分享：易切削1215MS鋼精煉工藝優(yōu)化及實(shí)踐
本文針對(duì)前期開(kāi)發(fā)1215MS鋼種時(shí)，LF精煉過(guò)程控制不穩(wěn)定的問(wèn)題，分別從鋼水[Mn]、[S]含量的精確控制、穩(wěn)定精煉過(guò)程鋼水氧含量、優(yōu)化精煉渣組成及造渣制度三個(gè)方面有針對(duì)性的采取措施進(jìn)行控制。優(yōu)化后的LF精煉工藝，精煉過(guò)程鋼水[Mn]、[S]含量更容易控制，鋼水[Mn]/[S]提高至3.5~3.7；精煉過(guò)程鋼水自由氧含量穩(wěn)定在50×10–6~70×10–6范圍內(nèi)，精煉結(jié)束時(shí)鋼水自由氧含量控制在60×10–6左右；精煉渣二元堿度提高至2.3~2.6，精煉渣中Al2O3含量提高至12~14，盤圓中B類夾雜物級(jí)別有明顯降低。
易切削鋼因具有良好的機(jī)械加工性能而得到了廣泛的應(yīng)用，如向鋼中單獨(dú)或者復(fù)合加入某些易切削元素S、P、Pb、Se、Te、Bi等可提高切削性能[1-3]。硫是易切削鋼的關(guān)鍵元素，廣泛應(yīng)用在各類易切削鋼中，國(guó)外硫系易切削鋼的比例為70%，我國(guó)硫系易切削鋼的占比達(dá)90%以上。我國(guó)生產(chǎn)的易切削鋼與國(guó)外的相比，還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在質(zhì)量、精度和夾雜物的類型、數(shù)量以及形態(tài)控制技術(shù)上。夾雜物的類型、數(shù)量以及形態(tài)控制不好，導(dǎo)致切削加工性能和力學(xué)性能不能達(dá)到用戶的要求[4-6]。1215MS在美標(biāo)1215的基礎(chǔ)上提高了錳、硫元素含量，屬于高氧高硫易切削鋼。易切削鋼冶煉過(guò)程關(guān)鍵工藝主要是鋼中錳硫含量及氧含量的控制，某廠前期開(kāi)發(fā)1215MS鋼種時(shí)，由于LF精煉過(guò)程控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致鑄坯表面質(zhì)量及盤圓產(chǎn)品的切削性能不一致。為此，本文通過(guò)對(duì)LF精煉過(guò)程存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，有針對(duì)性地優(yōu)化精煉過(guò)程工藝，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量以滿足客戶需求。
生產(chǎn)工藝存在的問(wèn)題
1215MS鋼成分及生產(chǎn)工藝流程
國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)硫系易切削鋼1215MS鋼(化學(xué)成分見(jiàn)表1)的生產(chǎn)工藝流程為：120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬站→120 t LF爐精煉→180 mm×180 mm連鑄坯(十機(jī)十流)。
LF精煉主要工藝要點(diǎn)及存在的問(wèn)題
LF精煉主要操作要點(diǎn)：鋼水進(jìn)站后加入150 kg白灰及30 kg電石進(jìn)行埋弧造低堿度精煉渣；鋼水溫度升高至1580℃以上進(jìn)行測(cè)溫、取樣、定氧操作，根據(jù)鋼水成分補(bǔ)加硫鐵、磷鐵和低碳錳鐵合金；LF精煉過(guò)程鋼水自由氧含量控制在35×10–6~60×10–6，當(dāng)鋼水自由氧含量高時(shí)，加入鋁鐵進(jìn)行控氧(每12 kg鋁鐵降低鋼水自由氧含量10×10–6)，LF精煉結(jié)束時(shí)鋼水自由氧含量控制在45×10–6~55×10–6。
