S34MnV曲轴锻用钢的夹杂物控制.pdf

No 3 Md v 2 0l 4 大型铸锻件 HEAV Y CAS T I NG AND F 0RG I NG S 3 4 Mn V 曲轴锻用钢 的夹 杂物控 制 陈建 东 ( 上海重型机器厂有限公司大型铸锻件研究所 ， 上海2 0 0 2 4 5 ) 摘要： 采用 C a O S iO - A 1 ： O ， 一 Mg O C a F 基含氟精炼渣系， 渣中含 C a F 2 0 左右 ， 该渣系有较强的吸附夹杂 物的能力。真空前钢水中的部分 M g O A 1 ： 0 夹杂物已转变成熔点较低的 C a O Mg O A 1 O 夹杂物， 真空后的夹 杂物是完全改性的 C a O - M g O A 1 ： O ， 夹杂物。真空前一真空后一铸坯过程中， 夹杂物数量逐渐减少。铸坯 中的 夹杂物是完全改性后的 C a O Mg O A 1 O ， 夹杂物 ， 该夹杂物对曲轴锻用钢力学性能的危害很小。 关键词 ： S 3 4 Mn V曲轴 钢 ； 夹杂物 ； 改性 中图分类号： T F 1 1 1 1 8 文献标志码： B I n cl us io n Co n t r o l o f$ 3 4Mn V S t e e l f o r Cr a n k s h a f t F o r g ing s Ch e n J ia n d o n g Ab s t r a ct ： Re f in in g s l a g s y s t e m o f C a O S iO2 一 A1 2 O 3 一 Mg O C a F 2 b a s e co n t a in in g fl u o ri n e is u s e d，t h e co n t e n t o f t h e C a F 2 in t h e s l a g is a b o u t 2 0 ，t h is s l a g s y s t e m h a s r e l a t iv e l y s t r o n g ca p a b il it y in a b s o r b in g in cl u s io n s P ri o r t o v a cu u - ruin g ，p a r t ia l Mg O A1 2 O3 in cl u s io n s h a s t r a n s f o r me d in t o C a O Mg O A1 2 O3 in cl u s io n wit h r e l a t iv e l y l o w me l t in g p o in t ； v a cu u me d in cl us io n is t he Ca O Mg O- A1 2 O3 in cl u s io n o f co mp l e t e l y ch a n g e d n at u r e I n t he co ur s e o f p r io r t o v a cu uming a f t e r v a cu u min g - + ca s t in g b l a n kt h e a mo u n t o f in cl u s io n s is g r a d u a l l y d e cr e a s e d T h e in cl u s io n in t h e c a s t b l a n k is t h e C a O Mg O A1 2 O3 in cl u s io n s o f co mp l e t e l y ch a n g e d n a t u r e ，t h is in cl u s io n d o e s v e r y l it t l e h a r m t o t h e me ch a n ic a l p r o p e rt y o f t h e s t e e l f o r g in g f o r t h e cr a n k s h a ft Ke y wo r ds： S 3 4Mn V s t e e l for cr a nk s ha fts ；in cl u s io n；n a t ur e ch a n g e 曲轴工作过程 中承受交变应力 ( 扭 转力、 弯 曲力和压缩力) ， 易产生应力集 中。