不锈钢铸件的熔炼工艺

不锈钢铸件的熔炼工艺

近年来，中国的不锈钢制造业取得了迅速的发展。随着我国进一步的对外开放和对外贸易的不断发展,越来越多的国际不锈钢铸件用户到中国来订货。一方面是由于我国劳动力价格相对便宜,使不锈钢铸件这种劳动相对密集的产品,其生产成本低于世界上主要的不锈钢铸件用户在本国生产的成本;另一方面也是由于我国不锈钢铸造技术在近年来获得了长足的进步,可以满足不锈钢用户对铸件品质的基本要求。在我国沿海的广东、福建、浙江、江苏、山东等省市,出现了很多个以生产出口不锈钢铸件为主的不锈钢铸造生产基地,每个不锈钢铸件生产集中地通常有多达数十家规模不等的生产企业。与此同时,随着我国国民经济的迅速发展,我国国内的不锈钢需求市场也日益扩大,这也促进了我国不锈钢铸造整体水平的提高。经过近年的迅速发展,目前我国不锈钢的生产已达到相当规模,可以生产各类各牌号和各种大小的不锈钢铸件。但就所生产的不锈钢铸件品质而言,由于受生产装备、生产工艺方法、原材料状况、人员素质及管理水平等诸多因素的影响,整体上离国际先进水平仍存在一定的差距,能生产高品质复杂铸件的企业还是少数。1铸造工艺对钢液性能的影响不锈钢的熔炼工艺是影响不锈钢铸件品质的重要因素。因为熔炼工艺直接决定了钢液的纯净程度,从而最终决定了铸件的内在品质。同时熔炼工艺还影响铸件成分,以及材料成本和熔炼成本。目前铸造不锈钢的熔炼大致有如下几种方式:1.1吹氧+不锈钢液法这是铸造不锈钢一般的熔炼方法,其突出的优点是可以使用价格便宜的各种回炉料、废钢、高碳的铁合金等为原料。通过吹氧脱碳精炼,可以去除由原材料所带入的或熔炼过程中新产生的大部分的非金属夹杂物,得到较为纯净的不锈钢液。由于吹氧过程有1个碳氧竞争氧化的问题,为减少铬的氧化,促进碳的优先氧化,必须提高吹氧温度至1650℃以上,且随着钢液中碳量的下降,铬的氧化问题也越来越严重。因此,铬的氧化损失较大和钢液碳量难以降到很低是这种工艺的主要问题。此外,炼钢的综合能耗也比较高。这种工艺较适合用来生产碳量在0.1%左右及以上的不锈钢,对生产碳量在0.05%以下的不锈钢就很困难。这种熔炼工艺在我国有广泛地应用,稍具规模的不锈钢铸件生产厂家多采用这种方法生产。1.2吹氧法和铁合金法这种工艺方法采取先以电弧炉吹氧熔炼得到碳量很低的工业纯铁,再配以低碳量的铁合金在感应电炉内重熔和调整成分。在我国采用这种方法生产不锈钢铸件的厂家很多。这种工艺方法可大幅度减低返回吹氧法冶炼带来的铬的氧化损失,工艺过程也相对简单。但钢液碳量的高低完全取决于所使用的铁合金的碳量水平,因此也难以生产超低碳的不锈钢。这种方法的主要问题之一是只能使用价格昂贵的低碳铁合金和金属铬,回炉料也只能使用同一牌号的,因此材料成本很贵。另外这种方法只是1种重熔过程,不能有效地去除钢液中因原材料、回炉料带入或熔炼过程中新产生的各种夹杂物,因此对炉料的纯净度要求较高。1.3钢液及钢液的成分这是我国小规模不锈钢铸造厂广泛使用的生产方法。这种方法使用冲压、锻造或机加工过程中产生的不锈钢的边角余料以至各种回收废旧不锈钢制品和零部件为原料,采用感应电炉进行重熔。其最大的特点是生产工艺过程简单,原材料成本也低,组织生产容易。但这种方法的缺点也是显而易见的:其1是钢液成分难以保证。