破渣層，沖破渣層的鋼水在持續(xù)高真空的作用下，降低了鋼水中的氣體分壓，促使氣體以分子形式析出。特別是對(duì)于原子半徑很小的氫，比較容易脫離鋼液而去除［2］。

1.4 氬氣保護(hù)模鑄

模鑄過(guò)程操作要點(diǎn)是:①保持錠身液面穩(wěn)定上升，如淌道內(nèi)徑為?65 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，澆鑄時(shí)的液面上升速度控制在(80～100)mm/min;②冒口補(bǔ)縮時(shí)間以錠身澆鑄時(shí)間為參照對(duì)象，冒口補(bǔ)縮時(shí)間≥4/5錠身澆鑄時(shí)間;③液芯瞬時(shí)裸露后須及時(shí)補(bǔ)加保護(hù)渣;④正常澆鑄期間鋼流被氬氣保護(hù)罩屏蔽，避免卷入空氣。下鑄時(shí)模內(nèi)鋼液軸心流股向上、邊緣流股向下［3］。

模鑄用保護(hù)渣在高溫鋼水的作用下，呈液渣覆蓋鋼液面。液渣層對(duì)氧化物夾雜具有良好的潤(rùn)濕性，吸收速度快，而且吸收相當(dāng)數(shù)量的氧化物夾雜后，其黏度、凝固溫度、結(jié)晶性能等物性參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，不影響保護(hù)渣自身性能［4］。

表1 真空處理前、真空處理后精煉渣的成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Comparison between the chem ical com positions of refining slag before and after vacuum ing(mass fraction，%)

2 S34M nV曲軸鍛用鋼工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)果及分析

2.1 研究方法

采集任意5爐樣本，用XRF分析鋼包渣的化學(xué)成分，用SEM/EDS檢測(cè)鋼水樣、鑄坯樣。鋼水樣為圓坯狀，直徑?30 mm。鑄坯樣500 mm× 500 mm。

2.2 LF爐采用含氟精煉渣系

爐渣的堿度和氧化性都會(huì)影響精煉過(guò)程中夾雜物的變化［5］，真空處理前、真空處理后爐渣化學(xué)成分如表1所示。

參照CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2基多元渣系相圖，CaF2可以降低CaO、SiO2、Al2O3、MgO的熔點(diǎn)［6］，改善爐渣的流動(dòng)性，提高渣系的反應(yīng)性能。但當(dāng)渣中加入過(guò)多的CaF2時(shí)，會(huì)造成渣中CaO被稀釋，降低有效堿濃度，影響爐渣的精煉效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，S34MnV鋼真空前精煉渣系中的CaF2控制在20%左右比較合理。

由于爐渣-鋼液-夾雜物之間存在平衡的關(guān)系，因此控制夾雜物主要是通過(guò)控制三者成分進(jìn)行［7］。進(jìn)入VD精煉前，鋼水在LF的精煉時(shí)間已經(jīng)超過(guò)90 min，精煉渣較長(zhǎng)時(shí)間處于1 550℃以下的低熔點(diǎn)區(qū)域，頂渣具有良好的吸附夾雜的能力，熔點(diǎn)低的夾雜物有足夠的上浮時(shí)間被爐渣吸附而去除。

從表1可見，真空后精煉渣的成分與真空之前相比發(fā)生了較大的變化。因?yàn)閂D真空處理是通過(guò)底吹氬氣頂破渣層，鋼水在“渣眼”處裸露在真空中，隨后又跌落到周邊的渣層里，攪動(dòng)的鋼水增加了渣-渣、渣-金之間的碰觸面積。導(dǎo)致頂渣成分變化的因素有:①高溫作用下，CaF2易于揮發(fā);②CaF2與精煉渣中的SiO2反應(yīng)后生成的SiF4氣體隨爐氣一起消失;③精煉渣捕獲熔損的耐材及脫氧產(chǎn)物的復(fù)合夾雜物。

圖1 進(jìn)入VD精煉前鋼水中典型夾雜物形貌Figure 1 Typical inclusions appearance in themolten steel before VD refining

