高质量铸钢件的冶炼工艺方法研究.pdf

高质量铸钢件的冶炼工艺方法研究唐庆伟（杭州汽轮铸锻有限公司，浙江杭州311106）摘要：介绍了高质量铸钢件的冶炼工艺，分析铸钢的基本概念、高质量铸钢件的冶炼技术等关键内容，提出高质量铸钢件的冶炼工艺控制策略以及铸钢件质量检查要点，以期为提升铸钢件产品质量提供借鉴。关键词：铸钢件；冶炼；工艺中图分类号：TF703文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0063-030引言随着我国社会发展的步伐加快，社会各行业的生产技术及水平也得到了相应的提高，对铸钢件的持续开发与生产，铸钢件的生产与使用比重也随之提高。为了在激烈市场竞争中立足，企业必须提高冶炼技术和铸钢件制造技术1。在铸钢件制造中要达到高质量生产，就要根据企业的实际情况，深入研究铸钢材质的特性，探讨铸钢冶炼工艺，科学地选择生产方法，创新生产工艺，提高铸钢件的生产质量，充分发挥铸钢零件耐高温、强硬度、强抗压能力等特点，为我国铸钢行业的长期稳定发展作出贡献2-3。1铸钢的基本概念铁水是用来生产铸铁的，当铸件强度较大，用于铸造生产的铁材料供给不足，铸铁生产不能满足零件实际生产要求时，可以根据实际需要应用铸钢生产技术手段。用来制作钢件的钢液与用来制作铁件的铁液相比较，其流动性要比用来制作铁件的铁液要低，在浇铸时要特别注意铁件的厚度和形状，控制好矿物元素含量的上限，能有效提高钢液的流动性。铸钢件按种类和应用可分为四大类，即普通铸钢件、焊接用铸钢件、不锈钢、耐热性铸钢件4。2高质量铸钢件的冶炼技术随着铸钢制品的品种越来越多，质量要求也越来越高，对钢液中的气体含量和非金属夹杂进行控制，以及铸钢中的气孔、热裂纹、脆性裂纹等冶金缺陷进行分析，这两个方面都是影响冶炼质量的重要因素，也是铸造企业提高产品质量的关键。根据研究发现，选择合适的冶炼炉，采用真空冶炼技术，可以有效减少冶炼过程中的气体含量和非金属夹渣物含量。在此基础上，探索无真空条件下铸造钢的冶炼技术，可以有效提高铸造钢的质量。铸件在实际生产中对其冶炼工艺的要求很高，在生产前期准备阶段，要按照铸钢零件的使用特点选择最科学的冶炼工艺来进行零件的生产和制造，这是铸钢零件生产成功的基础。在铸钢件的实际生产阶段，要根据生产操作要求，选择合适的冶炼工艺和方法，特别是要对原材料废钢的使用进行严格控制，并对生产过程和原材料作好记录，便于出现问题时可以及时检查。电渣熔体因其组织致密、纯度高、成分均一，可用于高综合性能的毛坯制作。美国、德国、瑞典等国家的电渣重熔设备和技术较为成熟，在航空航天、军工、核电等领域得到了广泛应用。在热平衡计算、渣系开发等理论中，国内已有许多原创性研究，沈阳铸造厂将电渣熔铸技术应用于水轮机导流叶片的生产，其杂质元素含量低、组织致密、材料利用率高，使其塑韧性、抗疲劳、抗空化等性能得到明显改善。以电渣连铸、可控气氛及液态电渣浇注为代表的电渣重熔冶金新技术，与钢铁冶炼过程密切融合，具有广泛的应用前景。消失模铸造技术以其近无余量、精确成形等特点，在形状复杂的管状、箱体和缸体类等得到广泛应用，多用于耐磨、耐热和耐腐蚀等铸钢件。在此基础上，提出了一种适用于熔融状态下熔融金属液体与泡沫模具之间的气体扩散、传热、熔融的数学模型，为充型凝固提供了理论依据。为了解决铸造过程中的碳化问题，在降低泡沫模型中碳含量的同时，也逐渐普及使用了一些新的消失模铸造技术，如富氧燃烧技术、负压燃烧空壳铸造、排碳法以及无膜密封。由于对中大型化、高综合性能的铸钢产品需求的日益增长，使得该技术进入了高速发展阶段，并将在先进工艺、新型泡沫模具材料、材料组分设计、合成涂层、废气环保净化及智能制造等领域开展深入研究。3高质量铸钢件的冶炼工艺控制LF 精炼是在钢水脱氧之后出现的。宝钢在 EAF出钢过程中进行脱氧，BOF 是在 RH 中脱氧合金化，当钢水进入 LF 工位时，其溶解氧质量分数已达 3.010-5。