3洛阳会议特殊钢-王新华

特殊钢冶金与钢中非金属夹杂物控制技术王新华2015年5月特殊钢抗疲劳性能与夹杂物控制•合金结构钢棒线材用于制作机械设备中的轴件、齿轮、弹簧、轴承等；•大多在动载荷，即冲击、振动或承受周期性交变应力的条件下工作，疲劳破坏是导致工件失效的重要原因；•非金属夹杂物往往成为疲劳裂纹的起源。夹杂物与钢基体构成镶嵌结构•在钢加热或冷却过程，由于膨胀系数的不同，夹杂物周围产生嵌镶应力(T)；•夹杂物周围(4×R)为受夹杂物嵌镶应力影响区域；•夹杂物数量多、直径大，嵌镶应力场会叠加；•工件服役过程所受应力与嵌镶应力叠加，夹杂物周围应力超过钢的屈服极限，导致裂纹产生，形成疲劳源。TimT热膨胀系数差R.Kiessling,Non-metallicInclusioninSteel,TheInstituteofMetals，London,1989，46~93夹杂物相对变形能力S.Rudnik研究指出：•＝0.5~1时，在钢与夹杂物界面上很少由于形变产生微裂纹；•＝0.03~0.5时，经常产生带有锥形间隙的鱼尾形裂纹；•＝0时，锥形间隙与热裂纹撕裂是常见的。LoghLogλ32LnhLnλ32εενsiabLnLnλεi1osAALn23Lnh23ε软硬度不同夹杂物周边区域的应力分布J.Kawahara,etal.,“AdvanceofValveSpringSteel”,WireJournalInternational.,Nov.1992,p.55-62影响疲劳性能的夹杂物临界尺寸Lasson等研究发现：•夹杂物小于10m时，夹杂物萌生疲劳裂纹的几率非常小；•夹杂物大于10m时，疲劳裂纹则在夹杂物周围萌生。斋藤誠研究发现：•10m程度的TiN夹杂物导致弹簧疲劳破坏。Kiessling等认为：•大多数疲劳破坏起源于表面或亚表面的单个夹杂物，萌生疲劳裂纹的表面或表面附近的夹杂物尺寸并不太重要。M.Lassonetal.Mater.Sci.Tech.,1993,9(3),p235斋藤誠，熱処理，1987,vol.27,No.1,p.23R.Kiessling,etal.,ProductionandApplicationofCleanSteel,1970,p179不同类别夹杂物对钢疲劳性能的影响“D类”或“DS类”“D类”或“DS类”J.Monnot,etal.,Amer.Soc.ForTestMat.,1988,p.149常规夹杂物检验标准（ASTME45）试样分析检验的表面积不低于160mm2。•每个视场0.49mm2；•总计320个视场。夹杂物控制标准夹杂物控制标准高端重要用途钢材品种•中国钢铁工业发展壮大（产量、品种、质量等）；•某些重要用途高端钢材品种仍依赖进口：1.汽车钢板（合资品牌汽车钢板国产比率：~50%）；2.重要用途特殊钢棒线材：•轴承（飞机、高铁等）；•高铁车轮、车轴、中高档汽车齿轮、轴件、弹簧等。3.特殊性能钢材（超高强度钢板、大桥悬索钢丝、深海钻管、套管、切割丝等）；4.---------------------。高端钢材主要差距：•实物质量与性能稳定性控制；•与用户联系。高端钢材特点高档产品抵挡产品谢蔚，中国钢铁工业可持续发展论坛，中国科协，2013年，唐山非金属夹杂物稳定性控制•高端重要钢材性能稳定性差，非金属夹杂物控制不稳定是重要原因之一；•主要表现在个别大尺寸夹杂物控制方面（DS类夹杂物）；•以轴承、高铁车轮、车轴为例：即便将总氧含量控制在3.5~5ppm极低含量范围，钢中仍有个别数十、数百微米，甚至毫米级大型夹杂物存在，德国Mubea泰倉厂弹簧钢试样分析1.德国Sarrstahl钢厂2.韩国浦项制铁3.国内高水平特钢厂：•A厂•B厂汽车弹簧钢盘条不变形夹杂物尺寸比较42CrMo钢疲劳断口（T.O：10ppm）旋转弯曲疲劳实验：•三种热处理制度得到三个不同强度水平的材料，进行疲劳实验•22个疲劳断口裂纹起源为夹杂物；•最大夹杂物为66μm，最小夹杂物为14.8μm，平均为33.3μm尺寸60μm的夹杂物个别大型夹杂物为外来夹杂物？