高錳鋼是一種抗磨鋼,具有良好的強度和韌性,并能在大沖擊載荷作用下產(chǎn)生加工硬化,適用于強烈沖擊載荷的工況。某廠高錳鋼主要用于制造球磨機襯板、端襯、格子板、破碎機軋臼壁、電鏟斗齒等礦山機械。多年來,依托技術(shù)人員的不懈努力研究和工人在生產(chǎn)實踐中積累的經(jīng)驗,在高錳鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)中,已經(jīng)形成了一套行之有效的生產(chǎn)工藝,尤其是在冶煉技術(shù)方面對主要工藝的嚴格控制已為同行所認可。本文介紹高錳鋼冶煉工藝控制方面的生產(chǎn)經(jīng)驗,為提高高錳鋼產(chǎn)品的冶金質(zhì)量提供參考。

1冶煉生產(chǎn)條件

本廠高錳鋼冶煉在3t電弧爐中進行,鎂碳磚堿性爐襯,氧化劑是鐵礦石,還原劑是碳化硅粒,造渣材料是生石灰、螢石、石灰石等。測溫用快速熱電偶,變質(zhì)劑采用1#稀土合金,澆注采用5t漏底包。

2冶煉主要工藝的控制

磷的控制

在高錳鋼冶煉中降磷是技術(shù)重點之一,經(jīng)試驗總結(jié)出3種行之有效的操作方法。

①在高錳鋼返回料中配入20%的碳素廢鋼,使原材料的平均含磷量控制在0.06%-0.07%,對冶煉過程控制磷不超標起到保障作用。

②在熔化末期堅持流渣操作,至少換新渣三次以上,可降0.01%-0.03%的磷。氧化法冶煉在氧化前期,采用小塊礦石浮在渣面上提高渣中氧化鐵含量,去磷效果更明顯。

③在還原期控制回磷。首先控制還原期溫度不能偏高（＜1550℃）,另外在還原期使用優(yōu)質(zhì)、低磷中碳錳鐵。

錳碳比的控制

錳碳比是高錳鋼冶煉過程的一項關(guān)鍵控制因素,針對特定工件,合理的錳碳比決定了該鑄件韌性、耐磨性、強度、使用可靠性等性能。Mn/C＜10,使高錳鋼的韌性降低,使用中易于產(chǎn)生斷裂,嚴重影響選礦廠的正常生產(chǎn)。冶煉中Mn/C>10的有效辦法是嚴格控制還原期的增碳量,碳粉是傳統(tǒng)的擴散脫氧劑,但C含量經(jīng)常超標。為此,試驗用碳化硅作為擴散脫氧劑,在保證還原期鋼液質(zhì)量的情況下,C含量得到有效控制,Mn/C一直穩(wěn)定在>10,使襯板質(zhì)量得到穩(wěn)定。

還原期的控制

高錳鋼屬高碳、高合金的特殊鋼種,還原期的操作對鑄件的成品率及使用性能有較大影響,如果還原不徹底,較輕的后果是使鑄件在熱節(jié)部位產(chǎn)生縮孔,降低鑄件的力學(xué)性能,在使用中易于斷裂。嚴重的后果是使還原不良,出現(xiàn)漲鋼,使整爐鋼報廢。還原期操作應(yīng)注意以下幾點。

①快速變渣，進入還原期前首先要徹底扒凈氧化渣,因為經(jīng)過氧化期,鋼渣呈強氧化性,如果不扒凈氧化渣,會使渣中大量FeO轉(zhuǎn)入還原期,給還原期脫氧帶來困難,不僅脫氧劑消耗量增加,而且影響變渣速度,延長還原期時間。還原期采用二步造渣操作方法,即除渣后先加入造渣總量的75%~80%,并用大功率送電10min,使爐渣和鋼液有較高溫度,加速還原反應(yīng),縮短變渣時間。渣面形成后,先進行預(yù)脫氧插鋁,隨即加入塊狀沉淀脫氧劑錳鐵、硅鐵。薄渣形成后,第一批加入擴散脫氧劑量要大,占總量的2/3,硅鐵粉占總量的1/2,這時必須調(diào)整好渣的堿度、流動性,并加強攪拌。第二步造渣要求能較準確的控制渣量及流動性,調(diào)整完渣量后,加入第二批脫氧劑補充脫氧,這時爐渣應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘自?/p>