S 3 4 M n V曲轴 锻用钢中的非金属夹杂物破坏 了金属的连续性 ， 会成为疲劳裂纹源， 引发曲轴折断等事故。因此 ， 减少钢 中的夹杂物含量 ， 减小夹杂物尺寸是提高 船用曲轴疲劳寿命 的主要途径。 1 s 3 4 Mn V 曲轴锻用钢冶、 铸工艺要点 1 1 工艺流程 工艺流程为： 1 0 0 t E B T 1 2 0 t L F 一 成分微 调 、 控温一 1 2 0 t V D一 控温一 氩气保 护、 大气 下 铸。 1 2 预脱氧及炉外合金化 1 0 0 t E B T炉出钢时采用铝锭预脱氧 、 炉外合 金化 。预脱氧及炉外合金化的产物为 A 1 ： O 。 、 Mn O S i O 。A 1 O ， 与钢液间的界面张力较大 ， 钢液对 A 1 ： O 的润湿性很差 ， 增大了 A 1 ： O 自发聚合的趋 势 ， 在后续的精炼和浇铸过程 中 A 1 ： O 绝大部分 都被排除掉了。用于合金化的锰铁与硅铁 Mn S i 3， Mn 、 S i脱氧 时可生成液 态产物Mn O S iO ， 收稿 日期 ： 2 0 l 3 8 3 1 作者简介 ： 陈建东 ( 1 9 6 7 一 ) ， 男 ， 冶 金工程 师 ， 主要从 事炼 钢 、 连 铸 、 大型钢锭浇铸的工艺技术研究 。 3 0 其熔点是 1 2 8 5 ， 在氩气的搅拌下很容易上浮而 被炉渣捕获 。 1 3 真空处理 V D处理时的有效真空度 6 5 P a ， 真空时间 6 0 m in 。V D脱 气 的原理是 ： 炉 渣 吹面 的 “ 渣 眼” 处 ， 钢液冲破渣层 ， 冲破渣层的钢水在持续高 真空 的作用下 ， 降低 了钢水中的气体分压 ， 促使气 体以分子形式析出。特别是对于原子半径很小的 氢 ， 比较容易脱离钢液而去除 。 1 4 氩气保护模铸 模铸过程操作要点是 ： 保持锭 身液面稳定 上升 ， 如淌道 内径 为 6 5 IT I m， 根据经验 ， 浇铸 时 的液面上升速度控制在 ( 8 01 0 0 )mm m in ； 冒 口补缩时间以锭身浇铸时间为参照对象 ， 冒口补 缩时间4 5锭身浇铸时间 ； 液芯 瞬时裸露后 须及时补加保护渣 ； 正常浇铸期 间钢流被氩气 保护罩屏蔽 ， 避免卷入空气 。下铸 时模 内钢液轴 心流股 向上 、 边缘流股 向下 。 模铸用保护渣在高温钢水的作用下 ， 呈液渣 覆盖钢液面。液渣层对氧化物夹杂具有 良好的润 湿性， 吸收速度快， 而且吸收相当数量的氧化物夹 杂后 ， 其黏度 、 凝 固温度 、 结 晶性能等物性参数相 对稳定 ， 不影响保护渣 自身性能 。 大型铸锻件 HEAVY C AS r I NG AND F 0 RGI NG No 3 Ma v 201 4 表 1 真空处理前 、 真 空处 理后精炼渣的成分对 比( 质量分数 ， ) Ta b l e 1 Co mp a r is o n b e t we e n t h e ch e m ica l co mp o s it io n s o f r e fi n in g s l a g b e f o r e a n d a f t e r v a cu u min g( ma s s f r a ct io n，) 炉次 时间 C a O S i O 2 A 1 2 O 3 Mg O C a F 2 S Mn O F e O C a O S i 0， 真空前 5 5 7 5 1 3 2 3 4 1 4 5 O 5 2 0 6 7 0 3 5 O 1 8 0 5 5 4 2 1 1 真 空后 5 7 O 6 1 2 3 4 4 7 2 5 6 3 1 8 5 0 0 4 3 O 1 0 O 5 2 4 6 2 真 空前 5 6 2 3 1 3 4 7 3 9 1 5 6 3 1 9 4 2 0 4 5 O 1 l 0 5 2 4 1 7 2 真 空后 5 7 1 1 1 2 2 l 4 6 8 5 8 l l 8 3 6 0 4 8 0 1 O 0 5 1 4 6 8 真空前 5 3 7 8 1 3 3 5 4 4 8 5 6 9 2 1 O 2 O 3 3 0 1 O 0 4 5 4 0 3 3 真空后 5 5 5 5 l 2 3 3 4 8 9 6 2 2 1 9 2 8 0 4 0 0 1 0 O 4 4 4 5 l 真空前 5 4 3 7 1 3 2 1 4 