LF精煉過(guò)程存在的問(wèn)題：(1)精煉過(guò)程鋼水[Mn]、[S]含量波動(dòng)大，補(bǔ)加合金頻繁，合金回收率低且不穩(wěn)定；(2)精煉過(guò)程鋼水自由氧含量波動(dòng)大，個(gè)別爐次精煉過(guò)程出現(xiàn)鋼水自由氧含量低于30×10–6，精煉結(jié)束時(shí)鋼水自由氧含量波動(dòng)大，穩(wěn)定在45×10–6~55×10–6的比例較低；(3)精煉終渣堿度偏低，對(duì)Al2O3、硅酸鹽類夾雜物的吸附效果不好，另外，精煉渣發(fā)泡性不好，通電過(guò)程不能達(dá)到埋弧加熱效果。
精煉工藝優(yōu)化措施
鋼水[Mn]、[S]含量的精確控制
MnS夾雜物是影響易切削鋼切削性能的主要因素，在切削加工時(shí)，MnS夾雜物割斷了基體的連續(xù)性，作為應(yīng)力集中源使車屑易斷，并在刀具與加工件之間形成潤(rùn)滑和保護(hù)作用，降低了刀具的磨損，從而延長(zhǎng)了刀具的壽命，并改善被加工件的表面粗糙度。鋼中硫化物主要以(Fe、Mn)S固溶體形式存在，在鋼中存在Mn的情況下，S優(yōu)先與Mn形成MnS，過(guò)多的S或嚴(yán)重偏析的S再與Fe形成FeS、FeS2或兩者共晶體，即[Mn]/[S]直接影響到MnS及FeS、FeS2的生成比例[7]。生產(chǎn)實(shí)踐表明，[Mn]/[S]最佳控制范圍為3.5~4.0。
鑒于前期開(kāi)發(fā)時(shí)LF精煉進(jìn)站鋼水[Mn]、[S]含量偏低，精煉過(guò)程合金回收率低且不穩(wěn)定，造成增加鋼水[Mn]、[S]含量的控制難度大。因此，優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)爐爐后鋼水[Mn]、[S]成分的目標(biāo)含量：
(1)考慮到LF精煉過(guò)程S損在0.03%~0.06%，提高轉(zhuǎn)爐爐后鋼水[S]含量目標(biāo)值到0.38%~0.43%；(2)提高轉(zhuǎn)爐爐后鋼水[Mn]含量目標(biāo)值到1.34%~1.40%；
(3)控制LF精煉結(jié)束時(shí)[Mn]/[S]在3.5~4.0。
穩(wěn)定LF精煉過(guò)程鋼水氧含量
在易切削鋼中，為得到好的硫化物夾雜形態(tài)，除了保證合適的[Mn]/[S]比，還要保持鋼中有一定的氧含量，氧含量的增高可使硫化物呈粗短的紡錘形，有利于鋼的切削性能。研究表明，當(dāng)氧含量高時(shí)，在早期凝固過(guò)程中鋼中形成了大量的Mn-Fe-O系氧化物顆粒，這些氧化物構(gòu)成硫化物結(jié)晶的異質(zhì)核心，促進(jìn)硫化物在高溫時(shí)呈球狀析出，對(duì)切削性能有利[8]。Eeghem等[9]給出了Al脫氧鋼中氧含量與硫化物形態(tài)之間的定量關(guān)系。當(dāng)[O]>0.012%時(shí)，生成單項(xiàng)球形第Ⅰ類硫化物；當(dāng)0.008%<[O]<0.012%時(shí)，生成共晶扇形或鏈狀第Ⅱ類硫化物；當(dāng)[O]<0.008%時(shí)，生成不規(guī)則第Ⅲ類硫化物。對(duì)于易切削鋼來(lái)說(shuō)，鋼中的硫化物的理想形態(tài)為紡錘狀或近似球狀，即以第Ⅰ類硫化物形式存在。鋼水中過(guò)高的氧含量會(huì)導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)表面針孔和皮下氣泡缺陷[10]，綜合考慮鑄坯質(zhì)量和切削性能，確定鑄坯全氧含量控制在120×10–6~140×10–6。
