铸钢业界的重要课题 - 镇江正源冶金材料有限公司-免固精炼剂│脱氧剂

 

近十多年来,生产清洁钢一直是各国铸钢业界广泛关注的问题,为进行这方面的研究,花费了可观的时间、金钱和人力。对于铸钢业界,生产清洁钢的含义是:加强脱氧和防止出钢和浇注过程中的二次氧化,从而减少钢中和铸件表面上的氧化物夹杂。说起来,这是个老问题,搞铸钢的谁都知道,但实际上大多数同仁对此并无切实的认识和了解。

 

据国外所作的统计分析,铸钢件的直接生产成本中,表面清理费用约占20%,其中,大部分是用于清除和焊修氧化夹杂缺陷的。

 

美国铸钢研究学会作,从各类铸钢件取样500件以上,作研究分析,结果表明:铸钢件表面上的宏观夹杂的来源如下:
1、83%是由于钢液脱氧不好和二次氧化

2、14%来自造型材料

3、2%来自炉渣

4、1%来自耐火材料

 

因此,铸钢件表面上形成宏观氧化物的主要原因是钢的清洁度不够好。从而,铸造用钢的清洁度,可用每吨铸件表面上需清除的宏观夹杂物的体积来衡量,也可以用每吨铸件修补所用的焊条量来衡量。

 

当然,钢中微观夹杂物的数量,形态及分布状况也与其清洁度相关,但其影响较小。

 

在许多铸钢厂现场所作的调查表明:不同炉次之间的铸件,每吨铸件修补所需的焊条量差别很大;同一炉次所浇注的铸件,从最先浇注的到最后浇注的,每吨铸件的焊条用量差别不大。而且,铸件上宏观夹杂物多的炉次约占20~25%。这说明:熔炼方面容易失控的变数较多,而浇注过程中的变数较少。

 

铸钢件中也会含有其他杂质,如硫化物和氮含量等,但是,钢中的氮含量可以通过脱碳沸腾可靠地加以控制,碱性炉炼钢控制含硫量也不成问题,而且钢中硫化物的情况也与脱氧有关。因此,加强脱氧和防止二次氧化是当前铸钢业界所面对的重大问题之一。

 

一.钢的脱氧
使钢脱氧方法很多,所用的脱氧剂也不一而足,这里只谈及主要的脱氧作业,即最终脱氧。

 

1.铝脱氧

由于铝的脱氧能力强,对钢中FeO的溶有量影响很大,影响钢中铁因而对钢中硫化物的数量、形态及分布状况都有很大的影响。
在炼钢温度下,氧化物和硫化物在钢中都有一定的溶解度,在钢液凝固过程中,因氧化物和硫化物溶解度的变化,会按一定的规律析出非金属夹杂物。所以,钢中的”非金属夹杂物”并不都是混杂在钢中的异物。

 

只用硅,钢中残留铝量极低时,钢中溶解的氧较多。此时,硫化物的溶解度下降,在钢液凝固初期,就有硫化物或以硫化物为主的硫氧复合化合物析出。这样形成的硫化夹杂物是较大的、分布不规的近球形夹杂物,即第I类硫化物夹杂。这类夹杂物对钢的韧性影响很小。但是,在此种条件下,铸件中的晶粒粗大,而且很难避免气孔、针孔等疵病。实际上,此种工艺是不可取的。

 

加铝量较多,钢中残留铝量为0.01的溶有量很低,硫化物在钢中的溶解度增大,不在钢液的凝固初期析出,而在稍后钢液温度进一步下降后,以硫化物与铁的共晶形式析出,分布在晶界上,呈连续网状,即第II类硫化物夹杂。在此情况下,钢的韧性显著下降。此种工艺也不可取。

 

加铝量够多,钢中残留铝量在0.04%以上时,铝会和硫生成Al2S3。Al2S3又与硫化铁,在钢的凝固初期析出。这种情况下,硫化物是尺寸较大、形状不太圆、分布也不规则的夹杂物,即第III类硫化夹杂物。这种夹杂物对钢的韧性影响也不大。

 

钢终脱氧所用的铝量,是考虑其脱氧效果和对硫化物的影响而确定的。不加铝则钢不能完全脱氧;加铝量太少,则钢既不能有效地脱氧,又不能细化晶粒;加铝量多,但不超过每吨钢0.7kg,则有招致第II类硫化物的危险。因此,作为最终脱氧剂的铝,用量一般是每吨钢0.8~1.2kg。

 

从前面谈到的几点,对加铝量下限么,铝既然是很好的脱氧剂,多加些岂不更好?为什么要规定加入量的上限呢?

