VCD技术在铝脱氧钢中的应用

巴钧涛　高建军(中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)



VCD技术在铝脱氧钢中的应用

巴钧涛高建军
(中国一重天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

摘要:针对某典型锻件前期试制中无损检测不合格问题，采用真空碳脱氧( VCD)和铝脱氧方式相结合，使钢锭气体含量、夹杂物评级结果及宏观偏析都得到了明显改善。大大提高了钢锭冶金质量，锻件无损检测合格率达100%。

关键词:钢锭; VCD;铝脱氧;夹杂物

真空碳脱氧( VCD)技术是通过钢液在真空下的碳氧反应，提高钢液中碳的活性，使钢液中氧含量降低的一种方法。我公司电站类产品锻件大多数采用此类脱氧方法，对于含硅、含铝钢种的锻件，则采用硅脱氧、铝脱氧的方式进行脱氧。我公司在某重点含铝钢产品的试制中，前期采用硅和铝脱氧，锻件无损检测不合格，解剖时发现了大量的夹杂物密集区。后期通过采用真空碳脱氧和铝脱氧结合的方法，降低成分硅含量，生产出了高质量的毛坯，无损检测合格率达100%。

1　工艺路线

某典型锻件前期的试制中，工艺路线为电炉粗炼+ LF炉精炼( VD) +真空浇注( VT)。精炼时采用硅脱氧和铝脱氧相结合的方式，锻件在无损检测时出现缺陷。后期在炼钢过程中采用了VCD和铝脱氧结合的方式，降低了硅含量，工艺路线改为电炉粗炼+ LF炉精炼( LVCD) +真空浇注( VCD)，既保证了性能，又提高了无损检测合格率。

2　 VCD技术对铝脱氧钢锭冶金质量的影响

钢锭的主要缺陷在宏观上主要表现为表面裂纹、缩孔疏松、气体、夹杂物及宏观偏析等。对于铝脱氧钢，采用真空碳脱氧技术后，钢锭气体含量、洁净度及宏观偏析都发生了不同程度的变化，而对表面裂纹和缩孔、疏松几乎不产生影响。

2．1对气体含量的影响

2．1．1脱氢

残留于钢中的氢是锻件形成白点的主要原因，而且还使钢产生氢脆现象。采用VCD及铝脱氧复合脱氧方法，需要将钢中硅含量降低到0．10%以下，从而更好的发挥真空下碳的脱氧作用。有文献［1］报道，当硅含量小于0．11%时，钢中的最终含氢量受硅的影响较小;而当硅含量大于0．11%时，随着硅含量的提高，最终氢含量迅速提高。本文也得到了相同的结论。前期高硅(硅、铝脱氧)和后期降低硅含量( VCD +铝脱氧)后钢锭平均氢含量的统计结果如图1所示。

从图1可以看出，采用前期工艺路线钢锭平均氢含量要高于后期16．7%左右。这主要是因为后期降低硅含量后，精炼和铸锭时发生了真空碳脱氧反应，生成的CO气泡运动引起钢液的物理搅拌，增加了脱气面积，从而获得了良好的脱氢率。

2．1．2脱氧

通过对18炉的氧含量进行对比发现，低硅下采用真空碳脱氧和铝脱氧与高硅下硅脱氧和铝脱氧的效率相比，低硅下真空碳脱氧的效率更高。这主要是由于高真空度下，碳的脱氧能力强于铝和硅。如图2所示，低硅下钢锭平均氧含量要低于高硅下17．6%左右。

图1　前期和后期钢锭平均氢含量对比Figure 1　 The comparison of average hydrogen contents of ingot in early period and late period

图2　前期和后期钢锭平均氧含量对比Figure 2　 The comparison of average oxygen contents of ingot in early period and late period

2．1．3脱氮

对于氮含量不作为成分要求的钢种，有资料［2］报道，真空碳脱氧的氮含量在( 10～30)× 10－6之间，而真空除气钢的氮含量则处于( 40～70)×10－6之间。我公司该类重点锻件用钢化学成分中需含有一定量的氮保证强度，同时与铝结合形成氮化铝在奥氏体晶界析出，从而达到细化晶粒的目的。精炼时，用氮化合金来控制钢液中的氮含量。采用VCD技术后，在真空浇注过程中，由于发生碳氧反应，氮被吸附在CO气泡中部分排除。经统计，低硅下的真空碳脱氧除气比较高硅下的真空除气除氮效率要高出15%左右。