尺寸60μm的夹杂物超低氧特殊钢（T.O：3~6ppm）K.Kawakami,etal.,Proceedingsofthe3rdInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking,May9-12,2005,Charlotte,AIST,209超低氧特殊钢工艺流程爱知制钢公司超低氧特殊钢工艺流程山阳特殊钢公司超低氧特殊钢关键工艺技术•偏心炉底出钢；•出钢后扒净钢包内顶渣。超低氧特殊钢（T.O：3~6ppm）K.Kawakami,etal.,Proceedingsofthe3rdInternationalCongressontheScienceandTechnologyofSteelmaking,May9-12,2005,Charlotte,AIST,209超低氧特殊钢关键工艺技术•铝脱氧（直接与间接脱氧）；•高碱度精炼渣：•碱度：5~8；•FeO1%。•足够强搅拌（比搅拌功控制）。脱氧能力比较E.T.Turkdogan,FundamentalsofSteelmaking,TheInstituteofMaterials,TheUniversityPress,UK,1996•采用铝脱氧，首先将溶解氧[O]含量降低至0.0001~0.0003%；•通过渣-钢精炼、RH真空处理、连铸等，去除钢液中铝脱氧产物；•将钢总氧降低至数个ppm水平。特殊钢脱氧工艺•铝脱氧（[Al]:0.015%）：轴承、齿轮、悬挂簧、轴件、连杆、高铁轮对、大桥钢索、预应力钢丝、冷镦钢等。•无铝脱氧（[Al]:0.0006%）：轮胎帘线、汽车发动机弹簧、易切削钢。•限制铝含量：铁路钢轨。日本特殊钢厂采用LF精炼渣成分钢厂CaOSiO2Al2O3CaF2MgOT.Fe+MnOCaO/SiO2A63720100.39.0B8055101.0216.0C60102050.46.0D60102280.846.0E50520205210.0F60102730.46.0G606340.5510.0H60158151.154.0I501025155.0J5010201550.75.0K.Kawakami,The182183thNishiyamaMemorialSeminar,ISIJ,TokyoKobe,2005,151采用高碱度精炼渣系的目的：降低渣中SiO2的活度，抑制下式反应：(Si02)+4/3[Al]＝2/3[Al203]夹杂物+[Si]爱知制钢LF精炼渣碱度与钢水T.O福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪東京，1988，121山阳特殊钢精炼渣碱度对轴承钢总氧与夹杂物影响K.Kawakami,T.Taniguchi,etal,Tetsu-to-Hagane,93(2007),741爱知制钢炉渣FetO+MnO含量控制福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪東京，1988，121LF精炼搅拌强度控制比搅拌功：)148H1log(WTQ0285.0＋：比搅拌功率(W/t)Q：底吹氩气流量(Nl/min)T：钢水温度(K)W：钢水重量(t)H：钢水深度(cm)比搅拌功：120~150W/t超低氧特殊钢关键工艺技术：采用RH真空精炼VD工艺的缺点1.炉渣卷入钢液；2.脱硫反应增加Al2O3夹杂物。3(CaO)+2[Al]+3[S]=3(CaS)+(Al2O3)夹杂物RH工艺优点•钢水为强还原性炉渣所覆盖；•渣-钢界面“平静”，炉渣卷入钢液形成的夹杂物量减少；•钢水大范围“循环流动”，促进微小夹杂物碰撞、聚合、上浮去除；•山阳特殊钢轴承钢RH精炼时间：20~60min。LF与RH精炼分工升温，脱氧，合金化，去除夹杂物等。脱气（H，N），脱氧，合金化，去除夹杂物等。