易切削1215MS鋼精煉工藝優(yōu)化及實踐

ZHANG Wei, ZOU Hu, ZHAO Wenyuan, CHEN Yong-feng, ZHANG Li-qiang, ZHANG Chao-jie, ZHAO Ao-nan

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本文針對前期開發(fā)1215MS鋼種時，LF精煉過程控制不穩(wěn)定的問題，分別從鋼水[Mn]、[S]含量的精確控制、穩(wěn)定精煉過程鋼水氧含量、優(yōu)化精煉渣組成及造渣制度三個方面有針對性的采取措施進行控制。優(yōu)化后的LF精煉工藝，精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量更容易控制，鋼水[Mn]/[S]提高至3.5～3.7；精煉過程鋼水自由氧含量穩(wěn)定在50×10-6～70×10-6范圍內(nèi)，精煉結(jié)束時鋼水自由氧含量控制在60×10-6左右；精煉渣二元堿度提高至2.3～2.6，精煉渣中Al2O3含量提高至12～14，盤圓中B類夾雜物級別有明顯降低。

易切削鋼因具有良好的機械加工性能而得到了廣泛的應(yīng)用，如向鋼中單獨或者復(fù)合加入某些易切削元素S、P、Pb、Se、Te、Bi 等可提高切削性能[1-3]。硫是易切削鋼的關(guān)鍵元素，廣泛應(yīng)用在各類易切削鋼中，國外硫系易切削鋼的比例為70%，我國硫系易切削鋼的占比達90%以上。我國生產(chǎn)的易切削鋼與國外的相比，還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在質(zhì)量、精度和夾雜物的類型、數(shù)量以及形態(tài)控制技術(shù)上。夾雜物的類型、數(shù)量以及形態(tài)控制不好，導(dǎo)致切削加工性能和力學性能不能達到用戶的要求[4-6]。

1215MS在美標1215的基礎(chǔ)上提高了錳、硫元素含量，屬于高氧高硫易切削鋼。易切削鋼冶煉過程關(guān)鍵工藝主要是鋼中錳硫含量及氧含量的控制，某廠前期開發(fā)1 215MS鋼種時，由于LF精煉過程控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致鑄坯表面質(zhì)量及盤圓產(chǎn)品的切削性能不一致。為此，本文通過對LF精煉過程存在的問題進行分析，有針對性地優(yōu)化精煉過程工藝，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量以滿足客戶需求。

生產(chǎn)工藝存在的問題

1215MS鋼成分及生產(chǎn)工藝流程

國內(nèi)某廠生產(chǎn)硫系易切削鋼1215MS鋼(化學成分見表1)的生產(chǎn)工藝流程為：120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬站→120 t LF爐精煉→180 mm×180 mm連鑄坯(十機十流)。

表 1 1215MS鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

LF精煉主要工藝要點及存在的問題

LF精煉主要操作要點：鋼水進站后加入150 kg白灰及30 kg電石進行埋弧造低堿度精煉渣；鋼水溫度升高至1580℃以上進行測溫、取樣、定氧操作，根據(jù)鋼水成分補加硫鐵、磷鐵和低碳錳鐵合金；LF精煉過程鋼水自由氧含量控制在35×10-6～60×10-6，當鋼水自由氧含量高時，加入鋁鐵進行控氧(每12 kg鋁鐵降低鋼水自由氧含量10×10-6)，LF精煉結(jié)束時鋼水自由氧含量控制在45×10-6～55×10-6。

LF精煉過程存在的問題：(1)精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量波動大，補加合金頻繁，合金回收率低且不穩(wěn)定；(2)精煉過程鋼水自由氧含量波動大，個別爐次精煉過程出現(xiàn)鋼水自由氧含量低于30×10-6，精煉結(jié)束時鋼水自由氧含量波動大，穩(wěn)定在45×10-6～55×10-6的比例較低；(3)精煉終渣堿度偏低，對Al2O3、硅酸鹽類夾雜物的吸附效果不好，另外，精煉渣發(fā)泡性不好，通電過程不能達到埋弧加熱效果。

精煉工藝優(yōu)化措施

鋼水[Mn]、[S]含量的精確控制

MnS夾雜物是影響易切削鋼切削性能的主要因素，在切削加工時，MnS夾雜物割斷了基體的連續(xù)性，作為應(yīng)力集中源使車屑易斷，并在刀具與加工件之間形成潤滑和保護作用，降低了刀具的磨損，從而延長了刀具的壽命，并改善被加工件的表面粗糙度。鋼中硫化物主要以(Fe、Mn)S固溶體形式存在，在鋼中存在Mn的情況下，S優(yōu)先與Mn形成MnS，過多的S或嚴重偏析的S再與Fe形成FeS、FeS2或兩者共晶體，即[Mn]/[S]直接影響到MnS及FeS、FeS2的生成比例[7]。生產(chǎn)實踐表明，[Mn]/[S]最佳控制范圍為3.5～4.0。

