稀土元素在铸钢生产中的作用.docx

为了提高铸钢的力学性能和改善铸钢的铸造性能，对许多钢种（碳钢和合金钢），特别是低、中、高合金钢，除加人常见的合金元素外，用稀土处理可取得很好的效果。我国稀土元素矿床丰富，稀土元素在铸钢（特别是合金钢）中的应用有着广阔的前景。稀十元素是指元素周期表中原子序数5771的镧系元素，包括性能相近的钪和钇共17个元素。它们性质极相似，极难分离。在铸钢生产中常用的有三种。稀土混合金属：为45%55%Ce（铈），22%80%La（镧），15%18% Nd（钕），约1%Pr（镨），其他稀土元素2%，Fe3%，及Si、Ca、Al等微量。稀+铁合金：20%40%Fe，其他为稀土混合物；或90%96%Ce，其余为Fe。稀土氧化物：80%左右的稀土氧化物，其余为杂质。稀土元素在钢中的作用有三个主要方面：净化钢液、改善铸态组织和合金化。三者的综合结果提高了铸钢的力学性能，改善了铸钢的铸造性能。（1）稀土元素对钢液的净化作用 指对钢液中的脱硫去气、去除非金属夹杂物的作用。脱硫作用。稀土元素是较活泼的金属元素，对O和S有较大的亲和力。生成的硫化物见表5-17。表5-17生成硫化物表硫化物名称熔点/%La2S321002150CeS20002200Ce2S32450硫化物名称熔点/%Nd2S31925FeS1193Mns1620生成的氧化物见表5-18。表5-18生成硫化物表氧化物名称熔点/%La2O32315Ce2O31690Nb2O32272氧化物名称熔点/%FeO1377Fe2O32050MnO1785稀土元素是强烈的脱硫剂，与硫的亲和力比Fe、Mn大得多，即进行下列反应。3FeS+2CeCe2S3+3Fe3MnS+2CeCe2S3+3Mn反应生成高熔点、难溶的稳定稀土硫化物和稀土硫化物的复合硅酸盐，聚集上浮入渣，从而达到去除钢液中硫的目的。其脱S率与钢液中原始含S量、化学成分、稀土加入量和加入方法、炉渣成分、炉衬材料以及熔炼方法和熔炼制度有关，约在20%80%范围内波动。如在酸性高频感应电炉内熔炼ZG35CrMnSi（其炉料原始S含量约为0.022%），加入占钢液03%Ce-Fe（含Ce95%）处理，脱S率为30%左右。去气作用。稀土元素（R或RE）与H和N，特别是O的亲和力很大，在钢液中极易形成稀土氢化物、稀土氮化物、稀土氧化物，从而稳定了钢中气体，减轻了气体在钢中的有害作用。RE具有强烈的脱O作用，能有效地降低钢中O含量。如在电弧炉熔炼碳素钢时，加入015%RE，可使O含量从0.01%降至0.003%以下，脱氧率为75%85%；H可降到23mL/100g；去N的作用情况不一，多数认为对钢中含N量的影响不大。去除非金属夹杂物。经RE处理后，残留钢中的非金属夹杂物数量减少尺寸变小、形状也趋于圆球状（球化）。如熔炼ZG15Mn时RE加人量为1.5kg/t钢液，非金属夹杂物量从0.0124%降到0.0014%。而对ZG37CrMnMoV，没有用RE处理前，其夹杂形状不规则，分布不均匀，沿晶界较粗大，大量为 MnO、MnS、FeS、FeO、硅酸盐等，加入RE（即0.5%Ce）处理后，夹杂成球状，分布均匀、成群且细小，为稀土氧化物、稀土硫化物及硅酸盐等复合化合物。正因为稀土元素和氧、硫形成稀土氧化物、稀土硫化物及硅酸盐等复杂稀土化合物，它们的熔点高、相对密度大，且互不相溶，因而在钢中呈细小均匀分布；同时，稀土氧化物和硫化物又可作为非金属夹杂物长大的核心，其他非金属夹杂物聚集到RE化合物核心上，因而逐步形成了复杂的、粗大的非金属夹杂物，这些夹杂物易于上浮，进而渣化，然后被清除。此外，RE还能与钢中的Pb、Sb、Bi、As等低熔点杂质元素形成高熔点化合物，从而消除了这些元素沿晶界分布所造成的脆性倾向。（2）稀土元素的变质作用 稀土元素的处理对钢的初次结晶有良好的影响在不同程度上细化了晶粒，清除了柱状组织和魏氏组织。但其结果也不一样，对铸造碳钢而言，稀土元素细化晶粒作用比较明显，对低碳钢尤为显著。如 ZG10 未加稀土前，铸态组织粗大，柱状晶发达；加人0.2%RE处理之后，组织细化，柱状晶基本消失。ZG35未加RE前，铸件常出现魏氏组织；加人015%RE处理后，魏氏组织可消除。但对Cr25Ni20，钢中加入0.5%时晶粒变粗；在ZGCr23Ni18中加入0.02%0.03%Ce才有细化晶粒的作用；在Cr-Ni-Mo钢中，加入0.3%RE时才有细化作用；ZG37Cr23MnSiMoV用 RE处理，则加人Ce含量0.4%时，其抗热裂性又下降。因此，对ZG35CrMnSi来说，加入01%0.3%Ce其抗热裂性可获得显著提高。其他钢种几乎也一样。稀土处理提高钢抗热裂性的原因：一般认为是去S和改变硫化物夹杂大小、形状分布，细化初次晶粒，消除树枝晶和柱状晶，以及改善钢的流动性等的综合结果。微量RE对铸钢的线收缩值没有明显的影响。