钢水熔炼技能与化学成分控制培训.ppt

钢水熔炼技能与化学成分控制培训,王家忠2011年3月,一、铸造合金钢的基本概念二、中频炉熔化钢水的基本工作原理三、中频感应炉的熔炼工艺四、熔炼操作工应具备的四个基本技能,主讲内容,一、铸造合金钢的基本概念,铸造是制造业中金属零件成形方法中最独特的基础工艺方法，铸造技术是合金的熔炼技术和铸件成形技术的结合。铸造用钢简称铸钢。铸钢是一种重要的金属结构材料，具有机械强度高，塑性好，冲击韧性大，可焊性好等优点。铸造合金，即是以一种金属为基础加入一种或几种其它的金属元素（也可以是非金属元素），然后熔合成的一种具有金属特性的材料，即为合金。铸钢的分类：可以按化学成分、按金相组织、按熔炼方法、按质量、按用途分类等。应用较多的是按化学成分和用途分类。见下表：铸钢牌号的表示方法：铸钢牌号的表示方法可分为以主要元素的含量表示和以强度分级两种，特殊用途的铸钢，某些国家采用的在此基础上增加特定字母的方法加以区分。铸钢的机械性能指标最基本的是强度、塑性、韧性和强度。化学成分对碳钢机械性能的影响。碳钢的铸造性能,铸钢的分类,铸钢的分类,铸钢牌号的表示方法,我国铸钢牌号的表示方法（按GB/T5613-1995）我国除一般工程与结构用铸造碳钢和高强度钢用强度分级方法表示外，其余均用主要元素含量方法表示，无论采用哪一种方法表示，均在牌号前冠以大写字母ZG表示铸钢。（1）一般工程与结构用铸造碳钢和高强度钢在ZG后面加两组数字，第一组表示屈服强度，第二组表示抗拉强度。之间用“一”隔开，例如：（2）铸造合金钢包括以化学成分为主要验收依据的铸造中、低合金钢和高合金钢是在ZG后面用一组数字表示名义万分含碳量。例如：,平均碳含量大于1%的铸钢，不标注平均碳含量；平均碳含量小于0.1%的铸钢其名义含量标注“0”；只给出碳含量上限，未给出下限的铸钢，名义碳含量用上限表示。其后，依次排列主要合金元素符号，各元素的名义百分含量范围在相应的元素符号后面用整数表示。锰元素的平均含量小于0.9%时，不标元素符号；平均含量为0.9%1.4%时，只标符号不标含量。钼元素平均含量小于0.15%时，其它元素平均含量小于0.5%时，不标元素符号；钼的平均含量为0.15%0.90%时，其他元素平均含量为0.5%0.90%时，只标元素符号不标含量；平均含量为0.9%1.4%时，在该元素符号后面标注数字1。钛，钒的平均含量小于0.9时，微量合金元素铌、硼、氮、稀土等的平均含量小于0.5%时，只标注其他元素符号，不标含量。主要合金元素多于三种时，可只标注前两种或前两三种元素的名义含量。例如：ZG铸钢代号15碳元素含量Cr铬1铬元素含量Mo钼I钼元素含量V钒(V0.9%),（3）以化学成分为主要验收依据的铸造碳钢，这类铸钢在ZG后面接一组数字，是以万分表示的碳的名义质量分数。例如：,铸钢的机械性能,强度：就是材料在外力静载荷和动载荷的作用下，能抵抗变形而仍不损坏的一种能力。代号b塑性：是金属材料受力后发生永久变形而不破坏，并且在外力取消后仍能永久保持变形后的形状的性能。材料的塑性高低用延伸率（）和断面收缩率表示（）。硬度：是材料抵抗另一种更硬的物体压入它表面的能力。它也代表金属材料对塑性变形抵抗的能力。最常用的是布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）。冲击韧性：就是在突然的冲击力（即动力）的作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。代号k钢的机械性能由它的金相组织决定，而金相组织基本上由钢的化学成分、结晶条件和热处理决定。碳钢的化学成分除铁（Fe）以外，主要包括碳（C）、硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)。