LF 精炼过程中通过向渣中添加扩散脱氧剂，使得渣中氧和钢中氧快速降低，使得 LF 精炼后期钢水中溶 wO小于 1.00-3，渣中 w（FeO）为 0.1%0.5%，收稿日期：2023-04-20作者简介：唐庆伟（1971），男，浙江桐庐人，技师，从事铸钢件生产技术相关工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.024行业纵横山西冶金E-mail:第 46 卷如果使用钡系脱氧剂，钢中氧 wO可达（23）10-4，渣中 w（FeO）低于 0.04%。LF 精炼终点为典型的炉渣化学组成。实验结果表明，该工艺在低流化床中具有良好的还原和脱磷条件。此外，LF 精炼工艺高温，使用还原脱磷效果好于氧化脱磷；使用 Al-Ca-Ca 合金可避免过多的钙汽化流失；使用 Mg 系耐火材料可将还原脱磷对炉衬的腐蚀减至最小。因此，LF 精炼钢中的还原脱磷是切实可行的，而且还能降低钢中硫的含量。结果表明，该钢的氧化率为（113）10-6，平均为5.2710-6，在不使用泡沫渣法的情况下，钢中的 w（N）为（020）10-6，平均为 6.4310-6。对于含氮量有严格控制的钢种，要按照所需冶炼时间，加入 34 批次的发泡剂，冶炼过程中不加入铝。4铸钢件质量检查大型铸钢件的铸造工艺复杂、生产周期长、工序多，难免会出现一些铸造缺陷。这些缺陷都会对铸件的外观和内部品质造成不同程度的影响，从而对铸件的服役性能产生一定的影响。要得到高质量的大尺寸铸钢件，就必须对其进行标准化的检测，在铸造产品的质量检测过程中对其进行尺寸检测、机械性能检测和非破坏性检测，是实现其生产过程优化与质量控制的重要手段。目前，在大型铸钢件中常用的测量方法是手工测量和三维划线仪。然而，现有的测量手段存在精度低、效率低、容易产生人工误差和计算误差等问题，严重制约了铸钢件的生产效率。同时，随着大中型铸钢件的尺寸和形状设计日趋复杂，对其质量提出了更高的要求，传统的尺寸测试已经不能适应大中型铸钢件的尺寸测试需求。近年来，我国在大型铸钢件的尺寸测试方面取得了很大进展，并将光学和智能空间坐标技术应用到了实际生产中，由于该方法具有精度高、效率高、可实现对数据的自动拟合和计算等优点，正在逐步替代传统方法。在铸造过程中常用的探伤方法有磁粉探伤、超声波探伤、X 射线探伤等。采用磁粉法对试件进行无损检测，仅能对试件的表层缺陷进行无损检测，无法对试件内部缺陷进行无损检测。超声波探伤对被测物体的表面平整度有很高的要求，而且缺陷不能直接显现出来。低能 X 光摄影法也有不足之处，如穿透力差、探测效率低、阅片和文件的管理较繁琐。而已经应用到生产中的铸钢件高能 X 射线数字化辐射成像系统（DR）拥有穿透能力强、检测速度快、判定直观方便、数字化档案管理方便等优势，可以实现对铸钢件内部缺陷的快速、实时、在线检测，但存在图像重叠等缺陷，难以实现对更高精度的探测与测量，将工业 CT 与DR 技术联用，则可解决上述缺陷。基于该技术的高能量密度工业 CT/DR 检测技术，在实现铸钢件内表面质量快速、高精度检测方面有着广阔的应用前景。磷是钢中一种重要的有害元素，它对钢的延展、低温冲击等性能有较大影响，能使钢中极易出现冷脆现象。与脱硫不同，除磷需要在低温高碱、高氧化环境中进行。除磷过程分为前处理、转炉和二次精炼三个阶段。在铁水前处理阶段，采用的工艺方法虽然生成的渣量很少，但首先要进行脱硫，会有一定的温度损耗，同时转炉冶炼的废钢比例也不能过高。由于在转炉中拥有良好的搅拌条件，钢渣很容易被分离出来，但也要求有过高的温度、渣量和氧位。在二次精炼过程中渣量很小，但由于要加热钢水，在脱氧之前要先去渣，因此会产生一定的温度损失。脱磷要求在高氧、高碱度熔渣、低温、强搅拌的环境下进行，实践表明，尽管转炉冶炼过程的脱磷效果很好，但不能一次造渣，无法将磷降到标准要求，因此在生产超低磷钢时，脱磷要分两步进行，首先是铁水预处理和转炉吹炼，其次是转炉初脱磷和转炉深脱磷。在钢材中溶出的氢气是产生缩孔、白斑、发裂和各种气泡等缺陷的根本原因，而氢的存在使得钢水的强度极限、断面收缩率、伸长率、冲击韧度等性能下降，特别是后两者的性能下降幅度较大，钢中氢气则会严重影响钢的使用性能，目前洁净钢的 w（H）一般不超过 210-6。