徐致祥

北京機(jī)電研究所 北京 100083

1 序言

最新2035中國制造規(guī)劃中材料被列為重中之重，其中所述先進(jìn)鋼鐵材料需重點(diǎn)突破以下5點(diǎn): 高潔凈度冶煉、夾雜物精確控制、均質(zhì)化與組織精細(xì)化控制、精確成形與加工技術(shù)、構(gòu)建綠色化與智能化鋼鐵流程。

2 感應(yīng)電爐熔煉的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）熔煉工藝穩(wěn)定。具有電磁攪拌功能，金屬液溫度和化學(xué)成分均勻，元素?zé)龘p小。

2）采用爐底吹惰性氣體精煉，流槽出鋼，氣體保護(hù)澆注，可基本實(shí)現(xiàn)無氧化熔化澆注。

3）原料潔凈時(shí)對鋼液和環(huán)境污染小。

4）采用感應(yīng)加熱中間包澆注可準(zhǔn)確控制澆注溫度，無渣及澆注壓力控制。

2.2 缺點(diǎn)

1）缺乏冶金功能，即各類元素成分調(diào)整困難，鋼液元素含量只能增加，不能減少。

2）用于鑄鋼，要求入爐前嚴(yán)格控制原材料化學(xué)成分和原料潔凈度。

3 鑄鋼件冶金質(zhì)量

鑄鋼件冶金質(zhì)量具有三項(xiàng)超高指標(biāo)：超細(xì)組織（細(xì)晶化)、高純凈度、高均質(zhì)度。

3.1 晶粒細(xì)化

晶粒細(xì)化是各種強(qiáng)化機(jī)制中唯一既能提高鑄鋼件的強(qiáng)度和韌性，又能降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的方法。微合金元素Nb、Ti、V等在鋼中與C、N、O等有極強(qiáng)的親和力，可形成穩(wěn)定的強(qiáng)碳化物、氮化物，通過析出質(zhì)點(diǎn)，鑄件從冶煉凝固到冷卻過程及其焊接加熱中，通過影響成核和晶界遷移來影響晶粒尺寸，在實(shí)際生產(chǎn)中已能得到最小平均鐵素體晶粒尺寸為5～10μm。同時(shí)所形成的碳化物沉淀強(qiáng)化鐵素體，因而可有效提高鑄鋼件的強(qiáng)度。

微合金元素加入量對晶粒尺寸影響如圖1所示，不同強(qiáng)化機(jī)制對降低鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響如圖2所示。

圖1 微合金元素及含量與鐵素體晶粒尺寸的關(guān)系

圖2 不同強(qiáng)化機(jī)制對鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

3.2 高純凈度

潔凈鋼（Clean Steel）的含義包含：鋼中非金屬夾雜物含量少、尺寸小、形狀分布均勻，鋼中S、P、O、N、H等雜質(zhì)元素含量低。

有害氣體 O、N、H和夾雜物的來源：鋼液直接與爐氣接觸，鋼液與坩堝之間的反應(yīng)，以及爐料的銹蝕、油污或水分等3個方面。

國內(nèi)外生產(chǎn)的潔凈鋼中：C、S、P、O、N、H含量之和＜100×10-6(0.01%)；國內(nèi)外生產(chǎn)的超潔凈鋼中：C、S、P、O、N、H 含量之和＜40×10-6(0.004%)。

“零夾雜鋼”即“零氧化物鋼”或“超潔凈鋼”，但并非是鋼中無夾雜物，而是指鋼液在凝固以前不析出任何非金屬夾雜物，是含亞微米夾雜物的鋼。

固態(tài)下析出的非金屬夾雜物是高度彌散分布，尺寸＜5μm，在光學(xué)顯微鏡下難以觀察。

一般情況下鋼在液相中不析出硫化物和氮化物，實(shí)際上就是“零氧化物”鋼，控制鋼中氧含量和脫氧元素含量及其偏析，防止固相線溫度前析出氧化物夾雜。

3.3 高均質(zhì)度

實(shí)現(xiàn)鑄鋼件結(jié)晶組織等軸晶化是高均質(zhì)度主要關(guān)鍵。通過控制澆注溫度過熱度及澆注壓力達(dá)到組織等軸晶化。以Cr12鐵素體不銹鋼鑄件為例，澆注溫度過熱度對結(jié)晶度影響如圖3所示。

