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感應(yīng)電爐在高潔凈鋼鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用

2021-08-26 06:15:22徐致祥
金屬加工(熱加工) 2021年8期
關(guān)鍵詞:鑄鋼件柱狀晶鋼液

徐致祥

北京機(jī)電研究所 北京 100083

1 序言

最新2035中國(guó)制造規(guī)劃中材料被列為重中之重,其中所述先進(jìn)鋼鐵材料需重點(diǎn)突破以下5點(diǎn): 高潔凈度冶煉、夾雜物精確控制、均質(zhì)化與組織精細(xì)化控制、精確成形與加工技術(shù)、構(gòu)建綠色化與智能化鋼鐵流程。

2 感應(yīng)電爐熔煉的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1)熔煉工藝穩(wěn)定。具有電磁攪拌功能,金屬液溫度和化學(xué)成分均勻,元素?zé)龘p小。

2)采用爐底吹惰性氣體精煉,流槽出鋼,氣體保護(hù)澆注,可基本實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化熔化澆注。

3)原料潔凈時(shí)對(duì)鋼液和環(huán)境污染小。

4)采用感應(yīng)加熱中間包澆注可準(zhǔn)確控制澆注溫度,無(wú)渣及澆注壓力控制。

2.2 缺點(diǎn)

1)缺乏冶金功能,即各類元素成分調(diào)整困難,鋼液元素含量只能增加,不能減少。

2)用于鑄鋼,要求入爐前嚴(yán)格控制原材料化學(xué)成分和原料潔凈度。

3 鑄鋼件冶金質(zhì)量

鑄鋼件冶金質(zhì)量具有三項(xiàng)超高指標(biāo):超細(xì)組織(細(xì)晶化)、高純凈度、高均質(zhì)度。

3.1 晶粒細(xì)化

晶粒細(xì)化是各種強(qiáng)化機(jī)制中唯一既能提高鑄鋼件的強(qiáng)度和韌性,又能降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法。微合金元素Nb、Ti、V等在鋼中與C、N、O等有極強(qiáng)的親和力,可形成穩(wěn)定的強(qiáng)碳化物、氮化物,通過(guò)析出質(zhì)點(diǎn),鑄件從冶煉凝固到冷卻過(guò)程及其焊接加熱中,通過(guò)影響成核和晶界遷移來(lái)影響晶粒尺寸,在實(shí)際生產(chǎn)中已能得到最小平均鐵素體晶粒尺寸為5~10μm。同時(shí)所形成的碳化物沉淀強(qiáng)化鐵素體,因而可有效提高鑄鋼件的強(qiáng)度。

微合金元素加入量對(duì)晶粒尺寸影響如圖1所示,不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)降低鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響如圖2所示。

圖1 微合金元素及含量與鐵素體晶粒尺寸的關(guān)系

圖2 不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

3.2 高純凈度

潔凈鋼(Clean Steel)的含義包含:鋼中非金屬夾雜物含量少、尺寸小、形狀分布均勻,鋼中S、P、O、N、H等雜質(zhì)元素含量低。

有害氣體 O、N、H和夾雜物的來(lái)源:鋼液直接與爐氣接觸,鋼液與坩堝之間的反應(yīng),以及爐料的銹蝕、油污或水分等3個(gè)方面。

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的潔凈鋼中:C、S、P、O、N、H含量之和<100×10-6(0.01%);國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的超潔凈鋼中:C、S、P、O、N、H 含量之和<40×10-6(0.004%)。

“零夾雜鋼”即“零氧化物鋼”或“超潔凈鋼”,但并非是鋼中無(wú)夾雜物,而是指鋼液在凝固以前不析出任何非金屬夾雜物,是含亞微米夾雜物的鋼。

固態(tài)下析出的非金屬夾雜物是高度彌散分布,尺寸<5μm,在光學(xué)顯微鏡下難以觀察。

一般情況下鋼在液相中不析出硫化物和氮化物,實(shí)際上就是“零氧化物”鋼,控制鋼中氧含量和脫氧元素含量及其偏析,防止固相線溫度前析出氧化物夾雜。

3.3 高均質(zhì)度

實(shí)現(xiàn)鑄鋼件結(jié)晶組織等軸晶化是高均質(zhì)度主要關(guān)鍵。通過(guò)控制澆注溫度過(guò)熱度及澆注壓力達(dá)到組織等軸晶化。以Cr12鐵素體不銹鋼鑄件為例,澆注溫度過(guò)熱度對(duì)結(jié)晶度影響如圖3所示。