这五种元素中起主要作用的是碳，含碳量的多少直接影响钢的金相组织和机械性能。,化学成分对碳钢机械性能的影响,碳（C）的影响：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。在钢中碳是最重要的元素，碳钢的性能主要由含碳量来决定，所以在炼钢时要严格控制钢中的含碳量；硅（Si）的影响：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。硅在钢中是有益元素。在钢水中能脱氧，能提高钢水流动性，提高铸件强度；,锰（Mn）的影响：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3钢屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。锰在钢中也是有益元素。在钢水中能脱氧，能提高钢水流动性，减弱钢中硫的有害作用，强化钢的基体，提高钢的机械性能；铬（Cr）的影响：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素硫（S）的影响：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。磷（P）的影响：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。它能降低钢的塑性和韧性引起“冷脆”现象。,碳钢的铸造性能,碳钢的铸造性能：包括流动性、钢的体积收缩、钢的线收缩、钢的热裂。流动性：钢水的流动性表现在它充满型壳的能力。影响流动性的主要因素有：化学成分：影响流动性的元素主要是碳（C）、硅（Si），在同一温度下，碳、硅含量越高，钢水流动性越好。浇注温度：浇注温度越高，过热度越大，钢水流动性越好。钢的体积收缩：钢的体积收缩包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩。体积收缩的大小主要与含碳量和浇注温度有关。钢的含碳量与浇注温度较高时体积收缩率较大。钢的线收缩：钢液凝固后，温度继续下降时，铸件尺寸就要缩小，这种收缩叫线收缩。铸钢件的铸造线收缩率与化学成分、脱氧情况、浇注温度、铸件结构与型壳的退让性等因素有关。钢的热裂：钢的含碳量对热裂的影响较大，含碳量较低的钢和高碳钢比较容易形成热裂，铸钢中含硫量高时热裂敏感性增加，在碳钢中，锰（Mn）对防止热裂具有良好的作用。,二、中频炉熔化钢水的基本工作原理,从物理学已知：交变电流通过导线在其周围产生交变磁场，而把封闭导线放在变化的磁场中，导线内就会感应出交变电流，这种现象称为电磁感应。感应电炉是利用电磁感应原理进行熔炼的一种熔炼设备。熔炼时向感应圈通入交流电，在感应圈周围将产生交变磁场，而坩埚中的炉料（相当于导线）处于该交变磁场中，因此炉料就要感应出交变电流涡流，炉料就是靠“涡流”加热熔化的涡流产生的热量可以用焦耳楞次定律来计算：Q=0.24I2RtQ-热量（J）I-电流强度（A）R-炉料电阻（）t-时间（s）,熔炼工艺规程,1工艺要求1.1铸钢化学成分与熔炼调整成分取值应符合表1.1.2钢水熔化温度：157015901.3钢水浇注温度：依据铸钢牌号、零件结构按有关工艺规定执行。,2操作程序2.1熔炼前的材料准备2.1.1废钢块度应小于炉膛内径的四分之三，表面无锈蚀无油污、无水渍。2.1.2回炉料除无砂子外，与废钢同等要求。2.1.3合金的制备，其规定应符合表2。2.1.4酸性炉造渣剂为采购成品造渣剂或废玻璃，废玻璃中应无杂物，块度控制在20mm30mm。2.2熔炼前的设备准备2.2.1炉衬的打筑与修补按工艺规定执行。