由于所使用的原材料为各种加工过程所产生的边角余料,其中难免会夹杂有一定量不同牌号的其他材料,虽然这些原材料在使用前多数经分类处理,但仅凭肉眼来区分不同的钢种是做不到的,而且有些不锈钢在加工和使用过程还进行过一些特殊的处理,使不锈钢边角料会带有一些其他的元素或物质,这些微量元素或物质有可能通过熔炼而进入钢液,从而危害钢的性能。其2是钢液的品质不高。这些边角料在加工、回收过程中不可避免地会受到油污、氧化、腐蚀等的污染,虽然大多炉料在使用前经过清洗,但不能从根本上解决上述问题。而熔炼过程中由于感应电炉没有精炼能力,原材料带入的夹杂物不能有效地去除。由于上述原因,采用这种工艺生产的不锈钢铸件常表现为力学性能中塑性、韧性不足、金相组织中夹杂物多、铸件表面常出现黑点甚至于氧化锈斑、铸件耐腐蚀能力低下等。1.4低碳和超低碳坯料这种方法是由炼钢厂提供标准成分的不锈钢锭,铸造厂采用大功率感应电炉快速重熔的方法生产。由于大钢厂配备有各种先进的炉外精炼方法,所提供的钢锭碳量低、纯净度高,且由于批量生产,低碳和超低碳坯料的价格与普通碳量的坯料相比也相差不多。这样铸造厂只需配备简单的熔化设备就可生产各种牌号、各种成分,包括低碳和超低碳的高品质的不锈钢铸件。这是1种简便而实用的生产高品质不锈钢铸件的先进工艺方法,特别适合我国不锈钢铸造厂家数量多而规模不大的现状。但由于我国铸造原材料的商品化还不完善,这种工艺方法目前在我国还没有得到很好的应用和发展。值得高兴的是今年国内已有河北中实不锈钢有限公司开始生产供铸造厂家使用的标准成分的不锈钢锭,相信这一方法在我国有广阔的发展前景。2不锈钢精炼技术的发展和应用2.1不锈钢的精制技术不锈钢的力学性能和耐蚀性能受到钢中含碳量的高低、钢中非金属夹杂物数量与分布等的强烈影响。不论何种牌号的不锈钢,也不论在何种腐蚀介质,低碳量的不锈钢的耐蚀性一定好于高碳量的不锈钢。从图1可以看到碳含量对304L奥氏体不锈钢耐蚀性的巨大的影响。从图2可以看到碳(氮)含量对铁素体不锈钢的韧性的决定性作用。低碳(≤0.05%C)和超低碳(≤0.03%C)甚至于高纯(≤0.015%C)是现代不锈钢的发展方向。不锈钢的精炼是通过钢液中碳的氧化,来达到降低钢液中的碳量水平。与此同时,钢液中溶解的氮也通过向CO气泡中的扩散并随CO气泡的上浮而排出,钢液中的非金属夹杂物通过对CO气泡的吸附而加速上浮。因此不锈钢精炼时的氧化脱碳既是目的,也是一种手段。通过氧化脱碳达到了降低钢中非金属夹杂物和氮含量的目的。不锈钢炉外精炼的另一个目的是彻底去除硫、氧夹杂物并控制残存的夹杂物的尺寸、形态和分布。不锈钢中由于铬含量高而碳含量低,钢中氧含量远高于普通碳钢。钢中硫含量虽然不是很高,但Ⅱ型硫化物的形态和分布对性能的破坏很大。为降低钢中的氧含量而加铝后,生成高熔点高硬度的氧化铝,在组织中呈条形簇状分布,对性能危害很大。用硅钙脱氧可以使氧化铝夹杂物变成低熔点的复合夹杂物,形态成为球形,但尺寸常较大。钢中夹杂物既是钢中裂纹的发源地,严重降低钢的力学性能,也是钢受电化学腐蚀时的阴极相,夹杂物周围的金属成为被侵蚀的对象。通过精炼能有效地减轻夹杂物对不锈钢力学性能和耐蚀性能的危害。铸造不锈钢的精炼与炼钢厂的精炼并不完全相同。虽然炼钢厂的精炼方法大多可以借用到铸造不锈钢精炼中,但由于铸造厂炉子容量通常远小于炼钢厂,使铸造不锈钢的精炼有着自己的特点。