圖3 不同過(guò)熱度條件下Cr12鐵素體不銹鋼鑄件的晶體取向

圖3 中,8個(gè)不同澆注過(guò)熱度溫度下,對(duì)結(jié)晶組織的影響:隨著澆鑄過(guò)熱度的升高,細(xì)小等軸晶組織逐漸減少,粗大柱狀晶組織逐漸增多。當(dāng)過(guò)熱度為20℃時(shí),組織全部為等軸晶;當(dāng)過(guò)熱度為50℃時(shí),表層開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的柱狀晶;當(dāng)過(guò)熱度分別為55℃、60℃、70℃和80℃時(shí),表層的柱狀晶逐漸向中部延伸,柱狀晶尺寸逐漸增大,中部等軸晶逐漸減少;當(dāng)過(guò)熱度為90℃時(shí),表層的柱狀晶更加發(fā)達(dá);當(dāng)過(guò)熱度為140℃時(shí),柱狀晶組織異常發(fā)達(dá),鑄態(tài)坯由貫穿的柱狀晶組成。

3.4 鋼液澆注溫度的計(jì)算方法

鋼液進(jìn)入型腔時(shí)的溫度即澆鑄溫度。

澆注溫度由兩部分組成:一是鋼液的凝固溫度即液相線溫度,由鋼的化學(xué)成分決定;二是鋼液的過(guò)熱度即超過(guò)凝固溫度的值。

計(jì)算公式為

式中Tc——澆注溫度(℃);

T—— 液相線溫度(℃);

ΔT——鋼液的過(guò)熱度(℃)。

4 優(yōu)質(zhì)潔凈鑄鋼件的生產(chǎn)系統(tǒng)

以型殼及覆膜砂型生產(chǎn)線為例,在提供合格原料的條件下,中小型潔凈鑄鋼件從感應(yīng)電爐熔化至澆注的生產(chǎn)工藝過(guò)程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)工藝過(guò)程

該感應(yīng)電爐熔煉及澆注生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)如下:

1)最大可能地避免鋼液二次氧化形成夾雜物。

2)避免了由于使用鋼液包造成鋼液溫度下降和波動(dòng),以及澆注二次氧化及包襯污染。

3)每個(gè)鑄型鋼液澆注溫度過(guò)熱度可控制在<±10℃;提高鑄鋼件組織細(xì)晶化程度;提高鑄鋼件組織等軸晶化;降低了鑄件各部位化學(xué)成分偏析。

4)該工藝同時(shí)可應(yīng)用于高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)、高強(qiáng)度低碳鋼(HSLC)和高合金鋼鑄件熔鑄系統(tǒng)。

需注意的是,感應(yīng)電爐生產(chǎn)高潔凈鋼鑄件需解決純凈鋼液原料入爐前的潔凈化處理。

5 鑄鋼件市場(chǎng)狀況

5.1 國(guó)內(nèi)鑄鋼件生產(chǎn)狀況及存在問(wèn)題

我國(guó)是鑄鋼件生產(chǎn)大國(guó),產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量50%以上,但是鑄鋼件銷售價(jià)格僅為國(guó)際市場(chǎng)價(jià)的1/4 ~ 1/3。很多單位僅用感應(yīng)電爐熔化廢鋼澆注鑄鋼件,無(wú)任何精煉手段。我國(guó)鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量,與歐美等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家相比還有很大差距。

5.2 潔凈鋼生產(chǎn)工藝在高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用

1)高強(qiáng)度低合金采用Nb、Ti、V等元素進(jìn)行微合金化(微量合金元素加入量< 0.20%),在低碳或超低碳含量下,通過(guò)采取防止鋼液二次氧化,正確控制夾雜物及澆注溫度,以及從熔煉至澆注整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中因鋼液都處在惰性氣體保護(hù)中等措施而獲得良好的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性,獲得成形性與焊接性相結(jié)合的鑄鋼件優(yōu)良綜合性能。

2)以細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化效應(yīng),獲得了高達(dá)600 ~800MPa的屈服強(qiáng)度和良好的韌性。

3)高強(qiáng)度低合金鋼由于生產(chǎn)高效,節(jié)約合金元素,向大氣釋放CO2量少,因此被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、船舶、車輛、石油及輸油管道等各種工程用結(jié)構(gòu)鑄件。

4)超潔凈鋼的性能:超純鐵的耐腐蝕能力與金(Au)、鉑(Pt)相當(dāng)。

5)18C r2N i M o不銹鋼的wP從0.026%降至0.002%,使耐硝酸腐蝕能力有極大提高。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)要實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo),應(yīng)從優(yōu)化整個(gè)熔煉直至澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)著手。

2)高純凈鋼鑄件的生產(chǎn),是中國(guó)鑄造行業(yè)贏得鑄造市場(chǎng)高端產(chǎn)品的必經(jīng)之路。

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