張玉亭 趙長(zhǎng)春

(中冶京誠(chéng)(營(yíng)口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004)

船用碳錳鋼鈣處理研究

張玉亭 趙長(zhǎng)春

(中冶京誠(chéng)(營(yíng)口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115004)

分析硅鈣線和純鈣線對(duì)控制鋼中夾雜物變性的影響效果。通過(guò)合理控制鋼中鈣、鋁、硫含量，使夾雜物充分變性和去除，可以穩(wěn)定提高超聲檢測(cè)合格率。

碳錳鋼軸類鍛件;鈣處理;夾雜變性

船用碳錳鋼鍛坯鋼主要用于制造螺旋槳軸、中間軸、舵桿和舵銷等。船用產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量要求都很高，要符合國(guó)際船級(jí)社的要求，鍛件要求最嚴(yán)處超聲檢測(cè)不準(zhǔn)有超過(guò)?2 mm當(dāng)量的缺陷。由于碳錳鋼固有的冶金弱勢(shì)(存在碳錳易偏析元素)，加之近年來(lái)隨著造船業(yè)的漸趨大型化和競(jìng)爭(zhēng)白熱化，對(duì)材料提出了更高的要求。材料質(zhì)量成本與產(chǎn)品成本的矛盾日益突出——存在較高的廢品率。其中超聲檢測(cè)不合格是導(dǎo)致改制或報(bào)廢的主要原因，夾雜物也是影響檢測(cè)合格率的重要冶金缺陷。

利用酸浸低倍、電鏡、能譜分析等手段對(duì)產(chǎn)品不同生產(chǎn)階段進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鈣處理是控制夾雜物的重要手段之一。鈣處理的好壞直接影響夾雜物的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布等等。

本文著重從鋼水鈣處理效果的角度，談?wù)勪撝袏A雜變性對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果的影響。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，提出了鈣處理工藝優(yōu)化的方向，有效提高了船用碳錳鋼的潔凈度和檢測(cè)合格率。

1 冶煉生產(chǎn)工藝流程

冶煉生產(chǎn)工藝流程為:100 t超高功率電弧爐冶煉→120 t LF鋼包精煉爐精煉→120 t VD真空脫氣→鋼包喂線鈣處理→120 t VC真空澆注。

2 硅鈣線處理后主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表1 碳錳鋼采用硅鈣線處理后檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 UT test result of C-M n steel treated w ith SiCa w ire

2010年至2012年采用硅鈣線處理的有效生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

2.2 典型缺陷解剖分析

2.2.1 氧化鋁類夾雜

在檢測(cè)定位缺陷嚴(yán)重的位置，取低倍試樣。在酸浸試樣上觀察到縱向檢驗(yàn)面出現(xiàn)數(shù)條沿變形方向的條形缺陷。10倍放大鏡下部分缺陷深可見(jiàn)底，缺陷長(zhǎng)度約2 mm、寬度約0.2 mm～0.5 mm，此缺陷與檢測(cè)出現(xiàn)的?2 mm～?3 mm當(dāng)量的密集型缺陷有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

高倍夾雜物檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試樣中的B類(氧化鋁類)夾雜物較多，夾雜物沿縱向呈現(xiàn)密集的鏈狀分布，有些夾雜還出現(xiàn)多條鏈狀聚集形態(tài)，見(jiàn)圖1、圖2。

2.2.2 硫化物類夾雜

在低倍試料缺陷位置切取并制備斷口試樣，對(duì)其進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)存在單條或多條密集型條狀?yuàn)A雜物，方向與低倍酸洗后看到的偏析帶平行。對(duì)夾雜物局部放大見(jiàn)圖3、圖4。測(cè)定夾雜物能譜成分為硫化錳夾雜，能譜圖見(jiàn)圖5。

3 純鈣線處理后主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖1 氧化鋁類夾雜形貌Figure 1 Inclusion appearance of aluminum oxide

圖2 氧化鋁類夾雜能譜分析結(jié)果Figure 2 Energy spectrum analysis result of aluminum oxide inclusion

圖3 硫化物沿加工方向形態(tài)(200×)Figure 3 Sulphide appearance in direction ofmachining(200×)