2.2不锈钢的vod生产不锈钢的脱碳精炼是1个碳、氧的竞争氧化过程。在常压下为达到降碳保铬,必须提高反应温度,但温度的提高受耐火材料的制约。VOD精炼工艺是通过真空,AOD工艺是通过氩气稀释来降低反应产物CO的分压,从而促进碳的优先氧化。这是现代不锈钢精炼的主要方法。国内、国外的主要大型不锈钢厂均装备有这一类的精炼设备。通过AOD、VOD精炼方式冶炼的不锈钢液品质高,特别是夹杂物水平和碳、氮含量低,可以生产低碳和超低碳的不锈钢。而且可以使用价格便宜的原材料,如高碳铬铁及其他高碳铁合金,各种回炉料等,同时各种合金的熔炼损耗也很少。李强等人在3tAOD炉中成功地冶炼了321,304,304L,316,316L等多种牌号的铸钢,其结果表明,与常规电炉冶炼相比,钢中[O]含量要低17%,[N]含量要低15%,[H]含量要低35%,非金属夹杂物总量降低32%,钢的含碳量降至0.03%以下,而铬的回收率高达97%～99%。每吨钢的冶炼电耗也下降150～200kW/h。董新民等人用AOD炉成功冶炼了ZG00Cr17Ni14Mo2钢,钢中硫量降至0.007%,碳量降至0.018%的水平。但这种熔炼方式需要专用的精炼设备并消耗氩气。而VOD需要复杂的真空设备。文献给出了VOD法与电炉返回吹氧法冶炼不锈钢成本的对比,见表1。可见,钢的碳量越低,VOD冶炼的优势越大。在铸造业具备AOD或VOD精炼手段的厂家还只是极少数大型不锈钢专业生产企业。AOD或VOD精炼主要利用来生产大型的高性能的不锈钢铸件。但对众多的小型不锈钢铸造企业,要求他们都具备这种精炼设备是不现实的,也是没有必要的。2.3新型不锈钢的生产包芯线喂线精炼是近年在国内、国外迅速发展的1种新的钢包精炼处理工艺。它通过专用喂线机以一定速度将内含精炼剂的包芯线送入钢液深处,包芯线在钢液内熔化,内包的精炼剂在钢液内扩散、反应,生成的熔渣在密度差和界面张力的作用下迅速上浮排出,可以有效地降低钢液中氧的残留水平,减少钢中非金属夹杂物,从而提高钢的性能。李希俊等人在感应电炉内研究了喂线处理对高合金钢的精炼效果。在炉内喂硅钙包芯线与炉内插硅钙块处理1Cr18Ni9Ti时对硫氧去除效果的对比,见表2。可见喂线处理在硅钙加入量大幅度下降的情况下,对不锈钢液内的硫、氧等杂质的去除效果却比插硅钙块有了明显的提高,表明喂线处理能显著减少钢中杂质元素含量。两年来采用两种工艺生产不锈钢、耐热钢、工具钢等高合金钢的品质统计表明,喂线处理使钢的品质有明显地提高,见表3。徐国华等人研究了Al-Si-Ba-Fe合金包芯线喂线处理对减少钢中非金属夹杂物的效果。从表4可以看出喂线处理能大幅度地降低钢中非金属夹杂物的数量,喂线前后钢中夹杂物总量下降了55%,其中Al2O3、SiO2夹杂分别下降了59.6%和53.5%。与插铝处理相比,经喂线处理的钢中的夹杂物要少54.9%。喂线处理工艺操作较为简单,可以在包内喂线,也可在感应电炉内喂线。对提高不锈钢的品质效果明显。是1种新的重要的不锈钢精炼方法。但喂线处理要取得好的效果还需要有好的精炼剂相配合。2.4精制剂复合残余物对钢力学性能的影响华中理工大学研究了1种复合精炼剂,精炼剂中的稀土、钙、钡、镁等组元具有很强的与氧、硫反应能力,将其加入不锈钢液后,能与钢液中的氧、硫、氧化铝、铝硅酸盐及氮化钛等杂质形成复合夹杂物,有利于清除钢中上述杂质对钢性能的影响。