圖3 不同過熱度條件下Cr12鐵素體不銹鋼鑄件的晶體取向

圖3 中，8個不同澆注過熱度溫度下，對結(jié)晶組織的影響：隨著澆鑄過熱度的升高，細(xì)小等軸晶組織逐漸減少，粗大柱狀晶組織逐漸增多。當(dāng)過熱度為20℃時(shí)，組織全部為等軸晶；當(dāng)過熱度為50℃時(shí)，表層開始出現(xiàn)細(xì)小的柱狀晶；當(dāng)過熱度分別為55℃、60℃、70℃和80℃時(shí)，表層的柱狀晶逐漸向中部延伸，柱狀晶尺寸逐漸增大，中部等軸晶逐漸減少；當(dāng)過熱度為90℃時(shí)，表層的柱狀晶更加發(fā)達(dá)；當(dāng)過熱度為140℃時(shí)，柱狀晶組織異常發(fā)達(dá)，鑄態(tài)坯由貫穿的柱狀晶組成。

3.4 鋼液澆注溫度的計(jì)算方法

鋼液進(jìn)入型腔時(shí)的溫度即澆鑄溫度。

澆注溫度由兩部分組成：一是鋼液的凝固溫度即液相線溫度，由鋼的化學(xué)成分決定；二是鋼液的過熱度即超過凝固溫度的值。

計(jì)算公式為

式中Tc——澆注溫度（℃）；

T—— 液相線溫度（℃）；

ΔT——鋼液的過熱度（℃）。

4 優(yōu)質(zhì)潔凈鑄鋼件的生產(chǎn)系統(tǒng)

以型殼及覆膜砂型生產(chǎn)線為例，在提供合格原料的條件下，中小型潔凈鑄鋼件從感應(yīng)電爐熔化至澆注的生產(chǎn)工藝過程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)工藝過程

該感應(yīng)電爐熔煉及澆注生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)如下：

1）最大可能地避免鋼液二次氧化形成夾雜物。

2）避免了由于使用鋼液包造成鋼液溫度下降和波動，以及澆注二次氧化及包襯污染。

3）每個鑄型鋼液澆注溫度過熱度可控制在＜±10℃；提高鑄鋼件組織細(xì)晶化程度；提高鑄鋼件組織等軸晶化；降低了鑄件各部位化學(xué)成分偏析。

4）該工藝同時(shí)可應(yīng)用于高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）、高強(qiáng)度低碳鋼（HSLC）和高合金鋼鑄件熔鑄系統(tǒng)。

需注意的是，感應(yīng)電爐生產(chǎn)高潔凈鋼鑄件需解決純凈鋼液原料入爐前的潔凈化處理。

5 鑄鋼件市場狀況

5.1 國內(nèi)鑄鋼件生產(chǎn)狀況及存在問題

我國是鑄鋼件生產(chǎn)大國，產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量50%以上，但是鑄鋼件銷售價(jià)格僅為國際市場價(jià)的1/4 ～ 1/3。很多單位僅用感應(yīng)電爐熔化廢鋼澆注鑄鋼件，無任何精煉手段。我國鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量，與歐美等先進(jìn)工業(yè)國家相比還有很大差距。

5.2 潔凈鋼生產(chǎn)工藝在高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用

1）高強(qiáng)度低合金采用Nb、Ti、V等元素進(jìn)行微合金化（微量合金元素加入量＜ 0.20%），在低碳或超低碳含量下，通過采取防止鋼液二次氧化，正確控制夾雜物及澆注溫度，以及從熔煉至澆注整個生產(chǎn)過程中因鋼液都處在惰性氣體保護(hù)中等措施而獲得良好的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性，獲得成形性與焊接性相結(jié)合的鑄鋼件優(yōu)良綜合性能。

2）以細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化效應(yīng)，獲得了高達(dá)600 ～800MPa的屈服強(qiáng)度和良好的韌性。

3）高強(qiáng)度低合金鋼由于生產(chǎn)高效，節(jié)約合金元素，向大氣釋放CO2量少，因此被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、船舶、車輛、石油及輸油管道等各種工程用結(jié)構(gòu)鑄件。

4）超潔凈鋼的性能：超純鐵的耐腐蝕能力與金（Au）、鉑（Pt）相當(dāng)。

5）18C r2N i M o不銹鋼的wP從0.026%降至0.002%，使耐硝酸腐蝕能力有極大提高。

6 結(jié)束語

1）要實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)，應(yīng)從優(yōu)化整個熔煉直至澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)著手。

2）高純凈鋼鑄件的生產(chǎn)，是中國鑄造行業(yè)贏得鑄造市場高端產(chǎn)品的必經(jīng)之路。