铸钢业界的重要课题--生产清洁钢 - 文章

铸钢业界的重要课题--生产清洁钢

作者：中国铸造协会李传栻

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近十多年来，生产清洁钢一直是各国铸钢业界广泛关注的问题，为进行这方面的研究，花费了可观的时间、金钱和人力。对于铸钢业界，生产清洁钢的含义是：加强脱氧和防止出钢和浇注过程中的二次氧化，从而减少钢中和铸件表面上的氧化物夹杂。说起来，这是个老问题，搞铸钢的谁都知道，但实际上大多数同仁对此并无切实的认识和了解。

据国外所作的统计分析，铸钢件的直接生产成本中，表面清理费用约占20%，其中，大部分是用于清除和焊修氧化夹杂缺陷的。

美国铸钢研究学会（SFSA）自1985年起进行了大量研究工作，从各类铸钢件（包括碳钢件、低合金钢件和中高合金钢件）中取样500件以上，作研究分析，结果表明：铸钢件表面上的宏观夹杂的来源如下：

l 83%是由于钢液脱氧不好和二次氧化；
l 14%来自造型材料；
l 2%来自炉渣；
l 1%来自耐火材料。

因此，铸钢件表面上形成宏观氧化物的主要原因是钢的清洁度不够好。从而，铸造用钢的清洁度，可用每吨铸件表面上需清除的宏观夹杂物的体积来衡量，也可以用每吨铸件修补所用的焊条量来衡量。

当然，钢中微观夹杂物的数量，形态及分布状况也与其清洁度相关，但其影响较小。

在许多铸钢厂现场所作的调查表明：不同炉次之间的铸件，每吨铸件修补所需的焊条量差别很大；同一炉次所浇注的铸件，从最先浇注的到最后浇注的，每吨铸件的焊条用量差别不大。而且，铸件上宏观夹杂物多的炉次约占20~25%。这说明：熔炼方面容易失控的变数较多，而浇注过程中的变数较少。

铸钢件中也会含有其他杂质，如硫化物和氮含量等，但是，钢中的氮含量可以通过脱碳沸腾可靠地加以控制，碱性炉炼钢控制含硫量也不成问题，而且钢中硫化物的情况也与脱氧有关。因此，加强脱氧和防止二次氧化是当前铸钢业界所面对的重大问题之一。

一．钢的脱氧

使钢脱氧方法很多，所用的脱氧剂也不一而足，这里只谈及主要的脱氧作业，即最终脱氧。

1．铝脱氧

由于铝的脱氧能力强，对钢中FeO的溶有量影响很大，影响钢中铁-氧-硫三元素的平衡，因而对钢中硫化物的数量、形态及分布状况都有很大的影响。

在炼钢温度下，氧化物和硫化物在钢中都有一定的溶解度，在钢液凝固过程中，因氧化物和硫化物溶解度的变化，会按一定的规律析出非金属夹杂物。所以，钢中的"非金属夹杂物"并不都是混杂在钢中的异物。

只用硅-锰脱氧，或加铝量很少，钢中残留铝量极低时，钢中溶解的氧较多。此时，硫化物的溶解度下降，在钢液凝固初期，就有硫化物或以硫化物为主的硫氧复合化合物析出。这样形成的硫化夹杂物是较大的、分布不规的近球形夹杂物，即第I类硫化物夹杂。这类夹杂物对钢的韧性影响很小。但是，在此种条件下，铸件中的晶粒粗大，而且很难避免气孔、针孔等疵病。实际上，此种工艺是不可取的。

加铝量较多，钢中残留铝量为0.01-0.03%时，钢中氧的溶有量很低，硫化物在钢中的溶解度增大，不在钢液的凝固初期析出，而在稍后钢液温度进一步下降后，以硫化物与铁的共晶形式析出，分布在晶界上，呈连续网状，即第II类硫化物夹杂。在此情况下，钢的韧性显著下降。此种工艺也不可取。

加铝量够多，钢中残留铝量在0.04%以上时，铝会和硫生成Al2S3。Al2S3又与硫化铁（锰）形成复合硫化物，其在钢中的溶解度很低，在钢的凝固初期析出。这种情况下，硫化物是尺寸较大、形状不太圆、分布也不规则的夹杂物，即第III类硫化夹杂物。这种夹杂物对钢的韧性影响也不大。

钢终脱氧所用的铝量，是考虑其脱氧效果和对硫化物的影响而确定的。不加铝则钢不能完全脱氧；加铝量太少，则钢既不能有效地脱氧，又不能细化晶粒；加铝量多，但不超过每吨钢0.7kg，则有招致第II类硫化物的危险。因此，作为最终脱氧剂的铝，用量一般是每吨钢0.8~1.2kg。

