VCD技術在鋁脫氧鋼中的應用

巴鈞濤　高建軍(中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

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VCD技術在鋁脫氧鋼中的應用

巴鈞濤高建軍
(中國一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

摘要:針對某典型鍛件前期試制中無損檢測不合格問題，采用真空碳脫氧( VCD)和鋁脫氧方式相結合，使鋼錠氣體含量、夾雜物評級結果及宏觀偏析都得到了明顯改善。大大提高了鋼錠冶金質量，鍛件無損檢測合格率達100%。

關鍵詞:鋼錠; VCD;鋁脫氧;夾雜物

真空碳脫氧( VCD)技術是通過鋼液在真空下的碳氧反應，提高鋼液中碳的活性，使鋼液中氧含量降低的一種方法。我公司電站類產品鍛件大多數采用此類脫氧方法，對于含硅、含鋁鋼種的鍛件，則采用硅脫氧、鋁脫氧的方式進行脫氧。我公司在某重點含鋁鋼產品的試制中，前期采用硅和鋁脫氧，鍛件無損檢測不合格，解剖時發(fā)現了大量的夾雜物密集區(qū)。后期通過采用真空碳脫氧和鋁脫氧結合的方法，降低成分硅含量，生產出了高質量的毛坯，無損檢測合格率達100%。

1　工藝路線

某典型鍛件前期的試制中，工藝路線為電爐粗煉+ LF爐精煉( VD) +真空澆注( VT)。精煉時采用硅脫氧和鋁脫氧相結合的方式，鍛件在無損檢測時出現缺陷。后期在煉鋼過程中采用了VCD和鋁脫氧結合的方式，降低了硅含量，工藝路線改為電爐粗煉+ LF爐精煉( LVCD) +真空澆注( VCD)，既保證了性能，又提高了無損檢測合格率。

2　 VCD技術對鋁脫氧鋼錠冶金質量的影響

鋼錠的主要缺陷在宏觀上主要表現為表面裂紋、縮孔疏松、氣體、夾雜物及宏觀偏析等。對于鋁脫氧鋼，采用真空碳脫氧技術后，鋼錠氣體含量、潔凈度及宏觀偏析都發(fā)生了不同程度的變化，而對表面裂紋和縮孔、疏松幾乎不產生影響。

2．1對氣體含量的影響

2．1．1脫氫

殘留于鋼中的氫是鍛件形成白點的主要原因，而且還使鋼產生氫脆現象。采用VCD及鋁脫氧復合脫氧方法，需要將鋼中硅含量降低到0．10%以下，從而更好的發(fā)揮真空下碳的脫氧作用。有文獻［1］報道，當硅含量小于0．11%時，鋼中的最終含氫量受硅的影響較小;而當硅含量大于0．11%時，隨著硅含量的提高，最終氫含量迅速提高。本文也得到了相同的結論。前期高硅(硅、鋁脫氧)和后期降低硅含量( VCD +鋁脫氧)后鋼錠平均氫含量的統計結果如圖1所示。

從圖1可以看出，采用前期工藝路線鋼錠平均氫含量要高于后期16．7%左右。這主要是因為后期降低硅含量后，精煉和鑄錠時發(fā)生了真空碳脫氧反應，生成的CO氣泡運動引起鋼液的物理攪拌，增加了脫氣面積，從而獲得了良好的脫氫率。

2．1．2脫氧

通過對18爐的氧含量進行對比發(fā)現，低硅下采用真空碳脫氧和鋁脫氧與高硅下硅脫氧和鋁脫氧的效率相比，低硅下真空碳脫氧的效率更高。這主要是由于高真空度下，碳的脫氧能力強于鋁和硅。如圖2所示，低硅下鋼錠平均氧含量要低于高硅下17．6%左右。

圖1　前期和后期鋼錠平均氫含量對比Figure 1　 The comparison of average hydrogen contents of ingot in early period and late period

圖2　前期和后期鋼錠平均氧含量對比Figure 2　 The comparison of average oxygen contents of ingot in early period and late period

2．1．3脫氮

對于氮含量不作為成分要求的鋼種，有資料［2］報道，真空碳脫氧的氮含量在( 10～30)× 10－6之間，而真空除氣鋼的氮含量則處于( 40～70)×10－6之間。我公司該類重點鍛件用鋼化學成分中需含有一定量的氮保證強度，同時與鋁結合形成氮化鋁在奧氏體晶界析出，從而達到細化晶粒的目的。精煉時，用氮化合金來控制鋼液中的氮含量。采用VCD技術后，在真空澆注過程中，由于發(fā)生碳氧反應，氮被吸附在CO氣泡中部分排除。經統計，低硅下的真空碳脫氧除氣比較高硅下的真空除氣除氮效率要高出15%左右。