0 2 5 8 3 2 0 7 3 O 3 O O 1 5 0 6 2 4 1 6 4 真 空后 5 6 5 8 l 2 1 l 4 6 O 6 1 8 1 8 7 4 O 3 8 O 1 O O 5 l 4 6 7 真空前 5 5 1 6 1 3 4 l 4 2 6 5 1 4 2 O 2 7 0 4 1 0 1 3 0 4 7 4 1 1 5 真空后 5 6 6 8 1 2 2 7 4 7 1 5 7 3 1 8 8 l 0 4 4 0 1 O 0 4 7 4 6 2 2 S 3 4 Mn V 曲轴锻用钢工业化生产结果及分析 2 1 研究方法 采集任意 5炉样本 ， 用 X R F分析钢包渣的化 学成分 ， 用 S E M E D S检测钢水样 、 铸坯样。钢水 样为圆坯状 ， 直径 3 0 m m。铸坯样 5 0 0 m m 5 0 0 mm 。 2 2 L F炉采用含氟精炼渣系 炉渣的碱度和氧化性都会影响精炼过程 中夹 杂物的变化 J ， 真空处理前 、 真空处理后 炉渣化 学成分如表 1所示 。 参照 C a O S iO 2 一 A 1 2 O 3 - Mg O - C a F 2基多元渣 系 相 图， C a F 2可以降低 C a O、 S iO 2 、 A 1 O 、 Mg O的熔 点 ， 改善炉渣的流动性 ， 提高渣 系的反应性能。 但 当渣 中加入过多 的 C a F ：时 ， 会 造成渣 中 C a O 被稀释， 降低有效碱浓度， 影响炉渣的精炼效果。 根据经验 ， S 3 4 Mn V钢真空前 精炼渣系 中的 C a F ： 控制在 2 0 左右 比较合理 。 由于炉 渣 钢 液一 夹 杂物之 间存 在 平衡 的关 系， 因此控制夹杂物主要是通过控制 三者成分进 行 j 。进入 V D精炼前 ， 钢水在 L F的精炼时间已 经超过 9 0 m in ， 精炼渣较长时间处于 1 5 5 0 cI = 以下 的低熔点区域 ， 顶渣具有良好 的吸附夹杂的能力 ， 熔点低 的夹杂物有足够的上浮时间被炉渣吸附而 去除。 从表 1可见 ， 真空后精炼渣 的成分与真空之 前相 比发生 了较大的变化。因为 V D真空处理是 通过底吹氩气顶破渣层 ， 钢水在“ 渣眼” 处裸露在 真空中， 随后又跌落到周边 的渣层里 ， 搅动的钢水 增加了渣一 渣、 渣 金之 间的碰触面 积。导致顶渣 成分变化的因素有： 高温作用下， C a F 易于挥 发 ； c a F 与精炼渣中的 S iO ： 反应后生成的 s i F 4 气体 随炉气一起消失 ； 精炼渣捕获熔损 的耐材 一 一 ( a)C a O - M g O - AI ， ( b )C a O - A1 M g O ( 未完全改性) ( 完全改性) 图 1 进入 V D精炼前钢水中典型夹杂物形貌 Fig ur e 1 T y pica l in cl u s io n s a pp e a r a n ce in t he mo l t e n s t e e l b e f o r e VD r e f in in g 及脱氧产物的复合夹杂物。 2 3 真空处理前 、 真空处理后夹杂物的变化 所检测到的夹杂物尺寸为 1 5 m1 0 m。 在 1 mm 的视场内， 这 5炉钢水样夹杂 物的个数 共有 9 6个 ， 其中小于 5 m的有 9 0个 ， 占夹杂物 总数的 9 3 7 5 ； 大于 5 m的有 6个 ， 占夹杂物 总数的 6 2 5 。由于尺寸很小 ， 这些夹杂对钢性 能带来的危害已经是微乎其微了。 通过 S E M E D S分析炉次 3的钢水样 ， 发现 主要含有以下两类夹杂物 ， 一类是未完全改性的 C a O A 1 O 3 一 Mg O； 另 一 类 是 完 全 改 性 的 C a O A 1 O - Mg O。这两类夹杂物 的形 貌见 图 1 。夹 杂 物的成分分析结果见图 2 。 C a O - A 1 ： O 一 Mg O系夹杂物形成过程分为两个 步骤。 第一步 ， 由于钢水 中的 A l 与炉渣和钢包工作 衬 中的 Mg O发生反应生成 Mg ， 而 M g又与脱氧产 物 A 1 2 O 3 发生反应生成 Mg O - A 1 ： O 。系夹杂物 ， 见式( 1 ) 、 式( 2 ) 。 