从前面谈到的几点，对加铝量下限（每吨钢0.8kg）的确定是不难理解的。那么，铝既然是很好的脱氧剂，多加些岂不更好？为什么要规定加入量的上限呢？

第二次世界大战初期，发现有的铸钢件在调质（淬火加回火）后脆断，断口为石状或冰糖状。由于其后果是灾难性的，立即成为研究的课题。起初还以为是"氢脆"，到1947年才确认此种缺陷的主要原因是氮化铝析出。AlN可以溶于钢液，在铸钢件凝固的后期，在较低的温度下沿晶界析出呈网状，致使铸件脆断。由于铝的脱氧效果好，铸钢厂为确保铸件不出气孔，随意多加的事是十分常见的。同时，电弧炉炼的钢含氮量较高，一般为100ppm左右，如脱碳沸腾作业不佳，还会高于此值。在钢中残留铝量高、含氮量高的情况下，铸件就易于发生石状断口脆断。我国的铸钢厂中，这种情况也并不鲜见。因此，严格控制加铝量的上限，是十分必要的。

在这里顺便还要说一说，发生石状断口脆断并不只限于经调质处理的低合金钢铸件，经正火、回火的马氏体不锈钢铸件也可出现，还有报道说，低碳钢铸件也发生过此种脆断。此外，虽然AlN析出是造成石状析口脆断的主要原因，但也不是唯一的原因，沿晶界析出的硼化物，碳化物或硫化物也都可以使铸件发生脆断。脆断总与晶界缺陷有关。

每一家铸钢厂都要在炼钢时加铝，也都会加铝。但是，如果问加铝的工艺是否妥当？加铝的收得率是否稳定？恐怕会有不少的铸钢厂难以回答。铝的密度不及钢液的1/2，在炉中加铝，除采用插入方式外，容易裹在钢渣中不易与钢液作用。如果所用的铝块大小不一，就更难有稳定的效果。为了严格控制钢中残留铝量，国外有的铸钢厂不用铝而用含Al35%左右的铝铁合金。铝铁合金的密度约为6.15g/m3，比钢渣的密度高，与钢液的密度相近。虽成本略高，但脱氧效果好而且稳定。

2．复合脱氧剂脱氧

到目前为止，铸钢厂所用的复合脱氧剂，都以硅和钙为主要成分。

60多年以前，就有人注意到钙在钢中的脱氧作用。钙在钢中溶解度很小，但它与氧、硫的亲和力都很强。在钢的脱氧过程中，钙和铝有互补增益的共同作用，很像硅和锰的共同作用。氧化钙可以和氧化铝复合成易熔的铝酸钙，甚至在炼钢温度下可以是液相，见附图。

附图 CaO-AL2O3相图

钙使钢液脱氧的同时，还能与溶于钢中的夹杂物中的氧反应，降低钢中硫化物的溶解度，使其在钢液的凝固初期析出，呈球状，对钢的力学性能影响很小。

用钙脱氧虽有很多好处，但实施时却有不少困难。钙的沸点为1492℃，密度仅是钢的1/5，在炼钢温度下，不仅会漂浮在钢渣表面上，而且很快就会气化、挥发。所以，在炼钢条件下用钙脱氧，必须配合其他元素降低其活性，以避免过多的烧损。

硅是可以降低钙的活性的元素，又是良好的脱氧剂，又是铸铁的孕育剂，所以，硅钙合金量是最常用的钙合金。对于铸铁而言，硅钙合金是最佳的处理剂。但是，在炼钢温度下，硅钙合金中的钙，其活性仍然过高。钢中加硅钙，反应很激烈，效果不稳定。

以一定量的钡代替硅钙合金中的钙，能显著降低钙的活性，可使之适用于炼钢。在此条件下，钡是一种缓冲剂。美国联合碳化物公司早已生产硅-钙-钡合金作为供炼钢用的复合脱氧剂。

前已经谈到，钙和铝配合使用有相补增益的效果，所以，硅-钙-钡合金和铝配合使用效果会更好。为现场使用方便起见，联合碳化物公司20多年前就生产一种名为"Hypercal"的硅-钙-钡-铝合金，供炼钢用。用硅-钙-钡-铝合金复合脱氧时，其加入量按加铝0.05%计算。
目前，我国也有硅-钙-钡-铝合金生产。国外用的几种含钙合金和我国的硅-钙-钡-铝合金的成分列于下表，供参考。

几种常用的含钙合金的化学成分（%）

合金	Ca	Si	Ba	Al	Fe
国外常用的硅钙合金	28-32	60-65	--	--	--
硅-钙-钡合金（Calsibar）	14-17	57-62	14-18	--	<5
硅-钙-钡-铝合金（Hypercal）	10-13	38-40	9-12	19-21	<7
我国硅-钙-钡-铝合金（YB/T 067-1995）	≥12 ≥9 ≥6	≥30 ≥35 ≥40	≥9 ≥9 ≥ ≥12	≥16 ≥12 ≥8	--

