中頻爐熔煉高錳鋼工藝控制

葉　根,魯　菲

（1.金堆城鉬業(yè)集團(tuán)有限公司機(jī)電修配廠，陜西華縣 714102；2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西華縣 714102）

目前國(guó)內(nèi)礦山濕式球磨機(jī)襯板以高錳鋼為主，因高錳鋼韌性高，耐沖擊性能好，雖耐磨損性能和耐腐蝕性能不夠理想，可是高錳鋼的原材料來(lái)源豐富，有非常好的沖擊韌性和長(zhǎng)期的生產(chǎn)歷史，所以高錳鋼仍然是目前大中型粉磨設(shè)備中應(yīng)用最為普遍的耐磨材料[1]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于諸多因素的影響，普通高錳鋼經(jīng)常未能達(dá)到應(yīng)有的使用壽命而過(guò)早的失效。因此，如何進(jìn)一步提高高錳鋼的質(zhì)量是一項(xiàng)重要任務(wù)?，F(xiàn)就影響高錳鋼耐磨性因素及其對(duì)策重點(diǎn)介紹如下。

1　高錳鋼的生產(chǎn)

高錳鋼熔煉生產(chǎn)在3t中頻爐中進(jìn)行,中性爐襯,造渣材料采用專用造渣劑，每爐造渣、扒渣三次，采用快速熱電偶測(cè)溫,稀土硅鐵合金變質(zhì)劑,鋁錠終脫氧，3t茶壺包澆注。

2　工藝控制

2.1　化學(xué)成分

（1）碳：碳是決定高錳鋼是否耐磨的一個(gè)重要成份，它的含量變化將導(dǎo)致高錳鋼機(jī)械性能、耐磨性能及鑄造性能的變化。在一定范圍內(nèi)，耐磨性隨著碳含量的增加而升高。碳量一般控制在1.00%～1.35%之間。

當(dāng)高錳鋼中的碳含量在上限時(shí)，應(yīng)特別注意控制硅和磷的含量，硅應(yīng)取下限，磷應(yīng)盡可能低些。因?yàn)樵诟叩奶己繒r(shí)，硅元素能促進(jìn)碳化物的沿晶析出，也使得磷的危害性增大。

（2）硅：高錳鋼中的硅含量在0.4%內(nèi)可改善熱裂傾向，高的硅含量促使形成柱狀晶，增加熱裂傾向。在厚大斷面鑄件中，硅對(duì)韌性的危害有可能是災(zāi)難性的，硅能加強(qiáng)碳的偏析，使晶界碳化物增多，惡化韌性。當(dāng)硅含量小于0.3%時(shí)，鋼中脫氧程度難以達(dá)到要求，氧化夾雜物增多和鋼的韌性降低，裂紋傾向也增大。一般硅含量應(yīng)控制在0.35%～0.6%之間。

（3）錳：錳是保證高錳鋼獲得單一奧氏體組織的重要合金元素。與碳合理搭配能提高鋼的耐磨性和機(jī)械性能[2]。Mn/C>10，高錳鋼的耐磨性不但沒(méi)有提高，反而有所下降。含錳量高時(shí)，使高錳鋼鑄件初生奧氏體晶粒粗大而且易生柱狀晶。但錳碳比若過(guò)分降低時(shí)（Mn/C≤8），晶界上將大量出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。熱處理尚無(wú)法良好的予以消除，鑄件易產(chǎn)生裂紋，故Mn/C選用8～10。

（4）磷：磷在奧氏體中溶解度極低，常以Fe3P或Mn3P析出于晶界或以其它復(fù)雜共晶體污染晶界，使鋼的韌性急劇下降。此外磷可使奧氏體晶粒粗大并容易生成柱狀晶，大幅降低耐磨性和沖擊韌性值，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，磷元素每增加0.01%，沖擊韌性值就下降5～6J/cm2。降低鋼中磷含量是減少鑄造裂紋，防止使用中斷裂，提高耐磨性的重要措施。在實(shí)際生產(chǎn)中，限于錳鐵條件，一般將磷控制在0.06%以下。在鋼水溫度較低時(shí)（1450～1480℃），進(jìn)行流渣或者扒渣，以防高溫時(shí)磷元素返回鋼液中。

（5）硫：硫是鋼中另一個(gè)有害元素。硫不溶于鐵而以FeS的形式存在，F(xiàn)eS與Fe形成共晶（熔點(diǎn)989℃）并分布于奧氏體的晶界上，造成鋼的“熱脆”。但高錳鋼中錳含量很高，對(duì)硫的有害作用可起到減輕作用。硫含量一般控制在0.03%以下。