2．2對夾雜物含量的影響

對前期無損檢測不合格的鋁脫氧鋼鍛件進行解剖，發(fā)現了大量的夾雜物密集缺陷，主要為硅酸鹽及三氧化二鋁夾雜。鋼錠中的大多數夾雜物來源于內生夾雜，而內生夾雜物的主要成分取決于脫氧方法。硅和鋁脫氧時，產生的二氧化硅、三氧化二鋁和鋁硅酸鹽等夾雜在鋼錠鍛壓加工過程中，容易與基體金屬之間產生空隙，在應力作用下，將形成顯微裂紋。降低硅含量，采用鋁脫氧和真空碳脫氧，可以有效避免硅的脫氧產物生成，減少鋼液中的硅酸鹽夾雜。且真空碳脫氧通過降低CO的分壓，使鋼液中的C和O不斷反應，鋁脫氧夾雜物在生成的CO氣泡帶動下上浮后，與石灰生成的12CaO·7Al2O3為低熔點穩(wěn)定相，在精煉溫度下具有較好的流動性。12CaO·7Al2O3具有很高的堿度和Al2O3含量，因而具有較強的脫硫能力和吸附鋁脫氧產物的能力。在精煉過程中還可配加大量石灰，進一步提高其脫硫能力［3］。此外，對于鋼液動力學條件來說，生成的夾雜物是否可以有效上浮可以通過斯托克斯公式判定。

v = 218r2( Dm－Ds) /η( 1)

式中v——夾雜物顆粒上浮速度( cm/s) ;

r——夾雜物的顆粒半徑( cm) ;

Dm——鋼液的密度( g/cm3) ;

Ds——夾雜物的密度( g/cm3) ;

η——鋼液粘度( Pa·s)。

從式1可以看出影響夾雜物上浮的主要因素是夾雜物的半徑、鋼液與夾雜物的密度差及鋼液的粘度。但鋼液對夾雜物的潤濕性對夾雜物能否有效上浮具有很大的影響。鋼液里熔融狀態(tài)的硅、錳復合脫氧產物能被鋼液充分潤濕，盡管按定律它們能夠上浮，但實際上浮困難，而不易被鋼液潤濕的固體Al2O3等夾雜，盡管尺寸小，但能夠很快上?。?］。采用硅、鋁脫氧與采用VCD和鋁脫氧不同方式下鍛件的金相夾雜物評級結果見表1。

從表1可以看出，采用VCD和鋁脫氧方式結合后，非金屬夾雜物的評級總和降低了2級，Al2O3夾雜降低了0．5級，硅酸鹽夾雜從2．5級降低到1級。其中，A為硫化物夾雜，B為氧化鋁夾雜，C為硅酸鹽夾雜，D為球狀氧化物夾雜。

2．3對偏析的影響

采用VCD和鋁脫氧方式結合后，鋼錠的宏觀偏析顯著降低。主要原因有:一是采用VCD工藝，鋼錠硅含量降至0．10%以下，縮小了凝固范圍;二是從微觀上分析低硅時，枝晶結構較細，二次枝晶增加的適當，形成有序的結構，枝晶結構截面的任何部位均密實，而高硅形成的枝晶結構較疏松［5］。對鍛件冒口端取下的橫向試樣做成分分析，前期高硅和后期低硅C、Mn、Mo的最大值與最小值的差值見表2。

從表2可以看出，高硅下C、Mn和Mo的成分變化值要高于低硅下的變化值。由此不難發(fā)現采用真空碳脫氧和鋁脫氧結合的方式，鋼錠偏析減弱，鍛件的均質性大大提高。

表1　夾雜物評級結果Table 1　The result of inclusion grade

表2　高硅和低硅下冒口端成分變化［6］(質量分數，%)Table 2　The change of chemical composition at the riser under the condition of high silicon and low silicon ( mass fraction，%)

3　結論

( 1)采用VCD技術后，鋼錠氫、氧、氮平均含量在原來硅、鋁脫氧方式的基礎上分別降低了16．7%、17．6%和15%左右。

( 2)金相夾雜物評級結果表明鋁脫氧鋼采用VCD技術后，夾雜物總含量在硅、鋁脫氧鋼的基礎上降低了2級，硅酸鹽夾雜降低了1．5級，氧化鋁夾雜降低了0．5級，硫化物夾雜和球狀氧化物夾雜無變化。

( 3)采用VCD技術后，減少了鋼錠的宏觀偏析，冶金質量有了明顯的改善，鍛件的均質性大大提高。

參考文獻

［1］蔡康謂，何寧軍．真空碳脫氧工藝參數對3．5NiCrMoV鋼的影響．大型鑄鍛件，1993( 4) :6－12．

［2］G．E．Danner，E．Dyble，Deoxidising steels by Vacuum Metal progress．1961:75．

［3］王書桓，等．12CaO·7A12O3型精煉合成渣物性與脫硫試驗．河北理工學院學報，2001，23( 3) :9－13．

［4］康大韜，葉國斌．大型鍛件材料及熱處理．北京:龍門書局出版社，1998，40．

［5］田中泰彥，等．汽輪機超純鋼低壓轉子的制造．大型鑄鍛件，1992( 2)，57－63．

［6］趙艷紅，高建軍，王歡．低Si冶煉對鍛件用鋼錠冶金質量的影響．經濟技術協作信息，2011，14( 150)．

編輯傅冬梅

Application of VCD Technology in Aluminum Deoxidation Steel

Ba Juntao，Gao Jianjun

Abstract:Aiming to the unqualified problem of some typical forging in nondestructive test during trial－manufacture，vacuum carbon deoxidation method ( VCD) and aluminum deoxidation method are combined to make gas content，inclusion grade and macroscopic segregation of ingot achieve obvious improvement．The metallurgy quality of ingot has been improved and the qualified rate of nondestructive test for forging is 100%．

Key words:steel ingot; VCD; aluminum deoxidation; inclusion

收稿日期:2014—09—17

文獻標志碼:A

中圖分類號:TF769．4