在线加氢的原理是利用循环泵将氮气注入到钢水中使其在钢水中流动，同时将其中的氢气分散到循环气体中，并将其吸入到通气管中循环往复，直到氮气与氢气达到饱和。在此基础上，对氢分压进行了分析，确定了钢水中的含氢量。通常情况下，要测定氢气需要采样并送交化验室，需要较长的时间，因此不能作为一种常用的测定方法用于实际生产中。在线测氢系统可在 4070 s 内完成钢水含氢量的测定，为炼钢人员提供可靠的含氢量数据，对实际生产具有一定的指导意义。国内外转炉冶炼工艺中去除夹杂物的主要方法之一就是吹氧脱碳，在吹氧脱碳时产生的 CO 和 CO2等气体会将夹杂物带入钢水中，使钢水中的夹杂物悬浮起来，继而可以实现对钢水的净化。根据多年生产经验，如果脱碳量超过 0.4%，可以将钢液中 80%的夹杂物除去。但在吹氧脱碳过程中氧不可能 100%与碳发生反应，还需要与其他元素发生反应，例如与 Fe、Si、Mn、Cr 等元素发生反应，生成 FeO、SiO2、MnO、64窑窑2023 年第 9 期参考文献1李忠义.X70 和 X90 管线钢强韧性能优化研究D.北京：北京科技大学，2021.2周民，杜林秀，衣海龙，等.X80 管线钢落锤撕裂性能的影响因素分析J.钢铁研究学报，2009，21（9）：33-36.3熊雪刚，张开华，龚慧，等.控轧控冷工艺对 L415M 管线钢组织性能的影响J.金属热处理，2019，44（7）：46-50.4张志波，刘清友，张晓兵，等.加热温度对管线钢奥氏体晶粒尺寸和铌固溶的影响J.钢铁研究学报，2008（10）：36-39.（编辑：郭萍茹）Research and Optimization of Low Temperature Drop Weight Properties of X52M ThickPipeline SteelWang Hao,Gao Xiaoyao,Chen Yanghua,Liu Yang,Wang Haochuan,Li Tiegong,Zhang Jiangchao（Tangshan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063016,China）Abstract:Aiming at the problem of unstable drop hammer performance of X52M thick pipeline steel at low temperature，by use of OM andSEM,this paper compares and analyzes samples with and without acceptable drop hammer performance.The effects of grain size andprecipitates on the drop hammer performance were studied.It was found that the grains were relatively coarse，with a small proportion ofacicular ferrite，a large amount of polygonal ferrite and pearlite，and a large amount of carbide precipitation were the reasons for the unstabledrop hammer performance.Thus,it optimizes the composition.The dynamic CCT curve of X52M was measured through Gleeble thermalsimulation test，and the hot rolling process was optimized.Actual production has shown that the optimized drop