表1　化學(xué)成份　ωB/%

ZGMn13-1適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的耐磨鑄件,如襯板、齒板、破碎壁、斗齒等。ZGMn13-2適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高韌性鑄件，如電鏟斗前壁、格子板等。WK-4型電鏟鏟齒含碳量控制到1.25%～1.35%，每套鏟齒平均挖礦量為13萬(wàn)噸（礦石硬度f(wàn)=12～14）。例如成份（%）為 C：1.35；Mn：13.4；Si：0.41；S：0.003；P：0.06 時(shí)，挖礦量達(dá) 16.83 萬(wàn)噸；成分 （%） 為 C：1.27；Mn：12.4；Si：0.44；S：0.006；P：0.049時(shí)，挖礦量為14.63萬(wàn)噸。這說(shuō)明，在保證鑄件水韌處理工藝下，隨著含碳量的提高，耐磨性也隨之提升。

2.2　晶粒度

晶粒度愈細(xì)，做同樣的功所引起的加工硬化愈大。高錳鋼為等軸晶時(shí)，隨晶粒度由細(xì)變粗，其抗拉強(qiáng)度和延伸率顯著下降，而沖擊韌性影響不顯著[3]。當(dāng)高錳鋼出現(xiàn)柱狀晶時(shí)，隨柱狀晶所占鑄件斷面積比例增大，其抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊韌性均大大降低，而耐磨性能也降低。如在180×250高錳鋼齒板試驗(yàn)證明，晶粒度為2～3級(jí)的齒板比大部份為柱狀晶的齒板其使用壽命提高30%左右。

澆注溫度對(duì)高錳鋼晶粒度影響巨大，澆注溫度愈高，晶粒度愈粗大。枝晶嚴(yán)重，鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性愈低，高錳鋼裂紋敏感性也隨之增大。一般出鋼溫度控制在1500～1530℃左右時(shí)，鋼中夾雜物易上浮，吸氣不明顯，可提高合金純潔度，所以鋼的相對(duì)磨損量較低，使用壽命長(zhǎng)。低溫澆注可獲得細(xì)晶結(jié)構(gòu)。尤其是采用了外冷鐵，必須低溫澆注。高溫澆注使高錳鋼產(chǎn)生嚴(yán)重的柱狀晶，甚至出現(xiàn)穿晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鑄件在使用時(shí)開(kāi)裂。但澆注溫度也不能低于1430℃，過(guò)低的澆注溫度打亂了鑄件的順序凝固方式，會(huì)出現(xiàn)同時(shí)凝固，澆注時(shí)卷入的氣體、雜質(zhì)得不到排除。這些鑄造缺陷導(dǎo)致鑄件在使用過(guò)程中開(kāi)裂甚至出現(xiàn)內(nèi)裂紋。對(duì)普通大中型高錳鋼鑄件，澆注溫度一般控制在1450～1480℃。

另外，為消除柱狀晶組織，使晶粒達(dá)到3～4級(jí)，采用了懸浮澆注稀土粉的試驗(yàn)，加入0.2%稀土粉于鋼水中，得到全部細(xì)晶粒組織（晶粒度為4級(jí)）。加稀土后ZGMn13的機(jī)械性能、沖擊韌性、奧氏體原始顯微硬度都有所提高，RE加入量0.2%為宜。

2.3　碳化物

碳化物的存在嚴(yán)重地影響了鋼的機(jī)械性能和耐磨性能。當(dāng)鋼中晶粒度與夾雜物等級(jí)相近時(shí)，碳化物溶解越好，機(jī)械性能越高。高錳鋼晶粒度細(xì)小，但碳化物溶解不良，其機(jī)械性能比晶粒度粗大碳化物溶解良好者低。高錳鋼含碳量高，但碳化物溶解不良，其機(jī)械性能不及含碳量較低而碳化物溶解良好者。

同一爐次冶煉澆注，采用不同熱處理工藝生產(chǎn)的錘式破碎機(jī)錘頭，經(jīng)實(shí)際鑒定，碳化物為3級(jí)的錘頭，其單位平均磨損破碎礦石量要比碳化物為4級(jí)的錘頭高19.2%；同一爐次冶煉澆注，采用不同熱處理工藝生產(chǎn)的180×250齒板，經(jīng)實(shí)際鑒定，碳化物為3級(jí)的齒板，其平均單位磨損破碎礦石量要比碳化物為3.5級(jí)的齒板高12.9%。

