發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 23:35

　　 CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼主要服役于高溫高壓環(huán)境,廣泛應(yīng)用在能源制造和石油化工領(lǐng)域,其對(duì)鋼液潔凈度和鋼中非金屬夾雜物有嚴(yán)格的要求。國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼過(guò)程中,精煉渣黏度過(guò)高,容易結(jié)殼,部分鋼材產(chǎn)品中存在由包含少量CaO的MgO-Al2O3-CaO復(fù)合夾雜物引起的內(nèi)部缺陷和裂紋,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。本文以EAF-LF-VD-CC流程生產(chǎn)的34CrMo4氣瓶鋼和26CrMo4s/2與28CrMo47鉆桿鋼為對(duì)象,首先使用FactSage軟件預(yù)測(cè)了鋼中夾雜物的成分與含量,并對(duì)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果做了驗(yàn)證,其次研究了不同工藝下鋼中夾雜物的衍變機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)渣-鋼平衡實(shí)驗(yàn)研究了低黏度精煉渣對(duì)夾雜物的影響,最后提出了精煉渣的優(yōu)化方案。 FactSage計(jì)算結(jié)果表明,34CrMo4氣瓶鋼鑄坯中非金屬夾雜物主要有Al2O3-CaO氧化物、MgAl2O4、CaMg2Al16O27、CaS和MnS,這與鑄坯中夾雜物的電鏡分析結(jié)果完全一致。計(jì)算得到鋼中Al夾雜物總量為43ppm,MnS夾雜物總量為108ppm。而夾雜物原位分析結(jié)果顯示,A1夾雜物總量為20ppm,Mn夾雜物總量為53ppm,夾雜物含量的預(yù)測(cè)值比實(shí)際分析值高出一倍,推測(cè)主要原因是中間包階段夾雜物的上浮降低了鑄坯內(nèi)夾雜物的含量。 實(shí)驗(yàn)分析表明：精煉過(guò)程中34CrMo4氣瓶鋼氧含量從180ppm(LF精煉前)降到10ppm(中間包階段)。SiO2-MnO復(fù)合氧化物出現(xiàn)在LF-VD階段,Al2O3-CaO復(fù)合氧化物出現(xiàn)在精煉全過(guò)程中。不同冶煉階段的Al2O3-CaO復(fù)合氧化物成分差異較大,VD結(jié)束后氣瓶鋼中Al2O3-CaO復(fù)合氧化物主要是12CaO·7Al2O3,中間包階段由于夾雜物中Al2O3含量的增加,導(dǎo)致Al2O3-CaO復(fù)合氧化物向高熔點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移。鑄坯中Al2O3-CaO復(fù)合氧化物表層包裹了CaS,部分氧化物夾雜中出現(xiàn)了MgO,除此之外鋼中出現(xiàn)MgAl2O4和MnS夾雜。CrMo氣瓶鋼中由卷渣帶入的大型夾雜物含量達(dá)到了150mg/10kg鋼。 針對(duì)CrMo石油鉆桿鋼的生產(chǎn)流程,設(shè)計(jì)了不同脫氧工藝和鈣處理工藝的工業(yè)實(shí)驗(yàn)。使用硅鈣鋇脫氧,VD過(guò)程喂鈣線的鉆桿鋼,中間包和連鑄坯中夾雜物是Al2O3-CaO-CaS。VD過(guò)程不喂鈣線,中間包和連鑄坯中夾雜物是MgO-Al2O3-CaO, SiO2-Al2O3-MnO和群簇狀A(yù)l2O3。同時(shí)使用硅鈣鋇和鋁脫氧,VD過(guò)程喂鈣線的鉆桿鋼,VD結(jié)束、中間包和連鑄坯中夾雜物主要是MgO-Al2O3-CaO和CaS。VD過(guò)程不喂鈣線連鑄坯中夾雜物主要MgO-Al2O3-CaO和MnS。不同精煉工藝下,雖然鋼中氧含量經(jīng)歷了不同的變化過(guò)程,但是最終連鑄坯中氧含量都在20ppm以下。鋼中大型夾雜物含量在10m/10kg鋼以下,同一脫氧方式下,VD過(guò)程喂鈣線的鋼中大型夾雜物含量相對(duì)較高,球形鋁酸鹽和不規(guī)則顆粒狀MgO-CaO是其主要組成。石油鉆桿鋼連鑄坯中的群簇狀A(yù)l2O3、低熔點(diǎn)的Si02-A1203-MnO復(fù)合氧化物、容易被軋制拉長(zhǎng)的MnS以及含有少量CaO的MgO-A1203-CaO復(fù)合氧化物對(duì)鋼材質(zhì)量影響較大。比較不同工藝下最終連鑄坯的潔凈度和鋼中夾雜物的存在形式可知,CrMO合金結(jié)構(gòu)鋼冶煉過(guò)程中硅鈣鋇合金脫氧、VD過(guò)程喂鈣線的工藝路線效果最好。 硅鈣鋇脫氧和硅鈣鋇加鋁復(fù)合方式下1500℃時(shí),VD結(jié)束后精煉渣的黏度分別達(dá)到2.5Pa·s和1.5Pa-s,隨著溫度降低粘度值迅速增加,容易引起結(jié)殼。為降低渣黏度,參照28CrMo47鉆桿鋼生產(chǎn)精煉渣,設(shè)計(jì)了合成渣E(質(zhì)量分?jǐn)?shù),CaO,55%;Si02,21%;A1203,12%;MgO,7%;CaF2,5%)與合成渣F(質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaO,51%;Si02,17%;A1203,25%;MgO,7%)。1500℃時(shí)兩種合成渣黏度都在0.5Pa.s附近。渣-鋼平衡實(shí)驗(yàn)表明合成渣E使鋼中夾雜物成分靠近MgO-A12O3-CaO三元系中高熔點(diǎn)CaO區(qū)域,合成渣F使夾雜物成分集中在低熔點(diǎn)相區(qū)。相對(duì)于合成渣E,合成渣F降低鋼中夾雜物含量的效果更好。 合成渣F中不同v含量對(duì)爐渣黏度和夾雜物影響的研究表明,Al2O3含量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%-35%之間時(shí),渣黏度在1400℃～1500℃之間都處在0.5～1Pa·S范圍內(nèi)。熔渣拉曼分析結(jié)果表明,1500℃下黏度最高的Al2O3含量25%合成渣熔體中非橋氧相對(duì)含量最低。F系列合成渣(Al2O3含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～40%)處理后的鋼中夾雜物主要是MgO-Al2O3-CaO復(fù)合氧化物且成分點(diǎn)比較分散。Al2O3含量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～40%之間時(shí),夾雜物中Al2O3含量隨渣中Al2O3含量的增高而增高。渣中Al2O3含量為25%時(shí)夾雜物成分點(diǎn)相對(duì)集中,大多數(shù)處在靠近A1203-CaO的低熔點(diǎn)區(qū)。F系列合成渣作用下,鋼中1～3μm之間的夾雜物數(shù)量都處在相似的水平。3～5μm的夾雜物數(shù)量與夾雜物成分中的MgO/CaO和A1203/(A1203+CaO)呈負(fù)相關(guān)。說(shuō)明渣-鋼平衡實(shí)驗(yàn)中熔點(diǎn)高的夾雜物數(shù)量較少,熔點(diǎn)低的夾雜物數(shù)量較多。實(shí)驗(yàn)研究表明,對(duì)于CrMO合金鋼最佳的精煉渣渣系組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaO,51%;SiO2,17%; A1203,25%;MgO,7%。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TF762.3
【部分圖文】：

