高锰钢冶炼主要工艺的控制

铸造工程师 2023年8月3日浏览：1644 评论：1 收藏：2

高锰钢是一种抗磨钢, 具有良好的强度和韧性, 并能在大冲击载荷作用下产生加工硬化, 适用于强烈冲击载荷的工况。某厂高锰钢主要用于制造球磨机衬板、端衬、格子板、破碎机轧臼壁、电铲斗齿等矿山机械。多年来, 依托技术人员的不懈努力研究和工人在生产实践中积累的经验, 在高锰钢产品的生产中, 已经形成了一套行之有效的生产工艺, 尤其是在冶炼技术方面对主要工艺的严格控制已为同行所认可。本文介绍高锰钢冶炼工艺控制方面的生产经验, 为提高高锰钢产品的冶金质量提供参考。

1 冶炼生产条件

本厂高锰钢冶炼在3 t电弧炉中进行, 镁碳砖碱性炉衬, 氧化剂是铁矿石, 还原剂是碳化硅粒, 造渣材料是生石灰、萤石、石灰石等。测温用快速热电偶, 变质剂采用1#稀土合金, 浇注采用5 t漏底包。

2 冶炼主要工艺的控制

磷的控制

在高锰钢冶炼中降磷是技术重点之一, 经试验总结出 3 种行之有效的操作方法。

①在高锰钢返回料中配入20%的碳素废钢, 使原材料的平均含磷量控制在0.06%-0.07% , 对冶炼过程控制磷不超标起到保障作用。

②在熔化末期坚持流渣操作, 至少换新渣三次以上, 可降0.01%-0.03%的磷。氧化法冶炼在氧化前期, 采用小块矿石浮在渣面上提高渣中氧化铁含量, 去磷效果更明显。

③在还原期控制回磷。首先控制还原期温度不能偏高（＜1550℃） , 另外在还原期使用优质、低磷中碳锰铁。

锰碳比的控制

锰碳比是高锰钢冶炼过程的一项关键控制因素, 针对特定工件, 合理的锰碳比决定了该铸件韧性、耐磨性、强度、使用可靠性等性能。Mn/C＜10, 使高锰钢的韧性降低, 使用中易于产生断裂, 严重影响选矿厂的正常生产。冶炼中Mn/C>10的有效办法是严格控制还原期的增碳量, 碳粉是传统的扩散脱氧剂,但C含量经常超标。为此, 试验用碳化硅作为扩散脱氧剂, 在保证还原期钢液质量的情况下, C含量得到有效控制, Mn/C一直稳定在>10, 使衬板质量得到稳定。

还原期的控制

高锰钢属高碳、高合金的特殊钢种, 还原期的操作对铸件的成品率及使用性能有较大影响, 如果还原不彻底, 较轻的后果是使铸件在热节部位产生缩孔, 降低铸件的力学性能, 在使用中易于断裂。严重的后果是使还原不良, 出现涨钢, 使整炉钢报废。还原期操作应注意以下几点。

①快速变渣，进入还原期前首先要彻底扒净氧化渣, 因为经过氧化期, 钢渣呈强氧化性, 如果不扒净氧化渣, 会使渣中大量FeO转入还原期, 给还原期脱氧带来困难, 不仅脱氧剂消耗量增加, 而且影响变渣速度, 延长还原期时间。还原期采用二步造渣操作方法, 即除渣后先加入造渣总量的75%~80% , 并用大功率送电10min, 使炉渣和钢液有较高温度, 加速还原反应, 缩短变渣时间。渣面形成后, 先进行预脱氧插铝, 随即加入块状沉淀脱氧剂锰铁、硅铁。薄渣形成后, 第一批加入扩散脱氧剂量要大, 占总量的2/3, 硅铁粉占总量的1/2, 这时必须调整好渣的碱度、流动性, 并加强搅拌。第二步造渣要求能较准确的控制渣量及流动性, 调整完渣量后, 加入第二批脱氧剂补充脱氧, 这时炉渣应转变为白渣。