2．2对夹杂物含量的影响

对前期无损检测不合格的铝脱氧钢锻件进行解剖，发现了大量的夹杂物密集缺陷，主要为硅酸盐及三氧化二铝夹杂。钢锭中的大多数夹杂物来源于内生夹杂，而内生夹杂物的主要成分取决于脱氧方法。硅和铝脱氧时，产生的二氧化硅、三氧化二铝和铝硅酸盐等夹杂在钢锭锻压加工过程中，容易与基体金属之间产生空隙，在应力作用下，将形成显微裂纹。降低硅含量，采用铝脱氧和真空碳脱氧，可以有效避免硅的脱氧产物生成，减少钢液中的硅酸盐夹杂。且真空碳脱氧通过降低CO的分压，使钢液中的C和O不断反应，铝脱氧夹杂物在生成的CO气泡带动下上浮后，与石灰生成的12CaO·7Al2O3为低熔点稳定相，在精炼温度下具有较好的流动性。12CaO·7Al2O3具有很高的碱度和Al2O3含量，因而具有较强的脱硫能力和吸附铝脱氧产物的能力。在精炼过程中还可配加大量石灰，进一步提高其脱硫能力［3］。此外，对于钢液动力学条件来说，生成的夹杂物是否可以有效上浮可以通过斯托克斯公式判定。

v = 218r2( Dm－Ds) /η( 1)

式中v——夹杂物颗粒上浮速度( cm/s) ;

r——夹杂物的颗粒半径( cm) ;

Dm——钢液的密度( g/cm3) ;

Ds——夹杂物的密度( g/cm3) ;

η——钢液粘度( Pa·s)。

从式1可以看出影响夹杂物上浮的主要因素是夹杂物的半径、钢液与夹杂物的密度差及钢液的粘度。但钢液对夹杂物的润湿性对夹杂物能否有效上浮具有很大的影响。钢液里熔融状态的硅、锰复合脱氧产物能被钢液充分润湿，尽管按定律它们能够上浮，但实际上浮困难，而不易被钢液润湿的固体Al2O3等夹杂，尽管尺寸小，但能够很快上浮［4］。采用硅、铝脱氧与采用VCD和铝脱氧不同方式下锻件的金相夹杂物评级结果见表1。

从表1可以看出，采用VCD和铝脱氧方式结合后，非金属夹杂物的评级总和降低了2级，Al2O3夹杂降低了0．5级，硅酸盐夹杂从2．5级降低到1级。其中，A为硫化物夹杂，B为氧化铝夹杂，C为硅酸盐夹杂，D为球状氧化物夹杂。

2．3对偏析的影响

采用VCD和铝脱氧方式结合后，钢锭的宏观偏析显著降低。主要原因有:一是采用VCD工艺，钢锭硅含量降至0．10%以下，缩小了凝固范围;二是从微观上分析低硅时，枝晶结构较细，二次枝晶增加的适当，形成有序的结构，枝晶结构截面的任何部位均密实，而高硅形成的枝晶结构较疏松［5］。对锻件冒口端取下的横向试样做成分分析，前期高硅和后期低硅C、Mn、Mo的最大值与最小值的差值见表2。

从表2可以看出，高硅下C、Mn和Mo的成分变化值要高于低硅下的变化值。由此不难发现采用真空碳脱氧和铝脱氧结合的方式，钢锭偏析减弱，锻件的均质性大大提高。

表1　夹杂物评级结果Table 1　The result of inclusion grade

表2　高硅和低硅下冒口端成分变化［6］(质量分数，%)Table 2　The change of chemical composition at the riser under the condition of high silicon and low silicon ( mass fraction，%)

3　结论

( 1)采用VCD技术后，钢锭氢、氧、氮平均含量在原来硅、铝脱氧方式的基础上分别降低了16．7%、17．6%和15%左右。

( 2)金相夹杂物评级结果表明铝脱氧钢采用VCD技术后，夹杂物总含量在硅、铝脱氧钢的基础上降低了2级，硅酸盐夹杂降低了1．5级，氧化铝夹杂降低了0．5级，硫化物夹杂和球状氧化物夹杂无变化。

( 3)采用VCD技术后，减少了钢锭的宏观偏析，冶金质量有了明显的改善，锻件的均质性大大提高。

参考文献

［1］蔡康谓，何宁军．真空碳脱氧工艺参数对3．5NiCrMoV钢的影响．大型铸锻件，1993( 4) :6－12．

［2］G．E．Danner，E．Dyble，Deoxidising steels by Vacuum Metal progress．1961:75．

［3］王书桓，等．12CaO·7A12O3型精炼合成渣物性与脱硫试验．河北理工学院学报，2001，23( 3) :9－13．

［4］康大韬，叶国斌．大型锻件材料及热处理．北京:龙门书局出版社，1998，40．

［5］田中泰彦，等．汽轮机超纯钢低压转子的制造．大型铸锻件，1992( 2)，57－63．

［6］赵艳红，高建军，王欢．低Si冶炼对锻件用钢锭冶金质量的影响．经济技术协作信息，2011，14( 150)．

编辑傅冬梅

Application of VCD Technology in Aluminum Deoxidation Steel

Ba Juntao，Gao Jianjun

Abstract:Aiming to the unqualified problem of some typical forging in nondestructive test during trial－manufacture，vacuum carbon deoxidation method ( VCD) and aluminum deoxidation method are combined to make gas content，inclusion grade and macroscopic segregation of ingot achieve obvious improvement．The metallurgy quality of ingot has been improved and the qualified rate of nondestructive test for forging is 100%．

Key words:steel ingot; VCD; aluminum deoxidation; inclusion

收稿日期:2014—09—17

文献标志码:A

中图分类号:TF769．4