圖2-2不同通度下夾雜物的變形能力圖2-2顯示了 ICiesslingRti7]總結(jié)的(Fe，Mn)0、AI2O3、招酸媽、尖晶石型復(fù)合氧化物(A0_B203)、桂酸鹽和硫化物的變形能力指數(shù)與形變溫度的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)剛玉、招酸尖晶石和方石英等夾雜物在鋼材常規(guī)熱加工溫度下無(wú)塑性變形能力，而硫化猛在1000°C以下的變形能力與鋼基體相同。(3)夾雜物的熱膨脹能力有研究者【28]認(rèn)為鋼材在加熱或冷卻過(guò)程中，由于鋼基體與夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，在鋼中夾雜物或鋼中第二相粒子周圍將產(chǎn)生嵌鑲應(yīng)力，其大小與鋼和夾雜物的膨脹系數(shù)及溫度有關(guān)。這很好地解釋了硫化猛包裹氧化物夾雜時(shí)，能夠減小脆性氧化物夾雜的危害的原因；也很好地解釋了軸承鋼中不變形的點(diǎn)狀紹酸韓夾雜比氧化招更有害的原因。圖2-3給出了各種夾雜物的平均熱膨脹系數(shù)。-7-

夾條物熱膨脹系數(shù)2.1.3夾雜物對(duì)鋼材性能的影響

夾雜物成分也可以通過(guò)電子探針微觀分析儀（EPMA)或者能譜分析儀來(lái)測(cè)定，如圖2-4所示。但該方法需要廣泛地觀察試樣去尋找夾雜物。1200-?-■AjJ'I^ A**" , I? ‘ *圖2-4非金屬夾雜物的電鏡和能譜（SEM+EDS)分析結(jié)果(3)脈沖識(shí)別分析光發(fā)射光譜法（OES-PDA), OES法分析鋼中的溶解元素，夾雜物會(huì)引起高密度的火法峰值，再被計(jì)數(shù)賦給PDA讀數(shù)。(4)化學(xué)溶解（CD)，用酸溶解鋼樣可以提取出一部分夾雜物，所得夾雜物形貌與成分可以用其他方法如SEM來(lái)檢測(cè)。這種方法的缺點(diǎn)是酸會(huì)溶解MgO、MnO、CaO等夾雜物，只適用于檢測(cè)AbOg和SiOz等一部分夾雜物。(5) Slime電解法，通過(guò)將大型鋼樣（200g-2kg)在酸溶液中電解得到其中大部分夾雜物，再用其他方法分析得到的夾雜物。該方法的缺點(diǎn)同樣是酸液會(huì)溶解部分夾雜物，并且只能得到較大尺寸的夾雜物（3(Vm以上）。間接分析方法有：(1)總氧量測(cè)定，鋼中的總氧量是自由氧（溶解氧）和與非金屬夾雜物的結(jié)合氧之和。因?yàn)樽杂裳踝兓�不�?
【參考文獻(xiàn)】

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