2.2.2炉衬应无裂纹、无孔洞、无机械损伤，严重损蚀的炉衬应停止使用。2.2.3冷却系统、感应圈、水电缆状态良好，炉体倾转机构及吊包架运转正常。2.3熔炼前工具准备：准备好磅秤及台秤、捣料棒、取样勺、取样模。2.4配料计算：根据所要浇注型壳数量、钢号以及中频炉体的容量，配制所需材料，最好采用同种钢号的炉料及适量的回炉料。化学成分调整取值按表1执行，合金元素的吸收率按表3执行。,3.4.1铁合金加入量=【炉料总重量（取值一分析值）】【铁合金元素含量吸收率】3.4.2碳极加入量=【炉料总重量（取值一分析值）】【碳极中碳的含量吸收率】3.4.3含碳量平均值=（1#钢重1#钢含碳量+2#钢重2#钢含碳量.）（1#钢重+2#钢重+.）3.4.408#钢脱碳加入量=炉料总重量【（分析值-取值）取值】,2.5熔炼操作2.5.1根据钢种的化学成份及中频炉体积容量，计算各种材料的需要量。2.5.2先在炉底加入适量的小块炉料，同时根据化学成分需要加入适量的碳极（或碳粉、生铁削），然后用较大块度炉料装满炉子。装料时，底部应密实。2.5.3通水、通电开始溶化。按中频炉体的容量、规格，及时调整电容，控制功率因素在0.91.0范围内，可控硅电源功率、电流、频率，按设备操作规程执行。要及时捣料，防止“搭桥”。炉料下沉后，要及时往炉内加料，捣料和加料时要防止钢水飞溅;加料时应将炉料预热。2.5.4在第一批炉料全部溶化后，及时造渣，以防止钢水吸气和起保温作用。2.5.5当炉料全部溶化，钢水量约占炉体容积的2/33/4时，将钢水温度加热至15501570，扒开炉渣，用脱氧剂脱氧。然后取炉前分析试样，送化验室进行元素含量分析。2.5.6取样后及时造新渣，并继续进行熔化，这时一般加同种钢号的回炉料，等分析报告。2.5.7准确调整化学成分。根据炉前分析报告，迅速计算所需加材料（合金）的数量，预热后加入炉内。2.5.8采用复合沉淀脱氧，锰铁、硅铁同时也做铁合金补加量，按3.4的规定计算加入，同时加入脱氧剂进行预脱氧。然后加入100200g的除渣剂进行出钢前的终除渣，除渣不得少于三次，以除尽渣为准。2.5.9当炉内钢水温度达到有关工艺要求，成分合格，且脱氧除渣情况良好时即可出钢；出钢需进行包内终脱氧。出完第二包后，取炉后分析试样。出钢时要及时检查炉衬腐蚀情况，当确定无问题时，可继续使用；若炉衬侵蚀严重，应倒炉。每炉要做好原始记录和交接班工作。,3注意事项3.1熔炼使用的各种材料应符合材料标准，使用时应附有成份报告单；不同成分的料应分类存放，严禁混料。3.2当化验结果与炉前计算误差大于1%时不能出钢，应再次取样化验，按第二次分析结果调整成分后方能出钢。3.3出钢时，电源功率应大于60kW，应有专人控制。3.4在熔化过程中如发现电源输出功率低、电流较高、仪表指针摆差较大及冷却水温超过60时，应停止溶化，待检修好后，再开始熔炼操作。3.5水电缆漏水、冒烟及电源控制柜出现异常，应立即停电检修。3.6脱氧剂用量应小于钢水总量的0.15%，一次称量按钢水量等份，分别加入浇包内。3.7锰铁、硅铁应根据炉前分析结果，按3.4.1的公式计算加入量，在脱氧前加入炉内。3.8若炉后试样分析不合格，浇注的铸件组必须隔离存放，并在该炉第23包浇注的铸件组取两个铸件加倍复查，保安铸件由专人取样，炉前工不得取样。3.9钢水充分沸腾后方能进行炉前炉后取样分析。4检查项目4.1钢水化学成份每炉应进行炉前、炉后分析，分析方法按GB/T223-82钢铁及合金化学分析方法的规定进行。4.2检查钢水熔化温度和浇注温度是否符合工艺要求，每炉测定一次。4.3检查钢水脱氧情况和除渣次数是否符合规定，检查员随机抽查。,一、能熟练准确的调整钢液的化学成分，使化学元素控制在规格范围内。二、能通过目测经验法准确无误的判断钢液的温度，它包括化清取样温度、钢水脱氧温度、出钢温度及浇注温度等。