当然，硅-钙-钡-铝合金价格比铝贵，加入量也比铝多，生产一般铸件的铸钢厂，不一定要采用。严格控制加铝量也能得到清洁程度较好的钢。

二．防止二次氧化

与铸铁相比，铸钢的碳、硅含量低得多，而浇注温度却高150℃以上。所以，在出钢和浇注过程中金属的二次氧化比铸铁严重得多，铸钢件的表面质量差主要与此有关。铸钢厂通常都用铝脱氧，脱氧产物（Al2O3）的粒径一般为5μm左右。二次氧化所形成的氧化物，能与氧化铝作用，使之长大成为复合的宏观氧化物夹杂。

1．二次氧化的氧源

使钢液二次氧化的氧，主要来自以下几方面。

出钢和浇注时，钢液暴露于空气中，而且紊流的钢液会卷入为量可观的空气，这是钢液被二次氧化的主要原因，根据模拟研究的结果，仅就浇注而言，每浇注1吨钢液，就可卷入空气0.07m3，造成氧化物夹杂10cm3。

氧的第二个重要来源是钢渣。如果炼钢后期脱氧不好，钢渣中含FeO量太高，出钢时钢和渣发生强烈的混拌，使钢液二次氧化。

如修筑出钢槽和浇包的耐火材料品质不好，其中一些氧化物可能被钢液中某元素还原，使钢液氧化。或者，耐火材料中的某些氧化物可能与钢液中已形成的氧化物结合，从而使宏观夹杂物增多。

此外，浇注充型过程中，型内气氛为氧化性气氛，也会使型内的金属氧化。如果铸型中含氧物料多，会使氧化过程加剧。

2．现场易于实施的预防措施

炼钢过程中，防止二次氧化是十分困难的，铸钢厂比炼钢厂的工艺变数多，难度就更大。在这方面，目前各国铸钢业界都在积极地探索、研究。但是，目前我国多数铸钢厂，工艺未经优化，工艺过程的控制很不严格，产品的质量水平很低。在此情况下，注意以下几点，并严格工艺控制，就可能有较明显的效果。

首先，要保证钢液脱氧良好，国外铸钢厂出钢前钢渣中的FeO含量要求在0.5%以下。目前我国多数铸钢厂渣中FeO含量都在1%以上，能达到0.8%的为数不多。近期内应努力做到渣中FeO不超过0.5%。这不需要搞技术改造，也无需投资，只要求敬业和认真。

其次是要严格控制碳钢和低合金钢中的硅含量在0.5%~0.6%的水平，以保证钢液有防止二次氧化的脱氧余力。不少铸钢厂至今还按含硅0.17%~0.37%或0.2%~0.4%的要求生产，这样的标准早已过时，并已废止了。

最终脱氧用的铝，块度应有要求，加入量和加入方法应严格控制。

3．钢包中加钙补充脱氧

目前，在钢包中加钙补充脱氧是最有较的克服二次氧化影响的措施之一，但所用的含钙材料和加入方法至关重要。

国外不少铸钢厂试用过在钢包中加CaC2，效果都不好。也有铸钢厂在出钢时，将硅钙合金投入钢液，由于合金漂浮在表面，收得率很低。在包中加硅钙合金，则合金浮在钢渣表面。

最有较的方法是喂丝法。用铁皮包裹的硅钙粉通过钢渣插入钢液中，不到3秒钟硅钙合金就可熔化于钢液中。钙在钢中的作用，前面已经谈过。每吨钢的加钙量约为0.3kg。国外铸钢厂采用喂丝法后，铸件上的宏观夹杂缺陷平均减少40%。

4．钢包中用等离子弧精炼

在钢包上方装一中间有小孔的石墨电极，出钢后，使电极与钢液间产生电弧，再自电极中心的孔吹入氩气以产生等离子弧，并使之稳定。同时，自钢包底部的多孔塞吹入氩气搅拌钢液，使之脱氧。

氩气的流率可调。搅拌速率较高，则有利于均匀温度并脱S；低速搅拌，则使钢液中的夹杂物上浮。

等离子弧的极性也是可变的，负极性用于加热钢液和钢渣；正极性则用于脱氧和脱硫。

因此种装置。可使钢液中含氧量很低，脱硫效果也好，可得到非常清洁的钢。与酸性电弧炉配用，可使钢液的品质达到碱性炉钢的水平。

后期，还可用喂丝法加钙，以控制硫化物和夹杂物的形态。

此种方法，小型铸钢厂不宜采用。

5．氩气保护工艺尚待探索

钢液被二次氧化，主要是因其暴露于大气中的氧，因而自然会想到用氩气予以保护。氩的密度高于空气，有可能使其处于钢液和大气之间，形成保护气氛。

由于铸钢厂出钢和浇注的情况复杂，国外不少铸钢厂试用过多种多样的氩气保护方法，如浇注时用氩气保护钢流、在包中用氩气覆盖钢液、直接向钢液表面吹氩等。但是，迄今为止还未找到经济而有效的屏蔽方法，这方面尚有待进一步探索。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/23/2005)


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