weight performance of thickgauge pipeline steel X52M has a shear tear area of 100%under conditions of 0 and-20.Under the condition of-40,the sheartear area of the falling hammer is 80%.Key words:drop hammer performance;organization;precipitate（上接第 37 页）Cr2O3等氧化物及其复合氧化物，这些都是内生氧化物夹杂的主要来源。在吹氧脱碳结束之后，会对钢液展开还原，而还原产物通常会形成 SiO2，Al2O3等氧化物或其复合的氧化物，这些还原产物就是内生夹杂物还原产物的主要组成部分。对于高纯度钢，在冶炼时要加强对氧的控制，可以通过顶底复吹转炉来降低氧含量，之后再使用无渣出钢，和铝保护渣、结晶器保护渣来对钢液进行脱氧，并提高炉渣氧位，这样可以有效防止二次氧化。其次，在高纯钢的冶炼工艺中应加大对含硫量的控制，关注钢中硫的存在形态，以硫化物为主，此状态易引起钢坯开裂以及影响钢的抗腐性，并对钢的韧性产生一定的冲击，要科学控制硫的含量，首先要对其进行冶炼，在冶炼的过程中对铁水进行脱硫，之后再对金属液和炉渣的氧含量等进行保护；其次在冶炼过程中要注重脱硫，特别是二次精炼的钢水脱硫，通常可以采用合成渣脱硫，也可以通过喷粉、加热造渣、对吹氩搅拌方式进行脱硫，需要注意炉渣和金属液中的氧要保持低含量，另外，在冶炼过程中还需要对二次钢水和转炉钢水进行脱硫。5结语以目前的生产环境，如果不采用真空冶炼设备，要想提高冶炼工艺，就需要工作人员在加强技术研究的同时，还要严格遵循工艺和生产的操作规程。在选择冶炼工艺时，应依据铸钢件的形状和组织特点科学合理地选择冶炼工艺，在生产制造中指定专业的管理人员对各环节进行严格监管，从而实现高质量铸钢件的生产和制造。参考文献1晁博嗣，纳学洋，马进，等.冷却速率对大型铸钢件用 CrMoV 材料冲击性能的影响J.中国铸造装备与技术，2021，56（6）：45-48.2杨永强，欧阳建国，郑春雷.大型铸钢件多次补焊试验研究J.大型铸锻件，2021（5）：32-33.3李渊，涂伟.应用 CATIA 软件进行铸钢件建模及放样J.广船科技，2021，41（2）：44-45.4刘宇，谯建春，李明生，等.位移幅值对 ZG230-450 铸钢微动磨损行为的影响J.机械工程材料，2021，45（7）：46-50.（编辑：杨光辉）Research on the Smelting Process of High Quality Steel CastingsTang Qingwei（Hangzhou Steam Turbine Casting and Forging Co.,Ltd.,Hangzhou Zhejiang 311106,China）Abstract:This article introduces the smelting process of high-quality steel castings,analyzes the basic concept of steel castings,the smeltingtechnology of high-quality steel castings,and other key contents.It proposes the smelting process control strategy and key points for qualityinspection of high-quality steel castings,in order to provide reference for improving the quality of steel castings.Key words:steel castings;smelting;workmanship唐庆伟：高质量铸钢件的冶炼工艺方法研究65窑窑