2.3 真空處理前、真空處理后夾雜物的變化

所檢測(cè)到的夾雜物尺寸為1.5μm～10μm。在1 mm2的視場(chǎng)內(nèi)，這5爐鋼水樣夾雜物的個(gè)數(shù)共有96個(gè)，其中小于5μm的有90個(gè)，占夾雜物總數(shù)的93.75%;大于5μm的有6個(gè)，占夾雜物總數(shù)的6.25%。由于尺寸很小，這些夾雜對(duì)鋼性能帶來(lái)的危害已經(jīng)是微乎其微了。

通過(guò)SEM/EDS分析爐次3的鋼水樣，發(fā)現(xiàn)主要含有以下兩類夾雜物，一類是未完全改性的CaO-Al2O3-MgO;另一類是完全改性的 CaOAl2O3-MgO。這兩類夾雜物的形貌見圖1。夾雜物的成分分析結(jié)果見圖2。

CaO-Al2O3-MgO系夾雜物形成過(guò)程分為兩個(gè)步驟。

第一步，由于鋼水中的Al與爐渣和鋼包工作襯中的MgO發(fā)生反應(yīng)生成Mg，而Mg又與脫氧產(chǎn)物Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成MgO-Al2O3系夾雜物［8］，見式(1)、式(2)。

第二步，是由于低氧化性、高堿度渣中的CaO能被鋼水中的Al還原而生成Ca，Ca向鋁鎂尖晶石中擴(kuò)散而使夾雜物改性，形成鋁酸鈣鎂夾雜物［8］，見式(3)、式(4)。

圖2 入VD前、VD后鋼水樣夾雜物成分的變化Figure 2 Change of chemical composition of inclusions ofmolten steel sample before and after VD refining

圖2(a)所觀察到的夾雜因MgO-Al2O3尚未完全改性，成分分析顯示部分夾雜物還處于高熔點(diǎn)區(qū)域，帶棱角還未完全球化但正在球化之中。圖2(b)中的MgO-Al2O3已經(jīng)完全改性，為鈣鋁鎂酸鹽。

VD精煉之后，夾雜物的形貌發(fā)生了明顯變化，呈球狀。這主要是在高溫、高真空及底吹氬氣的共同作用下，鋼水得到了徹底的攪拌，式(3)、式(4)的反應(yīng)得以快速進(jìn)行。VD的真空時(shí)間超過(guò)60 min，式(3)、式(4)的反應(yīng)可以更加充分。完全改性的鈣鋁鎂酸鹽熔點(diǎn)低，在鋼水中呈液態(tài)，聚集長(zhǎng)大后上浮，容易被爐渣捕獲。因此，同樣在1 mm2的視場(chǎng)范圍內(nèi)，所觀察到的夾雜物尺寸仍為1.5μm～10μm，但夾雜物的數(shù)量已經(jīng)大大減少。圖2忽略了夾雜物的低組元含量，將CaO、Al2O3、MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了歸一化。

從圖2可見，經(jīng)過(guò)VD處理后，原先比較分散的夾雜物已經(jīng)集中到低熔點(diǎn)區(qū)域。CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由入VD時(shí)的平均29.6%增加到出VD時(shí)的50.2%，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由入VD時(shí)的57.6%減少到48.1%，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由入VD時(shí)的13.4%減少到1.7%。這說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間的VD處理能使夾雜物得到充分的改性。VD處理時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋼水溫降為2.5℃/min左右。隨著溫度的降低，鋼水、爐渣對(duì)鋼包內(nèi)襯的熔損逐漸降低，甚至消失。圖3為入真空前、真空后5個(gè)爐次1 mm2視場(chǎng)內(nèi)夾雜物的數(shù)量統(tǒng)計(jì)直方圖。

圖3 真空前、后顯微夾雜物的數(shù)量對(duì)比圖Figure 3 Amount ofmicro-inclusions before and after vacuuming