為解決LF精煉過(guò)程氧含量波動(dòng)大的問(wèn)題，采取的優(yōu)化措施主要包括：(1)轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程每爐加入300 kg硅錳和300 kg鋁鐵進(jìn)行預(yù)脫氧，控制轉(zhuǎn)爐吹氬站鋼水氧含量在60×10–6~80×10–6；(2)LF精煉前期鋼水溫度升高至1580℃以上再進(jìn)行定氧測(cè)溫，LF精煉過(guò)程鋼水自由氧含量控制在50×10–6~70×10–6，當(dāng)鋼水自由氧含量高時(shí)，調(diào)整為加入硅鐵進(jìn)行控氧(每12 kg鋁鐵降低鋼水自由氧含量5×10–6)，LF精煉結(jié)束時(shí)鋼水自由氧含量控制在60×10–6左右，以保證鑄坯全氧含量控制在120×10–6~140×10–6。
優(yōu)化LF精煉渣及造渣制度
1215MS鋼屬于低碳高氧高硫易切削鋼，其精煉渣與其他還原性渣冶金功能有一定的區(qū)別[11]：
(1)渣中需保持一定比例的FeO、MnO與鋼水中的氧平衡；(2)保持合適的精煉渣堿度，以降低渣的脫硫率，同時(shí)又具備吸附鋼水中Al2O3、硅酸鹽類夾雜物的能力；(3)有利于埋弧發(fā)泡，減少加熱過(guò)程電極熱輻射對(duì)鋼包爐襯的侵蝕[12]。由于前期開(kāi)發(fā)過(guò)程精煉終渣堿度偏低、渣量偏少問(wèn)題，本次優(yōu)化精煉造渣措施主要是提高精煉過(guò)程白灰加入量至200~300 kg，電石50 kg，并在精煉渣面加入30 kg鋁粒。另外，通電過(guò)程加入50 kg碳化硅進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，提高精煉頂渣的發(fā)泡性，改善通電加熱到埋弧效果。
工藝優(yōu)化后的效果
鋼水[Mn]、[S]含量變化及[Mn]/[S]比
從表2可以看出，工藝優(yōu)化前LF精煉過(guò)程鋼水[Mn]、[S]含量變化范圍大，主要是因?yàn)?/span>LF精煉進(jìn)站時(shí)鋼水[Mn]、[S]含量低，造成LF精煉過(guò)程需要補(bǔ)加大量的硫鐵合金和錳鐵合金，增加LF精煉工序負(fù)擔(dān)。通過(guò)采用優(yōu)化后的工藝措施，LF精煉進(jìn)站時(shí)鋼水[Mn]、[S]含量明顯提高，LF精煉過(guò)程鋼水[Mn]、[S]含量波動(dòng)范圍變小，LF精煉過(guò)程調(diào)整合金成分的負(fù)擔(dān)變小。另外，工藝優(yōu)化后鋼水的[Mn]/[S]更容易控制在較小范圍內(nèi)，LF精煉結(jié)束時(shí)鋼水[Mn]/[S]由優(yōu)化前的3.1~3.6提高至優(yōu)化后的3.5~3.7。
鋼水自由氧含量及鑄坯全氧含量
從表3可以看出，工藝優(yōu)化前LF精煉過(guò)程鋼水自由氧含量波動(dòng)范圍較大，部分爐次精煉過(guò)程鋼水自由氧含量甚至低于30×10–6，造成精煉過(guò)程需要開(kāi)大翻加入氧化鐵皮對(duì)鋼水進(jìn)行增氧(每30 kg氧化鐵皮增加鋼水氧含量6×10–6)，增加LF精煉工序負(fù)擔(dān)且影響生產(chǎn)節(jié)奏。優(yōu)化工藝后，LF精煉過(guò)程鋼水自由氧含量穩(wěn)定在50×10–6~70×10–6范圍內(nèi)，精煉結(jié)束時(shí)鋼水自由氧含量穩(wěn)定在60×10–6左右。另外，工藝優(yōu)化后的鑄坯T[O]含量也由優(yōu)化前的76.9×10–6~100.4×10–6提高至121.8×10–6~130.7×10–6。