三、能通过造渣除去钢液中的有害元素硫、磷等，钢液中的氧化夹杂物、固体不溶物、有害气体N2、H2、O2等使钢水达到精炼的温度。四、能通过正确判断，排除常见故障，使炉子生产得以正常运行，将损失程度降到最低。以上是炉前操作工在熔炼钢水时应具备的四个基本条件，只有掌握了上面的几个基本操作技能，才能熔炼处合格的钢水，从而保证铸件的质量。,熔炼操作工应具备的四个基本技能,一、调整钢液的化学成分调整钢液的化学成分，依据如下公式：在进行炉料计算时，必须已知以下条件：1、炉料的装入量：可根据减料工在炉前过磅的废钢重量来确定，也可根据浇注箱数所需要钢水的重量（包括该炉的瘤铁剩钢重量）来确定；2、合金的化学成分：即生铁、锰铁、硅铁中所含的碳、锰、硅等的元素百分含量，其数据确定方法有三：a、通过购回合金所附的化验报告单确定。b、通过化验室化验确定。c、通过炉前试样化验确定。3、元素在炉内的烧损率：一般地，碳、硅、锰在酸性炉中的烧损率为：4、炉料的确切化学成分：最简单、直接的办法就是取炉前化清样进行分析，从而得出分析值。,二、钢水温度的检测,熔炼过程中，钢水温度的检测和控制往往是影响钢水质量的关键。温度高有利于渣子的上浮，并能使钢水充分脱氧，但过高的浇注温度会使铸件产生缩孔、内部裂纹等缺陷。检测钢温有仪器检验和人工估测两种方法。用仪器检验钢温准确，但麻烦、成本高、速度慢。而有经验的人工估测简单快捷，实用方便，在实际生产中应推广。经验观测法有：1、钢水结膜测温法应用比较广泛，它是以每一种牌号（一定化学成分）的钢水，具有一定的表面结膜温度为依据。钢水结膜温度越高，它下降到结膜温度所需要的时间越长。其操作方法是将取样勺在炉中均匀地挂上一层炉渣，然后在适当位置取出钢水，放在炉前的平板上，立即开始记录时间，直到钢水表面结膜为止，这一段时间就是结膜时间，用这种方法积累经验，就可得到多高的温度其结膜时间为多长。2、钢水粘勺和钢棒测温，就是将样勺或钢棒经烘干后，快速插入钢水中，立即拿出来，根据样勺或钢棒上粘附的瘤铁，判断：瘤铁越薄，则钢温越高，接近没有时，就已经达到出钢温度。或者是将取样勺或钢棒粘上一个渣团，让其冷却后，再将其放入钢水中3秒钟左右，如拿出来不粘钢，则已达到出钢温度，否则钢温不足。,3、直接观察法：应用更广泛，就是以钢水表面颜色来判断钢水温度。取一样勺钢水，观察表面颜色：钢水呈红色，则温度约为1550以下；钢水呈青白色，则温度约为1600以下；钢水呈青白色，表面冒烟，则温度约为1650左右；钢水呈白色，并冒浓烟，则温度约为16501700。这种观察法最适用于碳钢。4、浇注测温法：最实用，最适用。它是将包内钢水浇入型腔后，观察浇口杯内钢水的冷却速度，如连续浇注三箱，在浇注第三箱时，第一箱浇口杯内的钢水已经结膜，则此钢温度适合浇注，否则，应随时调整。,在熔炼过程中，炉渣起着极为重要的作用，它直接影响钢水成分和熔炼质量。炉渣的作用：1、收集和清除钢水中的杂质。杂质的来源有炉料夹带的杂物和砂土、金属元素被氧化而生成的氧化物及被侵蚀和被破坏的坩埚耐火材料等。2、去除钢水中的有害元素硫和磷。（有些商家把炉渣买回去做化肥过硫酸钙，就是利用炉渣吸收钢液中的S、P，而使渣子含P高的这一点）3、控制钢水的氧化和还原；4、保护钢水不吸气和不被大量氧化；5、防止钢水过多地向外散热，起到保温作用；6、出钢时保护钢水，防止二次氧化。有人说：不会造渣，就不会炼钢。通过造渣，使钢水精炼，提高钢水质量，酸性炉造渣剂最好是用中性造渣材料废玻璃,三、造渣,造渣方法：a适用新筑的炉子第一炉，装料前后应加入23Kg的废玻璃，其作用是保护炉衬不被钢水侵蚀，再则新炉子无渣防止熔化的钢水被氧化；b炉子钢水化清后，及时拔除旧渣，造新渣。因原来的渣子同钢水中内部的渣子已达到一个平衡状态，旧渣不除，钢水中的渣子就难于浮到表