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3 t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5 t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重點之一, 經(jīng)試驗總結出 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, 縮短變渣時間。渣面形成后, 先進行預脫氧插鋁, 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, 這時爐渣應轉變?yōu)榘自?

    ②還原期應采用大渣量。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, 在還原期應注意將爐子密封好，除分析、 攪拌、測溫等操作外, 要關閉爐門。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 10 min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合的脫氧制度。在氧化末期或還原初期先進行預脫氧, 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、T i、Mo、Nb等。形成碳化物元素可溶于奧氏體, 使高錳鋼的力學性能提高, 耐磨性提 高。生產(chǎn)中常用合金元素是Cr, 如ZGMn13Cr2應用在破碎機軋臼壁、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, 不加稀土時夾雜物 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 冶煉新技術的推廣應用

    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, 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。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的逐步推廣應用, 會使高錳鋼的冶金質(zhì)量進一步提高。

    4 結論

    ①冶煉過程的關鍵控制因數(shù)是: M n/ C ≥10, P≤0.075%, 出爐溫度1520~ 1550℃, 包內(nèi)鎮(zhèn)定時間5 min, 澆注溫度1370~ 1420℃, 爐前圓杯試樣收縮良好。

    ②采用包內(nèi)稀土、鋁的復合變質(zhì)處理工藝,凈化鋼液、細化組織、消除柱狀晶。 

    ③軋臼壁、破碎壁等低沖擊工況使用的高錳鋼鑄件, 采用Cr進行合金化, Cr含量控制在1.5%-2.5%。

    ④積極推廣應用高錳鋼冶煉爐內(nèi)吹氮、包內(nèi)吹氬等新工藝, 進一步提高高錳鋼的冶煉質(zhì)量。

文章來源：鑄造工業(yè)網(wǎng)