圖4 硫化物夾雜形貌Figure 4 Appearance of sulphide inclusion

圖5 硫化錳能譜分析Figure 5 Energy spectrum analysis ofmanganese sulphide

表2 不同錠型檢測(cè)合格數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of test data for different types of ingots

表3 純鈣線的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The chem ical composition of pure calcium w ire (m ass fraction，%)

3.1.1 硅鈣線處理時(shí)不同錠型的檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況看，小錠型生產(chǎn)時(shí)，鋼包自由空間較大，鈣線喂入存在一定困難。同時(shí)，硅鈣線的質(zhì)量良莠不齊，存在質(zhì)量問(wèn)題，故鈣處理效果不理想。按錠型檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

3.1.2 純鈣線處理后的主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)鋼水包大小情況，使用不同的導(dǎo)線管，采用純鈣線(成分見(jiàn)表3)，保證不同鋼水量情況下的喂線效果。生產(chǎn)結(jié)果如表4所示。

采用不同鈣處理方法的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

很明顯，采用純鈣線處理后，檢測(cè)合格率明顯提高，提高近9%，意義很大。當(dāng)然，檢測(cè)問(wèn)題是綜合因素，但這里最重要的改變是采用了純鈣線進(jìn)行夾雜的變性處理。

4 分析與改進(jìn)措施

4.1 鈣處理對(duì)Al2O3夾雜變性的作用

通過(guò)分析采用硅鈣線處理后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(表1)，表明:超聲檢測(cè)合格的鈣鋁比達(dá)到0.175，合格率達(dá)到82.4%，鋼中的A12O3夾雜物能獲得較好的變性。而超聲檢測(cè)不合格的鈣鋁比達(dá)到0.133，不合格率為17.6%。鋼中較高的鈣鋁比有利于夾雜物球化率的提高和大顆粒夾雜物的去除。通過(guò)分析表4、表5發(fā)現(xiàn)，隨著鈣鋁比的提高，檢測(cè)合格情況明顯好轉(zhuǎn)，進(jìn)一步說(shuō)明在維持一定鋁含量的情況下，控制適當(dāng)?shù)拟}含量非常有利于夾雜物的變性與去除。生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)鋼中鋁含量在0.008%～0.015%時(shí)，將鋼中鈣含量控制在(20～29)×10-6內(nèi)，檢測(cè)效果較好。

表4 碳錳鋼采用純鈣線處理后檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 UT test result of C-M n steel treated w ith pure Ca w ire

表5 采用不同鈣處理方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比情況Tab le 5 Com parison of UT test resu lts w ith different Ca treatmentmethods

4.2 鈣處理對(duì)硫化物變性的作用

生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，隨著硫含量的降低，有利于檢測(cè)情況的好轉(zhuǎn)。但很多時(shí)候即使在硫含量很低的情況下，如小于0.003%時(shí)，仍然發(fā)生了檢測(cè)不合格情況，而往往解剖時(shí)也曾發(fā)現(xiàn)過(guò)硫化錳夾雜。說(shuō)明，硫化物夾雜物的變性處理也同樣重要。

總的來(lái)講，喂鈣線前將硫處理到較低的水平有利于夾雜物的變性。實(shí)踐表明，硫含量以不超過(guò)0.005%為好。

4.3 鈣含量對(duì)鈣處理效果的影響

對(duì)于鈣處理鋼，為了確保良好的檢測(cè)效果，應(yīng)向鋼中加入合適含量的鈣。加入的鈣太少或太多，均得不到理想的效果。鈣含量太低或太高時(shí)，形成高熔點(diǎn)的復(fù)合夾雜物。鈣含量過(guò)高時(shí)，易生成CaS熔點(diǎn)夾雜物，澆鑄性能變差。

鋼中含鈣多少才能起到變性?shī)A雜物的作用，各種資料介紹并不統(tǒng)一。理論計(jì)算結(jié)果表明，鋼中［Al］s含量為0.02%～0.04%時(shí)，鈣含量超過(guò)16×10-6就能滿足夾雜物變性條件［10］。