②还原期应采用大渣量。还原渣的主要作用是吸收钢液中的硫及脱氧产物等杂质, 渣量大, 炉渣还原情况稳定, 钢的脱氧、脱硫效果好。另外炉渣也起着保护钢液的作用, 防止钢液吸收气体。渣量大, 出钢时渣能较好保护钢液同出, 互相冲洗, 进一步去硫并减少钢液二次氧化, 净化钢液。渣量过少渣况不稳定, 渣子忽黄忽灰, 脱氧效果差, 严重时盖不住钢液面, 特别是在推渣搅拌时更易暴露钢液面, 这样使吸气增加, 造成钢液在脱氧时再次氧化, 延长了冶炼时间, 且脱氧效果不佳。

③还原期要封闭好炉子并保持炉气的还原性气氛，还原期操作要将炉子封闭好, 目的是要使炉外空气不进入或少进入炉内, 保护炉内有足够的还原气氛。如果炉外空气随意进入炉内, 则炉内气体氧化性增加, 使渣钢进一步氧化, 降低了加入的还原剂的作用效率, 造成变渣困难, 同时还原气氛也不易保持。因此, 在还原期应注意将炉子密封好，除分析、搅拌、测温等操作外, 要关闭炉门。还原期进行到一定时间后, 还原气氛减弱, 炉内还原反应就不再进行。此外, 炉外空气不断进入炉内, 破坏了炉内还原气氛。要维持炉内气氛和炉渣的还原作用, 就要不断地补加还原剂, 即经常均匀地加入还原剂, 但每次加入量不能过多, 要根据渣况和冶炼钢种成分而定。为避免加还原剂而使钢液增碳、增硅, 甚至造成夹杂, 加入还原剂后出钢的时间不宜过短, 防止钢液增碳、增硅。

④白渣脱氧应保持一定时间, 并做到白渣下出钢。白渣脱氧是根据扩散脱氧原理进行的。其原理是: 在一定的温度下, 钢液和钢渣中氧的浓度比是一个常数, 用还原剂将渣中氧还原, 降低其浓度后, 则钢液中的氧就不断地向炉渣中扩散, 从而达到脱掉钢中氧的目的。扩散脱氧的过程比较慢, 需要有一定的时间。因此用白渣脱氧必须使钢液在白渣下保持一定时间，一般不小于30min，使钢液中的氧充分扩散到炉渣中去。如果出钢时渣子是灰色( 电石渣) , 说明渣中CaC2含量高。CaC2 能使炉渣粘度增加, 出钢时炉渣能很强地粘附在钢液中, 不易分离, 带进铸型中就增加了钢中杂质, 同时使钢液增碳。如果黄渣下出钢, 则说明钢液脱氧不良, 不仅会使钢液中的合金元素氧化损失, 而且会污染钢液, 可见要求在白渣下出钢对净化钢液的重要作用。

⑤还原期的温度控制，温度过高(＞1550℃) , 炉渣变稀, 使白渣不稳定, 容易变黄, 钢液脱氧不良且容易吸气; 同时对炉衬侵蚀严重, 影响炉龄及增加外来夹杂物。温度太低时(＜1500℃) , 炉渣流动性差, 钢渣间物化反应不能顺利进行, 脱氧、脱硫及钢中夹杂物上浮等都进行不好; 而且钢液成分不均匀, 影响化学分析准确性; 此外, 造成还原后期升温, 延长了冶炼时间, 增加了钢中夹杂物含量, 而且熔池温度不均匀, 上层温度高下层温度低, 出现降炉底的现象。还原期温度高低对合金元素的回收率、钢液成分的均匀性、分析试样的代表性均有较大影响。