盤圓硫化物夾雜形貌及分布
圖1為優(yōu)化工藝前與優(yōu)化工藝后的鑄坯軋制φ16 mm的盤圓硫化物夾雜形貌。從圖中可以看出，優(yōu)化工藝前的盤圓硫化物夾雜尺寸較細(xì)長(zhǎng)，分布較密集，而優(yōu)化工藝后的盤圓硫化物夾雜尺寸短粗，分布較彌散。對(duì)于易切削鋼來(lái)說(shuō)，短粗狀硫化物夾雜在軋制過(guò)程中可不易變形，對(duì)改善其切削性能非常有益，而偏細(xì)長(zhǎng)狀硫化物使鋼材的橫向機(jī)械性能惡化，降低切削加工性能。
為進(jìn)一步清楚地表征不同工藝對(duì)夾雜物形態(tài)的影響，利用Image Pro Plus軟件對(duì)每個(gè)盤圓試樣的10個(gè)200倍視野進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。
從表4可以看出，優(yōu)化前工藝條件下盤圓硫化物夾雜平均面積和等效直徑均低于優(yōu)化后工藝條件下的盤圓，而夾雜物密度高于優(yōu)化后工藝條件下的盤圓，這表明優(yōu)化前工藝條件下盤圓硫化物夾雜數(shù)量較多，且直徑較小，優(yōu)化后工藝條件下盤圓硫化物夾雜數(shù)量較少，且直徑較大。
精煉渣組成及B類夾雜物級(jí)別
1215MS鋼屬于高氧高硫易切削鋼，LF精煉過(guò)程鋼水很容易生成氧化物夾雜，如果精煉渣吸附夾雜物能力不理想，造成該類大顆粒氧化物殘留在鋼水中，最終影響產(chǎn)品的切削性能。某廠前期開(kāi)發(fā)1215MS鋼過(guò)程盤圓B類夾雜物級(jí)別偏高，為此，后續(xù)優(yōu)化精煉工藝通過(guò)提高精煉渣堿度，以及加入鋁粒進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，提高精煉渣對(duì)B類夾雜物的吸附能力。表5列出了不同工藝條件下的精煉渣組成及對(duì)應(yīng)的盤圓中B類夾雜物級(jí)別。從表中可以看出，工藝優(yōu)化后精煉渣二元堿度由優(yōu)化前1.9~2.2提高至2.3~2.6，精煉渣中Al2O3含量由工藝優(yōu)化前9~10提高至12~14。另外，工藝優(yōu)化后的盤圓中B類夾雜物級(jí)別也有明顯降低。
結(jié)束語(yǔ)
基于某廠開(kāi)發(fā)1215MS易切削鋼時(shí)LF精煉過(guò)程中存在的問(wèn)題，有針對(duì)性地優(yōu)化了前期開(kāi)發(fā)的LF精煉工藝主要操作要點(diǎn)，有效解決了穩(wěn)定鋼水[Mn]/[S]比、鋼水自由氧含量及降低B類夾雜物等技術(shù)難點(diǎn)。(1)通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)爐爐后鋼水硫鐵、錳鐵合金的加入量，減少了LF精煉過(guò)程頻繁加入合金調(diào)整成分的現(xiàn)象，LF精煉結(jié)束時(shí)鋼水[Mn]/[S]由優(yōu)化前的3.1~3.6提高至優(yōu)化后的3.5~3.7。(2)通過(guò)分步脫氧的方式，轉(zhuǎn)爐爐后鋼水進(jìn)行預(yù)脫氧，LF精煉過(guò)程鋼水自由氧含量穩(wěn)定在50×10–6~70×10–6，鑄坯全氧含量控制在120×10–6~140×10–6。(3)通過(guò)提高精煉渣堿度，以及加入鋁粒進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，提高精煉渣對(duì)B類夾雜物的吸附能力，工藝優(yōu)化后的盤圓中B類夾雜物級(jí)別有明顯降低。
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