2011年后期生產(chǎn)碳錳鋼時(shí)，采用純鈣線進(jìn)行鈣處理。同時(shí)，為了保證一定的鈣含量，采取以下措施:調(diào)整喂線管長(zhǎng)度，使之與鋼水包匹配;合理控制喂線速度，保證喂后軟吹氬氣效果等，進(jìn)一步提高鈣處理水平。采用純鈣線可以明顯提高和穩(wěn)定鈣線的收得率，避免劣質(zhì)硅鈣線的混入。同時(shí)，因?yàn)槭盏寐侍岣撸杀究梢月越档?。鋼中鈣含量在(20～30)×10-6，鈣處理效果好，能滿足檢測(cè)質(zhì)量的要求。

生產(chǎn)中極易忽略鈣處理效果的控制，必須高度重視。將鈣加入鋼液時(shí)，重要的是鈣的釋放深度要足以防止鈣的自然蒸發(fā)。因此，喂線速度是喂線工藝的關(guān)鍵參數(shù)，喂線過(guò)快或過(guò)慢都將影響冶金效果。喂入速度控制在(120～180)m/mim時(shí)，鈣處理效果好，能滿足檢測(cè)質(zhì)量的要求。

4.4 軟吹氬時(shí)間對(duì)鈣處理效果的影響

鋼液中非金屬夾雜物上浮需要一定的時(shí)間，通過(guò)軟吹氬攪拌，增加夾雜物之間的碰撞，能夠使固態(tài)夾雜物聚集，液態(tài)夾雜物集合為大顆粒夾雜物。根據(jù)斯托克斯公式，夾雜物上浮速度與夾雜物半徑的平方成正比，夾雜物的聚合大大提高了夾雜物去除速率。生產(chǎn)較高品質(zhì)的鋼時(shí)，必須適當(dāng)保持喂鈣線后的軟吹氬時(shí)間。生產(chǎn)實(shí)踐表明，軟吹氬氣時(shí)間不低于15 min更有利。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)鈣處理有利于氧化物、硫化物的變性，使鋼中A12O3夾雜物盡可能的轉(zhuǎn)化為低熔點(diǎn)的12C·7A，或使圓球狀鋁酸鈣外層包覆(Ca、Mn) S，促使其長(zhǎng)大上浮，提高鋼液的潔凈度。避免大顆粒、脆性、形狀不規(guī)則或條帶狀?yuàn)A雜物殘存于鋼中，防止夾雜物在鍛造過(guò)程中造成應(yīng)力集中。

(2)純鈣線的效果明顯好于硅鈣線。脆性Al2O3夾雜已得到更大程度的變性，轉(zhuǎn)變成各種鈣鋁酸鹽及鈣鋁酸鹽與CaS或MnS的復(fù)合夾雜。

(3)使用純鈣線處理時(shí)要注意控制其他因素，如喂線速度、氬氣攪拌、位置等等，以提高喂線的效果，保證合理的鈣含量。

(4)生產(chǎn)中，我們也發(fā)現(xiàn)了DS類夾雜物增多的現(xiàn)象。說(shuō)明對(duì)鈣處理工藝的改進(jìn)和優(yōu)化需要結(jié)合其他手段，做更深的改進(jìn)，以進(jìn)一步降低鋼中夾雜物的含量，提高鋼水的潔凈度。

(5)影響檢測(cè)合格率因素很多，不可片面強(qiáng)調(diào)某一方面而忽略其他影響因素，只有這樣才能找出正確的思路和辦法。

［1］ 張玉亭.大型船用碳錳鋼夾雜物來(lái)源及控制.大型鑄鍛件，2013(3).

［2］ 高震波，等.鈣處理工藝對(duì)低碳冷鐓鋼潔凈度的影響.2007爐外精煉論文.

編輯 杜青泉

Research on Treatment for Marine Carbon Manganese Steel

Zhang Yuting，Zhao Changchun

This paper analyzes the effect of calcium silicon line and pure calcium line upon controlling the inclusion denaturating in the steel.By reasonably controlling the calcium，aluminum，＆sulfur contents，making sufficient denaturating and removal of inclusion，the acceptability of ultrasonic examination can be stably improved.

shaft forgings of CMn，calcium treatment，inclusion denaturation

TF762+.8

A

2013—06—28