2.4　夾雜物

鋼液中的夾雜物對(duì)鋼的性能影響程度是隨其類型、數(shù)量、大小及分布形態(tài)而定?？偟膩?lái)說(shuō)，高熔點(diǎn)、細(xì)小，均勻分布于晶內(nèi)的夾雜物即使數(shù)量多，也比那些數(shù)量雖少，但分布在晶界、粗大、低熔點(diǎn)夾雜物好得多。前者對(duì)鋼的機(jī)械性能與耐磨性能的影響比后者小，這是由于后者破壞了金屬的連續(xù)性。

夾雜物主要是氧化錳、二氧化硅、復(fù)合硅酸鹽、三氧化二鋁、硫化錳或稀土氧化物等[4]。如果鋼中含磷量較高，可能生成一種沿晶界分布的磷共晶夾雜物，這種夾雜物對(duì)鋼的機(jī)械性能與耐磨性影響很大。為此，應(yīng)盡量降低鋼中的含磷量。

爐渣脫氧良好與否主要根據(jù)渣中氧化鐵和氧化錳的總量來(lái)評(píng)定。脫氧不良的鋼中氧化錳的含量較高，它會(huì)使鋼的強(qiáng)度、塑性、耐磨性和抗熱裂的能力降低。例如鋼中加入0.01%～0.013%氧化錳，其耐磨性下降了50%，熱裂傾向提高了三倍。要求渣中氧化鐵含量小于0.5%，氧化鐵與氧化錳總量應(yīng)小于1.2%，出鋼前在爐內(nèi)插鋁終脫氧。

為獲得高質(zhì)量的鑄件，保證鋼水有足夠的鎮(zhèn)靜時(shí)間又是一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。因此要求出爐溫度控制在1500～1520℃范圍內(nèi)。這樣，既有利于鋼中夾雜物上浮，也有利于鋼液有足夠的鎮(zhèn)靜時(shí)間。

采用稀土合金對(duì)脫氧良好的鋼液進(jìn)行變質(zhì)處理，即在鋼包中充滿1/3鋼液時(shí)，向鋼液中添加0.3%的稀土合金進(jìn)行變質(zhì)處理，可有效減少夾雜物含量，改善夾雜物分布形態(tài)，縮小夾雜物尺寸，夾雜物形狀得到顯著細(xì)化和球化。

2.5　致密度

高錳鋼鑄件的致密度是影響鑄件耐磨性和使用壽命的極重要因素。因此鑄造工藝的設(shè)計(jì)尤為重要。

?3.6m×4m球磨機(jī)襯板的試驗(yàn)表示，采用平造型、平澆注的襯板，鑄件中心部位組織極壞。不僅有嚴(yán)重的縮孔、縮松，而且有柱狀晶，其使用壽命大都在5個(gè)月左右（一次球磨，礦石硬度f(wàn)=12～14）。后改為平造型斜澆注，基本消除了中心縮孔、縮松，使襯板的使用壽命平均提高25%左右。將各類襯板均改成平造型斜澆注的方式，即澆、冒口均處于傾斜的高位置上，有助于提高致密度。

對(duì)于壁厚在60mm以下的板形鑄件，可考慮不設(shè)置冒口。這種鑄件的澆注系統(tǒng)，采用分散的內(nèi)澆口，內(nèi)澆口的數(shù)量較多，截面積要小，形狀以扁薄形為宜，以避免在澆口前形成熱節(jié)。

另外采用外冷鐵，對(duì)加速鑄件凝固、細(xì)化晶粒、提高產(chǎn)品致密度、消除縮孔和縮松、減少冒口都有較好作用。通常外冷鐵的厚度為鑄件厚度的0.4～0.8倍。

3　結(jié)論

通過(guò)兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，某公司熔煉高錳鋼基本上以中頻爐替代了電弧爐，從成分、晶粒度、碳化物、夾雜物和致密度的控制使鑄件達(dá)到使用質(zhì)量要求。新工藝的開(kāi)發(fā)，既可降低相對(duì)于電弧爐的高能耗，又降低了操作難度，大大提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝敬佩,等.耐磨奧氏體錳鋼[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[2] 柳百成,等.中國(guó)材料工程大典[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[3] 袁獻(xiàn)文.高錳鋼的加工硬化特性及影響使用性能的因素[J].礦山機(jī)械,1980(4):50-58.

[4] 魏東,等.中頻爐熔煉中控制高錳鋼夾雜物的措施[J].熱加工工藝,2002(2):41-47.