实现超低氧控制：LForRH（哪个更高效？）LF精炼•优势：•加热钢水，炉渣；•强扩散脱氧（高碱度、极低FeO含量炉渣）；•钢液成分控制。•超低氧控制方面不足：•对钢水搅拌能不足。RH工艺优点•钢水为强还原性炉渣所覆盖；•渣-钢界面“平静”，炉渣卷入钢液形成的夹杂物量减少；•钢水大范围“循环流动”，促进微小夹杂物碰撞、聚合、上浮去除。JFE西日本制铁所生产轴承钢38K.MATSUOKA,4thInternationalCongressonSteelmaking,2008,Gifu,456JFE西日本制铁所生产轴承钢39在RH前完成钢水合金化操作，尽量不在RH精炼过程进行成分调整，并将RH精炼时间延长至最大（与连铸周期相适应）。K.MATSUOKA,4thInternationalCongressonSteelmaking,2008,Gifu,456特殊钢总氧控制福本一郎，第126127回西山紀念技術講座，日本鉄鋼協会，大阪東京，1988，1218.114.015.013.0010203040506070809004080120160200T.O(ppm)LF精炼时间(min)24681012141618010203040T.O(ppm)RH精炼时间(min)超低氧特殊钢关键工艺技术•严密保护浇铸；•中间包钢水加热；•大方坯连铸（立式，垂直-弯曲型）。山阳特殊钢公司连铸中间包•经过LF-RH精炼，钢水T.O降低至3.5~5ppm;•中间包冶金功能由促进夹杂物上浮转为防止二次氧化：•全封闭（断气）；•能够快速升温（浇次开浇、钢包浇铸后期）；•快速通过。•采用较小容量中间包（山阳：20t）。中间包钢水加热电磁感应加热等离子加热中间包钢水加热目的采用立式或垂直-弯曲型大方坯连铸机川上潔，第2号連続鋳造機（60tCC）の建設と稼動，SanyoTechnicalReportVol.20(2013)No.1，51川上潔，第2号連続鋳造機（60tCC）の建設と稼動，SanyoTechnicalReportVol.20(2013)No.1，51立式连铸机优势大同特殊钢公司新建300mm圆坯铸机山阳特殊钢立式铸机60t铸机150t铸机投产年月2012年6月1982年11月铸机类型立式铸机铸机长度25.3m（弯月面~拉矫辊上段）钢包容量90t165t中间包容量10t20t铸机流数23铸坯尺寸380530mm电磁搅拌结晶器电磁搅拌拉速最高0.60m/min液面控制方式涡流式川上潔，第2号連続鋳造機（60tCC）の建設と稼動，SanyoTechnicalReportVol.20(2013)No.1，51非金属夹杂物变化Al脱氧：2[Al]+3[O]=(Al2O3)夹杂物钢液与包衬、炉渣作用：3(MgO)包衬或炉渣+2[Al]=3[Mg]+(Al2O3)夹杂物3(CaO)炉渣+2[Al]=3[Ca]+(Al2O3)夹杂物[Mg]+n/3(Al2O3)夹杂物=(MgO(n-1)/3Al2O3)夹杂物+2/3[Al]x[Ca]+(yMgO•zAl2O3)夹杂物=(xCaO(y-x)MgO•zAl2O3)夹杂物+x[Mg]K.Kawakami,etal,TETSU-TO-HAGANE,93(2007),741-752山阳特殊钢LF精炼过程夹杂物组成山阳特殊钢夹杂物评级统计炉次T.O含量A类B类C类D类细粗细粗细粗细粗705.4ppm1.340.100.720000.930.37T.Uesugi,Tetsu-to-Hagane,74(1999),1889ASTM“E45-06”标准国内特殊钢工艺技术进展•~2000年前：•总氧含量高：15~8ppm；•超低氧生产工艺技术问题较多（铝脱氧、高碱度渣、保护浇铸等）。•2000年后：•高水平钢厂：总氧已能降低至5ppm左右，但夹杂物评级难以达到SKF、NSK要求（DS类夹杂物）；•存在主要问题：RH功能充分发挥，仍依赖钙处理，保护浇铸，弧形铸机等。DS类夹