精炼剂中的镁在钢液内形成细小气泡吸附于上述复合夹杂物上,促进夹杂物上浮排出。因此能显著减少钢中非金属夹杂物的数量,残存的小尺寸非金属夹杂物也转变为球形,从而减少非金属夹杂物对钢的力学性能和耐蚀性能的影响。经精炼剂处理的ZG1Cr18Ni9Ti的力学性能,特别是冲击韧性,远高于我国国标及美国标准CF-8的最低性能要求,见表5;耐蚀性能年腐蚀率为0.214～0.337mm/a,与美国金属学会对CF-8钢的试验值0.25～0.35mm/a相当。这种方法简单而实用,对小钢包可直接冲入,对大钢包配合喂线工艺效果更好,值得大力推广。2.5钢包吹气过程中的节能技术钢包吹气也是1种有效的钢包精炼工艺。通过从包底向钢液内吹入惰性气体,在钢液内形成无数细小的气泡,气泡在上升过程中的扰动促进钢液内夹杂物的碰撞、聚集、合并。气泡在夹杂物上的吸附加快了夹杂物的上浮速度。从而大大减少钢中残留夹杂物的数量。钢包吹气能降低钢中气体的含量,钢液中溶解的气体,如[H]、[N]等会向气泡中扩散,并随气泡逸出。钢包吹气还有一定的脱氧脱碳精炼作用,因为吹入气泡内CO的分压为零,降低了气泡-钢液界面碳氧反应产物CO的分压,因此促进碳与氧的反应。在钢包吹气工艺中最常用的是氩气,但对奥氏体不锈钢可使用价格便宜的氮气,因为吹氮过程中会有一定量的氮向钢中溶解,溶解的氮对稳定奥氏体有利。文献对大钢包吹氩的研究结果表明,经过小流量较平稳的钢包底吹处理,氧化物夹杂总量降低了45.3%,>20μm的夹杂物从钢液中完全去除。钢包吹气工艺操作也比较简单,但去除钢中夹杂物的效果明显。钢包吹气可以单独作为1种精炼工艺,如果与喂线精炼等工艺结合,效果会更好。但不适合于容量过小的钢包,钢包的散热和吹气带走的热量会使钢液温度下降过快。2.6关于不锈钢过滤处理如何在现有熔炼工艺条件下提高不锈钢的熔炼水平,减少非金属夹杂物对钢的力学性能和耐蚀性能的影响,在我国现阶段有着特殊的意义。很多人在这方面也做了不少有意义的工作。徐实廉等人研究了过滤处理对不锈钢组织和力学性能的影响,结果表明,对不锈钢液进行过滤可提高合金液的纯净度,使凝固后的铸件组织更致密,力学性能也有所提高,见表6。这种方法对去除较大尺寸的非金属夹杂物有一定的效果,但对数量更多但尺寸细小的非金属夹杂物效果就不明显。3不锈钢铸造技术的发展方向我国目前不锈钢的生产正处于1个蓬勃发展的时期。不锈钢铸造厂家众多,生产能力也已达相当的规模。随着我国加入世界贸易组织,世界不锈钢铸件的生产向我国转移的趋势还会继续和加快。为改变我国不锈钢铸件生产品质整体不高的状况,特别需要重视和加强熔炼方面的工作。根据我国的实际,铸造不锈钢的熔炼应加强以下几方面的工作:(1)大力发展以AOD为代表的炉外精炼技术的应用。有一定规模的不锈钢专业铸造厂,应配备小型的AOD炉。采用电炉熔化,AOD炉精炼,可以生产各种碳量水平、各种牌号的不锈钢铸件。这种方法生产的铸件品质高、综合生产成本低。(2)重视喂线技术在不锈钢熔炼中的应用。对众多的以感应电炉为熔炼手段的不锈钢铸造厂,采用喂线处理是提高钢液纯净度和铸件品质的有效措施。通过改变精炼剂的配方,可以适应各种不同牌号的不锈钢的要求。对钢包容量较小的厂家,可以在感应电炉内喂线。适用面广,值得大力推广。(3)发展高效精炼剂。现有研究已表明用高效精炼剂处理不锈