鑒于前期開發(fā)時LF精煉進站鋼水[Mn]、[S]含量偏低，精煉過程合金回收率低且不穩(wěn)定，造成增加鋼水[Mn]、[S]含量的控制難度大。因此，優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)爐爐后鋼水[Mn]、[S]成分的目標含量：

(1) 考慮到LF精煉過程S損在0.03%～0.06%，提高轉(zhuǎn)爐爐后鋼水[S]含量目標值到0.38%～0.43%；(2)提高轉(zhuǎn)爐爐后鋼水[Mn]含量目標值到1.34%～1.40%；

(3) 控制LF精煉結(jié)束時[Mn]/[S]在3.5～4.0。

穩(wěn)定LF精煉過程鋼水氧含量

在易切削鋼中，為得到好的硫化物夾雜形態(tài)，除了保證合適的[Mn]/[S]比，還要保持鋼中有一定的氧含量，氧含量的增高可使硫化物呈粗短的紡錘形，有利于鋼的切削性能。研究表明，當氧含量高時，在早期凝固過程中鋼中形成了大量的Mn-Fe-O系氧化物顆粒，這些氧化物構(gòu)成硫化物結(jié)晶的異質(zhì)核心，促進硫化物在高溫時呈球狀析出，對切削性能有利[8]。Eeghem等[9]給出了Al脫氧鋼中氧含量與硫化物形態(tài)之間的定量關(guān)系。當[O]＞0.012%時，生成單項球形第Ⅰ類硫化物；當0.008%＜[O]＜0.012%時，生成共晶扇形或鏈狀第Ⅱ類硫化物；當[O]＜0.008%時，生成不規(guī)則第Ⅲ類硫化物。對于易切削鋼來說，鋼中的硫化物的理想形態(tài)為紡錘狀或近似球狀，即以第Ⅰ類硫化物形式存在。鋼水中過高的氧含量會導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)表面針孔和皮下氣泡缺陷[10]，綜合考慮鑄坯質(zhì)量和切削性能，確定鑄坯全氧含量控制在120×10-6～140×10-6。

為解決LF精煉過程氧含量波動大的問題，采取的優(yōu)化措施主要包括：(1)轉(zhuǎn)爐出鋼過程每爐加入300 kg硅錳和300 kg鋁鐵進行預(yù)脫氧，控制轉(zhuǎn)爐吹氬站鋼水氧含量在60×10-6～80×10-6；(2)LF精煉前期鋼水溫度升高至1580 ℃以上再進行定氧測溫，LF精煉過程鋼水自由氧含量控制在50×10-6～70×10-6，當鋼水自由氧含量高時，調(diào)整為加入硅鐵進行控氧(每12 kg鋁鐵降低鋼水自由氧含量5×10-6)，LF精煉結(jié)束時鋼水自由氧含量控制在60×10-6左右，以保證鑄坯全氧含量控制在120×10-6～140×10-6。

優(yōu)化LF精煉渣及造渣制度

1215MS鋼屬于低碳高氧高硫易切削鋼，其精煉渣與其他還原性渣冶金功能有一定的區(qū)別[11]：

(1) 渣中需保持一定比例的FeO、MnO與鋼水中的氧平衡；

(2) 保持合適的精煉渣堿度，以降低渣的脫硫率，同時又具備吸附鋼水中Al2O3、硅酸鹽類夾雜物的能力；

(3) 有利于埋弧發(fā)泡，減少加熱過程電極熱輻射對鋼包爐襯的侵蝕[12]。

由于前期開發(fā)過程精煉終渣堿度偏低、渣量偏少問題，本次優(yōu)化精煉造渣措施主要是提高精煉過程白灰加入量至200～300 kg，電石50 kg，并在精煉渣面加入30 kg鋁粒。另外，通電過程加入50 kg碳化硅進行擴散脫氧，提高精煉頂渣的發(fā)泡性，改善通電加熱到埋弧效果。

工藝優(yōu)化后的效果

鋼水[Mn]、[S]含量變化及[Mn]/[S]比

從表2可以看出，工藝優(yōu)化前LF精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量變化范圍大，主要是因為LF精煉進站時鋼水[Mn]、[S]含量低，造成LF精煉過程需要補加大量的硫鐵合金和錳鐵合金，增加LF精煉工序負擔。通過采用優(yōu)化后的工藝措施，LF精煉進站時鋼水[Mn]、[S]含量明顯提高，LF精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量波動范圍變小，LF精煉過程調(diào)整合金成分的負擔變小。另外，工藝優(yōu)化后鋼水的[Mn]/[S]更容易控制在較小范圍內(nèi)，LF精煉結(jié)束時鋼水[Mn]/[S]由優(yōu)化前的3.1～3.6提高至優(yōu)化后的3.5～3.7。

表 2 LF精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量變化及精煉結(jié)束鋼水[Mn]/[S]比