②還原期應(yīng)采用大渣量。還原渣的主要作用是吸收鋼液中的硫及脫氧產(chǎn)物等雜質(zhì),渣量大,爐渣還原情況穩(wěn)定,鋼的脫氧、脫硫效果好。另外爐渣也起著保護鋼液的作用,防止鋼液吸收氣體。渣量大,出鋼時渣能較好保護鋼液同出,互相沖洗,進一步去硫并減少鋼液二次氧化,凈化鋼液。渣量過少渣況不穩(wěn)定,渣子忽黃忽灰,脫氧效果差,嚴重時蓋不住鋼液面,特別是在推渣攪拌時更易暴露鋼液面,這樣使吸氣增加,造成鋼液在脫氧時再次氧化,延長了冶煉時間,且脫氧效果不佳。

③還原期要封閉好爐子并保持爐氣的還原性氣氛，還原期操作要將爐子封閉好,目的是要使爐外空氣不進入或少進入爐內(nèi),保護爐內(nèi)有足夠的還原氣氛。如果爐外空氣隨意進入爐內(nèi),則爐內(nèi)氣體氧化性增加,使渣鋼進一步氧化,降低了加入的還原劑的作用效率,造成變渣困難,同時還原氣氛也不易保持。因此,在還原期應(yīng)注意將爐子密封好，除分析、攪拌、測溫等操作外,要關(guān)閉爐門。還原期進行到一定時間后,還原氣氛減弱,爐內(nèi)還原反應(yīng)就不再進行。此外,爐外空氣不斷進入爐內(nèi),破壞了爐內(nèi)還原氣氛。要維持爐內(nèi)氣氛和爐渣的還原作用,就要不斷地補加還原劑,即經(jīng)常均勻地加入還原劑,但每次加入量不能過多,要根據(jù)渣況和冶煉鋼種成分而定。為避免加還原劑而使鋼液增碳、增硅,甚至造成夾雜,加入還原劑后出鋼的時間不宜過短,防止鋼液增碳、增硅。

④白渣脫氧應(yīng)保持一定時間,并做到白渣下出鋼。白渣脫氧是根據(jù)擴散脫氧原理進行的。其原理是:在一定的溫度下,鋼液和鋼渣中氧的濃度比是一個常數(shù),用還原劑將渣中氧還原,降低其濃度后,則鋼液中的氧就不斷地向爐渣中擴散,從而達到脫掉鋼中氧的目的。擴散脫氧的過程比較慢,需要有一定的時間。因此用白渣脫氧必須使鋼液在白渣下保持一定時間，一般不小于30min，使鋼液中的氧充分擴散到爐渣中去。如果出鋼時渣子是灰色(電石渣),說明渣中CaC2含量高。CaC2能使爐渣粘度增加,出鋼時爐渣能很強地粘附在鋼液中,不易分離,帶進鑄型中就增加了鋼中雜質(zhì),同時使鋼液增碳。如果黃渣下出鋼,則說明鋼液脫氧不良,不僅會使鋼液中的合金元素氧化損失,而且會污染鋼液,可見要求在白渣下出鋼對凈化鋼液的重要作用。

⑤還原期的溫度控制，溫度過高(＞1550℃),爐渣變稀,使白渣不穩(wěn)定,容易變黃,鋼液脫氧不良且容易吸氣;同時對爐襯侵蝕嚴重,影響爐齡及增加外來夾雜物。溫度太低時(＜1500℃),爐渣流動性差,鋼渣間物化反應(yīng)不能順利進行,脫氧、脫硫及鋼中夾雜物上浮等都進行不好;而且鋼液成分不均勻,影響化學(xué)分析準確性;此外,造成還原后期升溫,延長了冶煉時間,增加了鋼中夾雜物含量,而且熔池溫度不均勻,上層溫度高下層溫度低,出現(xiàn)降爐底的現(xiàn)象。還原期溫度高低對合金元素的回收率、鋼液成分的均勻性、分析試樣的代表性均有較大影響。

降低鋼中夾雜物

一方面,最大限度地減少外來夾雜物。提高原材料的純潔度,加強氧化操作,保證一定脫碳量及速度,造成一個良好沸騰熔池,脫碳有利于夾雜物上浮及排除。使用良好的爐體,減少MgO外來夾雜,提高爐襯修砌質(zhì)量。在冶煉高錳鋼時,保持一定的爐渣堿度,避免過多使用螢石造低熔點渣,以免侵蝕爐襯。防止混渣,嚴禁與鋼液容易粘附的電石渣出鋼,在出鋼前10min內(nèi)避免向爐內(nèi)添加渣料或炭粉。防止混渣的主要措施是要有足夠的鎮(zhèn)靜時間,嚴禁出鋼溫度偏低而不鎮(zhèn)靜就進行澆注。此外,還必須做好澆注過程中澆注系統(tǒng)的清潔干燥工作。