 

第二次世界大战初期,发现有的铸钢件在调质由于其后果是灾难性的,立即成为研究的课题。起初还以为是”氢脆”,到1947年才确认此种缺陷的主要原因是氮化铝析出。AlN可以溶于钢液,在铸钢件凝固的后期,在较低的温度下沿晶界析出呈网状,致使铸件脆断。由于铝的脱氧效果好,铸钢厂为确保铸件不出气孔,随意多加的事是十分常见的。同时,电弧炉炼的钢含氮量较高,一般为100ppm左右,如脱碳沸腾作业不佳,还会高于此值。在钢中残留铝量高、含氮量高的情况下,铸件就易于发生石状断口脆断。我国的铸钢厂中,这种情况也并不鲜见。因此,严格控制加铝量的上限,是十分必要的。

 

在这里顺便还要说一说,发生石状断口脆断并不只限于经调质处理的低合金钢铸件,经正火、回火的马氏体不锈钢铸件也可出现,还有报道说,低碳钢铸件也发生过此种脆断。此外,虽然AlN析出是造成石状析口脆断的主要原因,但也不是唯一的原因,沿晶界析出的硼化物,碳化物或硫化物也都可以使铸件发生脆断。脆断总与晶界缺陷有关。

 

每一家铸钢厂都要在炼钢时加铝,也都会加铝。但是,如果问加铝的工艺是否妥当?加铝的收得率是否稳定?恐怕会有不少的铸钢厂难以回答。铝的密度不及钢液的1/2,在炉中加铝,除采用插入方式外,容易裹在钢渣中不易与钢液作用。如果所用的铝块大小不一,就更难有稳定的效果。为了严格控制钢中残留铝量,国外有的铸钢厂不用铝而用含Al35%左右的铝铁合金。铝铁合金的密度约为6.15g/m3,比钢渣的密度高,与钢液的密度相近。虽成本略高,但脱氧效果好而且稳定。

 

2.复合脱氧剂脱氧
到目前为止,铸钢厂所用的复合脱氧剂,都以硅和钙为主要成分。

 

六十多年以前,就有人注意到钙在钢中的脱氧作用。钙在钢中溶解度很小,但它与氧、硫的亲和力都很强。在钢的脱氧过程中,钙和铝有互补增益的共同作用,很像硅和锰的共同作用。氧化钙可以和氧化铝复合成易熔的铝酸钙,甚至在炼钢温度下可以是液相。
力都很强。在钢的脱氧过程中,钙和铝有互补增益的共同作用,很像硅和锰的共同作用。氧化钙可以和氧化铝复合成易熔的铝酸钙,甚至在炼钢温度下可以是液相。

 

钙使钢液脱氧的同时,还能与溶于钢中的夹杂物中的氧反应,降低钢中硫化物的溶解度,使其在钢液的凝固初期析出,呈球状,对钢的力学性能影响很小。

用钙脱氧虽有很多好处,但实施时却有不少困难。钙的沸点为1492℃,密度仅是钢的1/5,在炼钢温度下,不仅会漂浮在钢渣表面上,而且很快就会气化、挥发。所以,在炼钢条件下用钙脱氧,必须配合其他元素降低其活性,以避免过多的烧损。
硅是可以降低钙的活性的元素,又是良好的脱氧剂,又是铸铁的孕育剂,所以,硅钙合金量是最常用的钙合金。对于铸铁而言,硅钙合金是最佳的处理剂。但是,在炼钢温度下,硅钙合金中的钙,其活性仍然过高。钢中加硅钙,反应很激烈,效果不稳定。
 
以一定量的钡代替硅钙合金中的钙,能显著降低钙的活性,可使之适用于炼钢。在此条件下,钡是一种缓冲剂。美国联合碳化物公司早已生产硅用的复合脱氧剂。
 
前已经谈到,钙和铝配合使用有相补增益的效果,所以,硅用效果会更好。为现场使用方便起见,联合碳化物公司20多年前就生产一种名为”Hypercal”的硅钢用。用硅氧时,其加入量按加铝0.05%计算。
 
目前,我国也有硅国外用的几种含钙合金和我国的硅列于下表,供参考。
 
几种常用的含钙合金的化学成分Al Fe

国外常用的硅钙合金 28

硅ibar) 144  硅percal) 10  我国硅/T 067
≥9
≥6 ≥30
≥35
≥40 ≥9
≥9 ≥
≥12 ≥16
≥12
≥8 —
当然,硅铝贵,加入量也比铝多,生产一般铸件的铸钢厂,不一定要采用。严格控制加铝量也能得到清洁程度较好的钢。

 

二.防止二次氧化
与铸铁相比,铸钢的碳、硅含量低得多,而浇注温度却高150℃以上。所以,在出钢和浇注过程中金属的二次氧化比铸铁严重得多,铸钢件的表面质量差主要与此有关。铸钢厂通常都用铝脱氧,脱氧产物氧化所形成的氧化物,能与氧化铝作用,使之长大成为复合的宏观氧化物夹杂。