2 A 1 +3 ( M g O) 钢 包 工 作 衬= 3 Mg +( A 1 2 O 3 ) ( 1 ) Mg +n 3( A 1 2 O 3 ) 夹 杂 物 = ( Mg O ( n一1 ) 3 A 1 2 O 3 ) 夹 杂 物+ 2 3 A 1 ( 2 ) 第二步 ， 是由于低氧化性 、 高碱度渣中的 C a O 能被钢水 中的A l 还原而 生成C a， C a 向铝 镁尖 晶 31 No 3 Ma v 2 01 4 大型铸锻件 HEA VY C AS T I NG AND F ORG I NG O 1 0 2 0 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 M g O ( 质量分数， ) ( a ) 入V D 前 M g 0 ( 质量分数，) ( b ) V D 届 图 2 入 V D前、 V D后钢水样夹杂物成分的变化 Fig ur e 2 Ch a n g e o f che mica l co mpo s it io n o f in cl us io n s o f mo l t e n s t e e l s a mp l e b e f o r e a nd a f t e r VD r e f inin g 石 中扩散 而使夹杂 物改性 ， 形成 铝酸钙 镁夹杂 物 J ， 见式( 3 ) 、 式( 4 ) 。 2 A 1 + 3 ( C a O) 炉 渣= 3 ca +( A 1 2 O 3 ) 炉 渣 ( 3 ) C a +( y Mg Oz A 1 2 O 3 ) 夹 杂 物=( x C a O ( Y一 ) Mg O。z A 1 2 O 3 ) 夹 杂 物+ Mg ( 4 ) 图 2 ( a ) 所 观察 到的夹杂 因 M g O A 1 O ，尚未 完全改性 ， 成分分析显示部分夹杂物还处于高熔 点区域 ， 带棱角还未完全球化但正在球 化之中。 图2 ( b ) 中的 Mg O A 1 ： O 已经完全改性 ， 为钙铝镁 酸盐 。 V D精炼之 后， 夹杂物 的形 貌发生 了明显变 化 ， 呈球状。这主要是在高温 、 高真空及底吹氩气 的共同作用下 ， 钢水得到 了彻底 的搅拌 ， 式 ( 3 ) 、 式 ( 4 ) 的反应得 以快 速进行 。V D的真空时间超 过 6 0 m in ， 式 ( 3 ) 、 式 ( 4 ) 的反应 可 以更加充 分。 完全改性的钙铝镁酸盐熔点低 ， 在钢水中呈液态 ， 聚集长大后上浮， 容易被炉渣捕获。因此 ， 同样在 1 mm 的视场范 围内， 所观察到 的夹杂物尺寸仍 为 1 5 t x m1 0 p , m， 但夹杂物的数量 已经大大减 少 。图 2忽略 了夹 杂物 的低组元含 量 ， 将 C a O、 A 1 O 、 Mg O的质量分数进行了归一化。 从 图 2可见 ， 经过 V D处理后 ， 原先 比较分散 的夹杂物已经集 中到低熔点区域。C a O的质量分 数 由入 V D时 的平 均 2 9 6 增 加到 出 V D时 的 5 0 2 ， A 1 O 的质量分数 由入 V D时的 5 7 6 减少到 4 8 1 ， Mg O 的质 量分 数 由入 V D时 的 1 3 4 减少到 1 7 。这说明长时间的 V D处理 能使夹杂 物得到充分 的改性 。V D处 理时 ， 根据 经验 ， 钢水温降为 2 5 o C mi n左右。随着 温度 的 降低， 钢水、 炉渣对钢包内衬的熔损逐渐降低， 甚 至消失 。 图3 为人真 空前 、 真空 后5 个 炉次1 m m 3 2 目 一 一 h 血 图 3 真空前 、 后显微夹杂物的数量对比图 F ig u r e 3 Amo u n t o f micr o in cl u s io n s b e f o r e a n d a f t e r v a cu u min g 视场内夹杂物 的数量统计直方图。 2 4 铸坯 中夹杂物的形貌与成分 生产实践表明， 要完全去除钢水中的夹 杂物 是不可能的。2 0 I x m以下 的小型夹杂对钢力学性 能的影响很小 ， 因此对铸坯只分析大于 2 0 m的 夹杂。另外 ， 要减少非金属夹杂物对锻用钢力学 性能 的危 害， 还要 控制夹杂物 的形貌 ， 避免长条 状 、 带状 、 串簇状等夹杂物 的出现。S 3 4 Mn V锻用 钢精炼时渣量大 、 精炼 时间长 、 V D真空处理时间 长 ， 精炼过程 中夹杂物改性充分 ， D类夹杂 占绝大 多数。