另一方面,加強鋼液的脫氧脫硫作業(yè)。高錳鋼使用沉淀脫氧和擴散脫氧相結(jié)合的脫氧制度。在氧化末期或還原初期先進行預(yù)脫氧,還原期采用擴散脫氧,出鋼前采用終脫氧操作。脫氧不良的高錳鋼采用脫氧能力差的脫氧劑作終脫氧,在爐內(nèi)產(chǎn)生的夾雜物不多,而冷卻凝固產(chǎn)生二次脫氧物數(shù)量較大,惡化了高錳鋼的質(zhì)量。用強脫氧劑（鋁、鈣等）為終脫氧劑,在爐內(nèi)產(chǎn)生大量的脫氧產(chǎn)物,但易于上浮,在凝固時產(chǎn)生的二次脫氧產(chǎn)物就少,從而提高高錳鋼的質(zhì)量。高錳鋼中硫化物夾雜含量主要取決于高錳鋼中的含硫量,高錳鋼中硫降低得越低,硫化物夾雜就越多。

高錳鋼的合金化

高錳鋼合金化的目的是細化鑄態(tài)組織。鑄態(tài)結(jié)晶組織往往比較粗大,直接影響水韌處理后的最終組織。細化鑄態(tài)組織常用的合金元素有稀土、Ca、N、Be及形成碳化物元素如Cr、V、Ti、Mo、Nb等。形成碳化物元素可溶于奧氏體,使高錳鋼的力學(xué)性能提高,耐磨性提高。生產(chǎn)中常用合金元素是Cr,如ZGMn13Cr2應(yīng)用在破碎機軋臼壁、破碎壁上,通過裝機對比試驗,耐磨性提高了10%以上。冶煉過程中,Cr鐵在還原后期加入爐內(nèi),若渣呈綠色,說明脫氧不良,必須加還原劑,把渣中的氧化鉻還原使鉻重新進入鋼中,渣子又會變成白色,這時鉻的回收率可達95%。

高錳鋼的包內(nèi)稀土變質(zhì)處理

在出鋼過程中向包內(nèi)用沖入法加入一定量稀土合金和鋁錠進行復(fù)合變質(zhì)處理。這種處理方法對凈化鋼液、細化組織、消除柱狀晶效果明顯。其作用機理是,一方面稀土元素與鋼液中的氫、氧、氮作用形成稀土化合物進入渣中,凈化了鋼液,減少了氫脆等危害。另一方面,稀土元素與MnO、FeO等形成高熔點的化合物,這些高熔點的化合物先于奧氏體形成固態(tài),成為奧氏體結(jié)晶的晶核,細化了奧氏體晶粒,阻礙了粗大柱狀晶的生長。另外稀土元素的作用使鋼中夾雜物的分布發(fā)生了變化,不加稀土?xí)r夾雜物88%分布于晶界,而經(jīng)稀土變質(zhì)處理后,分布于晶界的夾雜物降到61%。

3冶煉新技術(shù)的推廣應(yīng)用

氧化法煉鋼。氧化法煉鋼作為強化電弧爐冶煉的重要手段被廣泛應(yīng)用。在氧化法冶煉高錳鋼熔化中后期,

通過向爐內(nèi)吹氧以強化爐料快速熔化,

縮短熔化期時間,

降低熔化期的電耗,

同時對熔化末期提前形成良好的氧化渣有利。氧氣使用得當(dāng),

在氧化期可將磷脫到0.01%,

這一點對高錳鋼的冶煉有著十分重要的意義。

爐內(nèi)吹氮。還原期爐內(nèi)吹氮是近幾年針對高錳鋼冶煉開發(fā)的一項新技術(shù)。特別是對不氧化法冶煉尤為重要。通過向熔池吹氮,

不但強化了熔池的傳熱條件,

加快了脫硫的過程,

更重要的是鋼中夾雜物,

特別是>20μm夾雜物明顯減少。夾雜物總量可減少30%以上。同時對改善非金屬夾雜物的分布也有作用。吹氮時鋼液會吸收一部分氮氣,

氮在高錳鋼中有細化晶粒、提高強度等有利作用。

鋼包吹氬。鋼包吹氬是高錳鋼爐外精煉的一個重要手段。在鋼包底部安放透氣磚向鋼液中吹入氬氣,

可以減少鋼液中非金屬夾雜物數(shù)量,

減少鋼中氣體含量,

達到凈化鋼液、提高鋼液質(zhì)量的目的。

以上這些冶煉新技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用,

會使高錳鋼的冶金質(zhì)量進一步提高。

4

結(jié)論

①冶煉過程的關(guān)鍵控制因數(shù)是: