感應電爐在高潔凈鋼鑄件生產中的應用

　　摘要：闡述了中頻感應電爐熔煉的特點、潔凈鋼鑄件內在質量要求。中頻感應電爐在潔凈鋼鑄件生產中的應用是一個系統工程，對冶金質量和生產工藝過程提出了更高要求。闡述了國內鑄鋼件生產現狀及存在的問題。

　　徐致祥， 金屬加工(熱加工) 發表時間：2021-07-27

　　關鍵詞：潔凈鑄鋼件;中頻感應電爐;鑄件生產;工藝流程

　　1 序言

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

　　2 感應電爐熔煉的優缺點

　　2.1 優點

　　1)熔煉工藝穩定。具有電磁攪拌功能，金屬液溫度和化學成分均勻，元素燒損小。

　　2)采用爐底吹惰性氣體精煉，流槽出鋼，氣體保護澆注，可基本實現無氧化熔化澆注。

　　3)原料潔凈時對鋼液和環境污染小。

　　4)采用感應加熱中間包澆注可準確控制澆注溫度，無渣及澆注壓力控制。

　　2.2 缺點

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

　　2)用于鑄鋼，要求入爐前嚴格控制原材料化學成分和原料潔凈度。

　　3 鑄鋼件冶金質量

　　鑄鋼件冶金質量具有三項超高指標：超細組織(細晶化)、高純凈度、高均質度。

　　3.1 晶粒細化

　　晶粒細化是各種強化機制中唯一既能提高鑄鋼件的強度和韌性，又能降低韌脆轉變溫度的方法。微合金元素Nb、Ti、V等在鋼中與C、N、O等有極強的親和力，可形成穩定的強碳化物、氮化物，通過析出質點，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，在實際生產中已能得到最小平均鐵素體晶粒尺寸為5～10μm。同時所形成的碳化物沉淀強化鐵素體，因而可有效提高鑄鋼件的強度。

　　微合金元素加入量對晶粒尺寸影響如圖1所示，不同強化機制對降低鋼韌脆轉變溫度的影響如圖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，以及爐料的銹蝕、油污或水分等3個方面。

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

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

　　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 高均質度

　　實現鑄鋼件結晶組織等軸晶化是高均質度主要關鍵。通過控制澆注溫度過熱度及澆注壓力達到組織等軸晶化。以Cr12鐵素體不銹鋼鑄件為例，澆注溫度過熱度對結晶度影響如圖3所示。

　　圖3中，8個不同澆注過熱度溫度下，對結晶組織的影響：隨著澆鑄過熱度的升高，細小等軸晶組織逐漸減少，粗大柱狀晶組織逐漸增多。當過熱度為20℃時，組織全部為等軸晶;當過熱度為50℃ 時，表層開始出現細小的柱狀晶;當過熱度分別為 55℃、60℃、70℃和80℃時，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;當過熱度為90℃時，表層的柱狀晶更加發達;當過熱度為140℃時，柱狀晶組織異常發達，鑄態坯由貫穿的柱狀晶組成。

　　3.4 鋼液澆注溫度的計算方法

　　鋼液進入型腔時的溫度即澆鑄溫度。

　　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，由鋼的化學成分決定;二是鋼液的過熱度即超過凝固溫度的值。

　　計算公式為

　　Tc = T + ΔT 式中 Tc ——澆注溫度(℃); T—— 液相線溫度(℃); ΔT——鋼液的過熱度(℃)。

　　4 優質潔凈鑄鋼件的生產系統

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

　　該感應電爐熔煉及澆注生產工藝優點如下：

　　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成分偏析。

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

　　需注意的是，感應電爐生產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 國內鑄鋼件生產狀況及存在問題

　　我國是鑄鋼件生產大國，產量約占世界總產量 50%以上，但是鑄鋼件銷售價格僅為國際市場價的 1/4 ~ 1/3。很多單位僅用感應電爐熔化廢鋼澆注鑄鋼件，無任何精煉手段。我國鑄鋼件的內在質量，與歐美等先進工業國家相比還有很大差距。

　　5.2 潔凈鋼生產工藝在高強度低合金鋼(HSLA)鑄件生產中的應用

　　1)高強度低合金采用Nb、Ti、V等元素進行微合金化(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過程中因鋼液都處在惰性氣體保護中等措施而獲得良好的強度、韌性、耐蝕性，獲得成形性與焊接性相結合的鑄鋼件優良綜合性能。

　　2)以細化晶粒和析出強化效應，獲得了高達 600 ~800MPa的屈服強度和良好的韌性。

　　3)高強度低合金鋼由于生產高效，節約合金元素，向大氣釋放CO2量少，因此被廣泛應用于橋梁、建筑、船舶、車輛、石油及輸油管道等各種工程用結構鑄件。

　　4)超潔凈鋼的性能：超純鐵的耐腐蝕能力與金(Au)、鉑(Pt)相當。

　　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 結束語

　　1)要實現鑄造生產優質、高效、節能和環保的目標，應從優化整個熔煉直至澆注系統設計著手。

　　2)高純凈鋼鑄件的生產，是中國鑄造行業贏得鑄造市場高端產品的必經之路。