 

 1.二次氧化的氧源

使钢液二次氧化的氧,主要来自以下几方面。
出钢和浇注时,钢液暴露于空气中,而且紊流的钢液会卷入为量可观的空气,这是钢液被二次氧化的主要原因,根据模拟研究的结果,仅就浇注而言,每浇注1吨钢液,就可卷入空气0.07m3,造成氧化物夹杂10cm3。
 
氧的第二个重要来源是钢渣。如果炼钢后期脱氧不好,钢渣中含FeO量撸龈质备趾驮⑸苛业幕彀瑁垢忠憾窝趸lt;br /> 如修筑出钢槽和浇包的耐火材料品质不好,其中一些氧化物可能被钢液中某元素还原,使钢液氧化。或者,耐火材料中的某些氧化物可能与钢液中已形成的氧化物结合,从而使宏观夹杂物增多。
 
此外,浇注充型过程中,型内气氛为氧化性气氛,也会使型内的金属氧化。如果铸型中含氧物料多,会使氧化过程加剧。

 

 2.现场易于实施的预防措施

炼钢过程中,防止二次氧化是十分困难的,铸钢厂比炼钢厂的工艺变数多,难度就更大。在这方面,目前各国铸钢业界都在积极地探索、研究。但是,目前我国多数铸钢厂,工艺未经优化,工艺过程的控制很不严格,产品的质量水平很低。在此情况下,注意以下几点,并严格工艺控制,就可能有较明显的效果。
 
首先,要保证钢液脱氧良好,国外铸钢厂出钢前钢渣中的FeO含量要求在0.5%以下。目前我国多数铸钢厂渣中FeO含量都在1%以上,能达到0.8%的为数不多。近期内应努力做到渣中FeO不超过0.5%。这不需要搞技术改造,也无需投资,只要求敬业和认真。
 
其次是要严格控制碳钢和低合金钢中的硅含量在0.5%~0.6%的水平,以保证钢液有防止二次氧化的脱氧余力。不少铸钢厂至今还按含硅0.17%~0.37%或0.2%~0.4%的要求生产,这样的标准早已过时,并已废止了。
最终脱氧用的铝,块度应有要求,加入量和加入方法应严格控制。

 

 

3.钢包中加钙补充脱氧

目前,在钢包中加钙补充脱氧是最有较的克服二次氧化影响的措施之一,但所用的含钙材料和加入方法至关重要。
 
国外不少铸钢厂试用过在钢包中加CaC2,效果都不好。也有铸钢厂在出钢时,将硅钙合金投入钢液,由于合金漂浮在表面,收得率很低。在包中加硅钙合金,则合金浮在钢渣表面。

最有较的方法是喂丝法。用铁皮包裹的硅钙粉通过钢渣插入钢液中,不到3秒钟硅钙合金就可熔化于钢液中。钙在钢中的作用,前面已经谈过。每吨钢的加钙量约为0.3kg。国外铸钢厂采用喂丝法后,铸件上的宏观夹杂缺陷平均减少40%。

 

4.钢包中用等离子弧精炼

在钢包上方装一中间有小孔的石墨电极,出钢后,使电极与钢液间产生电弧,再自电极中心的孔吹入氩气以产生等离子弧,并使之稳定。同时,自钢包底部的多孔塞吹入氩气搅拌钢液,使之脱氧。
 
氩气的流率可调。搅拌速率较高,则有利于均匀温度并脱S;低速搅拌,则使钢液中的夹杂物上浮。
 
等离子弧的极性也是可变的,负极性用于加热钢液和钢渣;正极性则用于脱氧和脱硫。
 
因此种装置。可使钢液中含氧量很低,脱硫效果也好,可得到非常清洁的钢。与酸性电弧炉配用,可使钢液的品质达到碱性炉钢的水平。

后期,还可用喂丝法加钙,以控制硫化物和夹杂物的形态。
此种方法,小型铸钢厂不宜采用。
  

 

5.氩气保护工艺尚待探索
钢液被二次氧化,主要是因其暴露于大气中的氧,因而自然会想到用氩气予以保护。氩的密度高于空气,有可能使其处于钢液和大气之间,形成保护气氛。

 
由于铸钢厂出钢和浇注的情况复杂,国外不少铸钢厂试用过多种多样的氩气保护方法,如浇注时用氩气保护钢流、在包中用氩气覆盖钢液、直接向钢液表面吹氩等。但是,迄今为止还未找到经济而有效的屏蔽方法,这方面尚有待进一步探索。

 
 
 

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