真空后不再 喂 C a - S i丝 ， 成 品 S含量 小于 0 0 0 0 7 ， C a S控制在 0 4 5 0 8 0之间， 脱硫充 分 ， B类夹杂小于 0 5级 。 炉次 1 铸坯样 中直径为 2 0 m 5 0 Ix m的夹 杂共有 2 1 个 ， 检测显示该夹杂物仍以 C a O A 1 ： O - M g O为 主 要 成 分 ， C a O A 1 O 的值 为 0 7 5 1 5 0 ， M g O的质量分数为 0 5 一 2 5 。夹杂物 的形貌呈球状( 如图 2 b所示) 。图4为铸坯 中 2 1 个夹杂物的成分， 这些夹杂物均落在 C a O A 1 O ， 一 Mg O三元相 图 的低 熔点 区 。 这类 夹杂物 对钢 的 大型铸锻件 HE AVY C AS T I NG AND F0 RGI NG No 3 Ma v 2 01 4 M g 0( 质量分数， ) 图4 铸坯中2 0 p m 5 0 m夹杂物的成分 F ig u r e 4 Ch e mica l co mpo s it io n o f in cl u s io n s 0 f 2 0 tx m 一5O L L m in t he ca s t ing b l a nk 表 2 S 3 4 Mn V锻用钢锻后 非金属夹杂物评级结果 Ta bl e 2 Gr a de of no n me t a l l ic incl us io ns o f f or g e d S3 4M nV s t e e l 评级 级 炉次 项 目 Am AS B粗 l j 细 C粗 Ca D粗 D细 Ds 1 0 O O 0 5 0 O O 5 1 O O 5 2 0 0 O 0 5 0 O O 5 1 O O 5 3 实际检 0 0 O 0 5 0 O 0 5 O 5 O 5 4 测结果 0 0 O ( ) 5 O O O 5 1 0 O 5 5 0 0 O 0 5 0 O O 5 O 5 O 5 标准要 求 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 O 2 0 2 0 2 ( 基体连续性影响较小 ， 保证 了曲轴锻用钢性能的 均匀性 。 2 5 非金属夹杂物的评级 表 2是这 5个炉次 曲轴锻用钢锻后正火件切 片的夹杂物评级结果。可看 出 A、 B、 C、 D、 D s 类 夹杂物均控制在 1 0级 以内， 满足 MA N 0 7 4 3 0 9 9 1 0 ( 2 0 0 7 1 1 2 9版) 对夹杂物的评定要求。 3结论 ( 1 ) s 3 4 Mn V曲轴锻用钢采用含氟精炼渣系 ， 入真空前渣 中 C a F 含量控制在 2 0 左右 ， 该渣 系熔点低 、 流动性好 、 吸附夹杂物的能力强。 ( 2 ) 人 真 空精 炼 前 钢 水 中 的一 部 分 Mg O A l 2 O 3已经完全改性成 C a O M g O A 1 ： O ， ， 夹杂物的 形貌呈球状 ； 另一部分正处于改性之中， 夹杂物的 形貌带棱角。 ( 3 ) 真空精炼后， M g O - A 1 ： O ， 已经完全改性成 C a O M g O A 1 ： O ， 该夹杂物在随后的精炼过程 中 能被炉渣捕获 ， 真空后不需喂 C a s i丝。 ( 4 ) 铸坯中大于 2 0 m的夹杂物全部处于低 熔点区域 ， 此类夹杂对钢的基体连续性影响较小。 ( 5 )S 3 4 Mn V锻用钢锻压产品主要存在 D类 夹杂 ， 所有夹杂的评级均不大于 1 0级 。 参考文献 1 郑金星 ， 郑国民 转 炉炼钢工 M 北 京 ： 化学工 业出版社 ， 2 01 0 2 雷亚 ， 杨 治立 ， 任正德 ， 等 炼钢学 M 北京 ： 冶金工业 出版 社 2 0 1 0 3 蔡开科 浇注与凝 固 M 北京 ： 冶金工业出版社 ， 1 9 8 7 4 李殿 明 ， 邵 明天 ， 杨宪礼 ， 等 连铸 结 晶器 保护 渣应用技 术 M 北京 ： 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 8 5 王新华， 陈斌 ， 姜敏， 等 渣一 钢反应对高强度合金结构钢中 生成低熔点非金属夹杂物的影响 J 钢铁， 2 0 0 8 ， 4 3 ( 1 2 ) ： 2 8