降低钢中夹杂物

一方面, 最大限度地减少外来夹杂物。提高原材料的纯洁度, 加强氧化操作, 保证一定脱碳量及速度, 造成一个良好沸腾熔池, 脱碳有利于夹杂物上浮及排除。使用良好的炉体, 减少 MgO外来夹杂, 提高炉衬修砌质量。在冶炼高锰钢时, 保持一定的炉渣碱度, 避免过多使用萤石造低熔点渣, 以免侵蚀炉衬。防止混渣, 严禁与钢液容易粘附的电石渣出钢, 在出钢前 10 min内避免向炉内添加渣料或炭粉。防止混渣的主要措施是要有足够的镇静时间, 严禁出钢温度偏低而不镇静就进行浇注。此外, 还必须做好浇注过程中浇注系统的清洁干燥工作。

另一方面, 加强钢液的脱氧脱硫作业。高锰钢使用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的脱氧制度。在氧化末期或还原初期先进行预脱氧, 还原期采用扩散脱氧, 出钢前采用终脱氧操作。脱氧不良的高锰钢采用脱氧能力差的脱氧剂作终脱氧, 在炉内产生的夹杂物不多, 而冷却凝固产生二次脱氧物数量较大, 恶化了高锰钢的质量。用强脱氧剂（铝、钙等）为终脱氧剂, 在炉内产生大量的脱氧产物, 但易于上浮, 在凝固时产生的二次脱氧产物就少, 从而提高高锰钢的质量。高锰钢中硫化物夹杂含量主要取决于高锰钢中的含硫量, 高锰钢中硫降低得越低, 硫化物夹杂就越多。

高锰钢的合金化

高锰钢合金化的目的是细化铸态组织。铸态结晶组织往往比较粗大, 直接影响水韧处理后的最终组织。细化铸态组织常用的合金元素有稀土、Ca、N、Be及形成碳化物元素如Cr、V、T i、Mo、Nb等。形成碳化物元素可溶于奥氏体, 使高锰钢的力学性能提高, 耐磨性提高。生产中常用合金元素是Cr, 如ZGMn13Cr2应用在破碎机轧臼壁、破碎壁上,通过装机对比试验, 耐磨性提高了10%以上。冶炼过程中, Cr 铁在还原后期加入炉内, 若渣呈绿色, 说明脱氧不良, 必须加还原剂, 把渣中的氧化铬还原使铬重新进入钢中, 渣子又会变成白色, 这时铬的回收率可达 95%。

高锰钢的包内稀土变质处理

在出钢过程中向包内用冲入法加入一定量稀土合金和铝锭进行复合变质处理。这种处理方法对净化钢液、细化组织、消除柱状晶效果明显。其作用机理是, 一方面稀土元素与钢液中的氢、氧、氮作用形成稀土化合物进入渣中, 净化了钢液, 减少了氢脆等危害。另一方面, 稀土元素与MnO、FeO等形成高熔点的化合物, 这些高熔点的化合物先于奥氏体形成固态, 成为奥氏体结晶的晶核, 细化了奥氏体晶粒, 阻碍了粗大柱状晶的生长。另外稀土元素的作用使钢中夹杂物的分布发生了变化, 不加稀土时夹杂物 88%分布于晶界, 而经稀土变质处理后, 分布于晶界的夹杂物降到61%。

3 冶炼新技术的推广应用

氧化法炼钢。氧化法炼钢作为强化电弧炉冶炼的重要手段被广泛应用。在氧化法冶炼高锰钢熔化中后期, 通过向炉内吹氧以强化炉料快速熔化, 缩短熔化期时间, 降低熔化期的电耗, 同时对熔化末期提前形成良好的氧化渣有利。氧气使用得当, 在氧化期可将磷脱到0. 01%, 这一点对高锰钢的冶炼有着十分重要的意义。

炉内吹氮。还原期炉内吹氮是近几年针对高锰钢冶炼开发的一项新技术。特别是对不氧化法冶炼尤为重要。通过向熔池吹氮, 不但强化了熔池的传热条件, 加快了脱硫的过程, 更重要的是钢中夹杂物, 特别是> 20μm夹杂物明显减少。夹杂物总量可减少30%以上。同时对改善非金属夹杂物的分布也有作用。吹氮时钢液会吸收一部分氮气, 氮在高锰钢中有细化晶粒、提高强度等有利作用。