鋼水自由氧含量及鑄坯全氧含量

從表3可以看出，工藝優(yōu)化前LF精煉過程鋼水自由氧含量波動范圍較大，部分爐次精煉過程鋼水自由氧含量甚至低于30×10-6，造成精煉過程需要開大翻加入氧化鐵皮對鋼水進行增氧(每30 kg氧化鐵皮增加鋼水氧含量6×10-6)，增加LF精煉工序負擔且影響生產(chǎn)節(jié)奏。優(yōu)化工藝后，LF精煉過程鋼水自由氧含量穩(wěn)定在50×10-6～70×10-6范圍內(nèi)，精煉結(jié)束時鋼水自由氧含量穩(wěn)定在60×10-6左右。另外，工藝優(yōu)化后的鑄坯T[O]含量也由優(yōu)化前的76.9×10-6～100.4×10-6提高至121.8×10-6～130.7×10-6。

表 3 LF精煉過程及結(jié)束時鋼水自由氧含量及鑄坯全氧含量變化

盤圓硫化物夾雜形貌及分布

圖1為優(yōu)化工藝前與優(yōu)化工藝后的鑄坯軋制φ16 mm的盤圓硫化物夾雜形貌。從圖中可以看出，優(yōu)化工藝前的盤圓硫化物夾雜尺寸較細長，分布較密集，而優(yōu)化工藝后的盤圓硫化物夾雜尺寸短粗，分布較彌散。對于易切削鋼來說，短粗狀硫化物夾雜在軋制過程中可不易變形，對改善其切削性能非常有益，而偏細長狀硫化物使鋼材的橫向機械性能惡化，降低切削加工性能。

圖1 盤圓硫化物夾雜形貌：(a) 優(yōu)化前；(b) 優(yōu)化后

為進一步清楚地表征不同工藝對夾雜物形態(tài)的影響，利用Image Pro Plus軟件對每個盤圓試樣的10個200倍視野進行統(tǒng)計，對比結(jié)果見表4。

表 4 不同工藝條件下盤圓硫化物夾雜的統(tǒng)計

從表4可以看出，優(yōu)化前工藝條件下盤圓硫化物夾雜平均面積和等效直徑均低于優(yōu)化后工藝條件下的盤圓，而夾雜物密度高于優(yōu)化后工藝條件下的盤圓，這表明優(yōu)化前工藝條件下盤圓硫化物夾雜數(shù)量較多，且直徑較小，優(yōu)化后工藝條件下盤圓硫化物夾雜數(shù)量較少，且直徑較大。

精煉渣組成及B類夾雜物級別

1215MS鋼屬于高氧高硫易切削鋼，LF精煉過程鋼水很容易生成氧化物夾雜，如果精煉渣吸附夾雜物能力不理想，造成該類大顆粒氧化物殘留在鋼水中，最終影響產(chǎn)品的切削性能。某廠前期開發(fā)1215MS鋼過程盤圓B類夾雜物級別偏高，為此，后續(xù)優(yōu)化精煉工藝通過提高精煉渣堿度，以及加入鋁粒進行擴散脫氧，提高精煉渣對B類夾雜物的吸附能力。

表5列出了不同工藝條件下的精煉渣組成及對應(yīng)的盤圓中B類夾雜物級別。從表中可以看出，工藝優(yōu)化后精煉渣二元堿度由優(yōu)化前1.9～2.2提高至2.3～2.6，精煉渣中Al2O3含量由工藝優(yōu)化前9～10提高至12～14。另外，工藝優(yōu)化后的盤圓中B類夾雜物級別也有明顯降低。

表 5 不同工藝條件下精煉渣組成及B類夾雜物級別

結(jié)束語

基于某廠開發(fā)1215MS易切削鋼時LF精煉過程中存在的問題，有針對性地優(yōu)化了前期開發(fā)的LF精煉工藝主要操作要點，有效解決了穩(wěn)定鋼水[Mn]/[S]比、鋼水自由氧含量及降低B類夾雜物等技術(shù)難點。

(1) 通過調(diào)整轉(zhuǎn)爐爐后鋼水硫鐵、錳鐵合金的加入量，減少了LF精煉過程頻繁加入合金調(diào)整成分的現(xiàn)象，LF精煉結(jié)束時鋼水[Mn]/[S]由優(yōu)化前的3.1～3.6提高至優(yōu)化后的3.5～3.7。

(2) 通過分步脫氧的方式，轉(zhuǎn)爐爐后鋼水進行預(yù)脫氧，LF精煉過程鋼水自由氧含量穩(wěn)定在50×10-6～70×10-6，鑄坯全氧含量控制在120×10-6～140×10-6。

(3) 通過提高精煉渣堿度，以及加入鋁粒進行擴散脫氧，提高精煉渣對B類夾雜物的吸附能力，工藝優(yōu)化后的盤圓中B類夾雜物級別有明顯降低。