2.4 鑄坯中夾雜物的形貌與成分

生產(chǎn)實(shí)踐表明，要完全去除鋼水中的夾雜物是不可能的。20μm以下的小型夾雜對(duì)鋼力學(xué)性能的影響很小，因此對(duì)鑄坯只分析大于20μm的夾雜。另外，要減少非金屬夾雜物對(duì)鍛用鋼力學(xué)性能的危害，還要控制夾雜物的形貌，避免長(zhǎng)條狀、帶狀、串簇狀等夾雜物的出現(xiàn)。S34MnV鍛用鋼精煉時(shí)渣量大、精煉時(shí)間長(zhǎng)、VD真空處理時(shí)間長(zhǎng)，精煉過(guò)程中夾雜物改性充分，D類夾雜占絕大多數(shù)。真空后不再喂Ca-Si絲，成品S含量小于0.0 007%，Ca/S控制在0.45～0.80之間，脫硫充分，B類夾雜小于0.5級(jí)。

爐次1鑄坯樣中直徑為20μm～50μm的夾雜共有21個(gè)，檢測(cè)顯示該夾雜物仍以CaO-Al2O3-MgO為主要成分，CaO/Al2O3的值為 0.75～1.50，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.5%。夾雜物的形貌呈球狀(如圖2b所示)。圖4為鑄坯中21個(gè)夾雜物的成分，這些夾雜物均落在CaO-Al2O3-MgO三元相圖的低熔點(diǎn)區(qū)。這類夾雜物對(duì)鋼的基體連續(xù)性影響較小，保證了曲軸鍛用鋼性能的均勻性［9］。

圖4 鑄坯中20μm～50μm夾雜物的成分Figure 4 Chemical composition of inclusions of 20μm～50μm in the casting blank

表2 S34M nV鍛用鋼鍛后非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果Table 2 Grade of non-metallic inclusions of forged S34MnV steel

2.5 非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)

表2是這5個(gè)爐次曲軸鍛用鋼鍛后正火件切片的夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果。可看出A、B、C、D、Ds類夾雜物均控制在1.0級(jí)以內(nèi)，滿足MAN 0743099 -1.0(2007.11.29版)對(duì)夾雜物的評(píng)定要求。

3 結(jié)論

(1)S34MnV曲軸鍛用鋼采用含氟精煉渣系，入真空前渣中CaF2含量控制在20%左右，該渣系熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、吸附夾雜物的能力強(qiáng)。

(2)入真空精煉前鋼水中的一部分 MgOAl2O3已經(jīng)完全改性成CaO-MgO-Al2O3，夾雜物的形貌呈球狀;另一部分正處于改性之中，夾雜物的形貌帶棱角。

(3)真空精煉后，MgO-Al2O3已經(jīng)完全改性成CaO-MgO-Al2O3，該夾雜物在隨后的精煉過(guò)程中能被爐渣捕獲，真空后不需喂Ca-Si絲。

(4)鑄坯中大于20μm的夾雜物全部處于低熔點(diǎn)區(qū)域，此類夾雜對(duì)鋼的基體連續(xù)性影響較小。

(5)S34MnV鍛用鋼鍛壓產(chǎn)品主要存在D類夾雜，所有夾雜的評(píng)級(jí)均不大于1.0級(jí)。

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編輯 杜青泉

Inclusion Control of S34MnV Steel for Crankshaft Forgings

Chen Jiandong

Refining slag system of CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2base containing fluorine is used，the content of the CaF2in the slag is about20%，this slag system has relatively strong capability in absorbing inclusions.Prior to vacuuming，partial MgO-Al2O3inclusions has transformed into CaO-MgO-Al2O3inclusion with relatively low melting point; vacuumed inclusion is the CaO-MgO-Al2O3inclusion of completely changed nature.In the course of prior to vacuuming→after vacuuming→casting blank，the amount of inclusions is gradually decreased.The inclusion in the cast blank is the CaO-MgO-Al2O3inclusions of completely changed nature，this inclusion does very little harm to the mechanical property of the steel forging for the crankshaft.

S34MnV steel for crankshafts;inclusion;nature change

TF111.18

B

2013—08—31

陳建東(1967—)，男，冶金工程師，主要從事煉鋼、連鑄、大型鋼錠澆鑄的工藝技術(shù)研究。