感應(yīng)電爐在高潔凈鋼鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　摘要：闡述了中頻感應(yīng)電爐熔煉的特點(diǎn)、潔凈鋼鑄件內(nèi)在質(zhì)量要求。中頻感應(yīng)電爐在潔凈鋼鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，對(duì)冶金質(zhì)量和生產(chǎn)工藝過程提出了更高要求。闡述了國(guó)內(nèi)鑄鋼件生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題。

　　徐致祥， 金屬加工(熱加工) 發(fā)表時(shí)間：2021-07-27

　　關(guān)鍵詞：潔凈鑄鋼件;中頻感應(yīng)電爐;鑄件生產(chǎn);工藝流程

　　1 序言

　　最新2035中國(guó)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(duì)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(duì)晶粒尺寸影響如圖1所示，不同強(qiáng)化機(jī)制對(duì)降低鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響如圖2所示。

　　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(gè)方面。

　　國(guó)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(guó)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(duì)結(jié)晶度影響如圖3所示。

　　圖3中，8個(gè)不同澆注過熱度溫度下，對(duì)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

　　Tc = T + ΔT 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。

　　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(dòng)，以及澆注二次氧化及包襯污染。

　　3)每個(gè)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(chǎng)狀況

　　5.1 國(guó)內(nèi)鑄鋼件生產(chǎn)狀況及存在問題

　　我國(guó)是鑄鋼件生產(chǎn)大國(guó)，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(guó)際市場(chǎng)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(guó)鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量，與歐美等先進(jìn)工業(yè)國(guó)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(gè)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)18Cr2NiMo不銹鋼的w P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(gè)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(guó)鑄造行業(yè)贏得鑄造市場(chǎng)高端產(chǎn)品的必經(jīng)之路。