CrMo合金結構鋼主要服役于高溫高壓環境,廣泛應用在能源制造和石油化工領域,其對鋼液潔凈度和鋼中非金屬夾雜物有嚴格的要求。國內某鋼廠生產CrMo合金結構鋼過程中,精煉渣黏度過高,容易結殼,部分鋼材產品中存在由包含少量CaO的MgO-Al2O3-CaO復合夾雜物引起的內部缺陷和裂紋,嚴重影響了產品質量。本文以EAF-LF-VD-CC流程生產的34CrMo4氣瓶鋼和26CrMo4s/2與28CrMo47鉆桿鋼為對象,首先使用FactSage軟件預測了鋼中夾雜物的成分與含量,并對熱力學計算結果做了驗證,其次研究了不同工藝下鋼中夾雜物的衍變機理,在此基礎上,通過渣-鋼平衡實驗研究了低黏度精煉渣對夾雜物的影響,最后提出了精煉渣的優化方案。 FactSage計算結果表明,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果完全一致。計算得到鋼中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,夾雜物含量的預測值比實際分析值高出一倍,推測主要原因是中間包階段夾雜物的上浮降低了鑄坯內夾雜物的含量。 實驗分析表明：精煉過程中34CrMo4氣瓶鋼氧含量從180ppm(LF精煉前)降到10ppm(中間包階段)。SiO2-MnO復合氧化物出現在LF-VD階段,Al2O3-CaO復合氧化物出現在精煉全過程中。不同冶煉階段的Al2O3-CaO復合氧化物成分差異較大,VD結束后氣瓶鋼中Al2O3-CaO復合氧化物主要是12CaO·7Al2O3,中間包階段由于夾雜物中Al2O3含量的增加,導致Al2O3-CaO復合氧化物向高熔點區域轉移。鑄坯中Al2O3-CaO復合氧化物表層包裹了CaS,部分氧化物夾雜中出現了MgO,除此之外鋼中出現MgAl2O4和MnS夾雜。CrMo氣瓶鋼中由卷渣帶入的大型夾雜物含量達到了150mg/10kg鋼。 針對CrMo石油鉆桿鋼的生產流程,設計了不同脫氧工藝和鈣處理工藝的工業實驗。使用硅鈣鋇脫氧,VD過程喂鈣線的鉆桿鋼,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Al2O3。同時使用硅鈣鋇和鋁脫氧,VD過程喂鈣線的鉆桿鋼,VD結束、中間包和連鑄坯中夾雜物主要是MgO-Al2O3-CaO和CaS。VD過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,雖然鋼中氧含量經歷了不同的變化過程,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過程喂鈣線的鋼中大型夾雜物含量相對較高,球形鋁酸鹽和不規則顆粒狀MgO-CaO是其主要組成。石油鉆桿鋼連鑄坯中的群簇狀Al2O3、低熔點的Si02-A1203-MnO復合氧化物、容易被軋制拉長的MnS以及含有少量CaO的MgO-A1203-CaO復合氧化物對鋼材質量影響較大。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合金結構鋼冶煉過程中硅鈣鋇合金脫氧、VD過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合方式下1500℃時,VD結束后精煉渣的黏度分別達到2.5Pa·s和1.5Pa-s,隨著溫度降低粘度值迅速增加,容易引起結殼。為降低渣黏度,參照28CrMo47鉆桿鋼生產精煉渣,設計了合成渣E(質量分數,CaO,55%;Si02,21%;A1203,12%;MgO,7%;CaF2,5%)與合成渣F(質量分數CaO,51%;Si02,17%;A1203,25%;MgO,7%)。1500℃時兩種合成渣黏度都在0.5Pa.s附近。渣-鋼平衡實驗表明合成渣E使鋼中夾雜物成分靠近MgO-A12O3-CaO三元系中高熔點CaO區域,合成渣F使夾雜物成分集中在低熔點相區。相對于合成渣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含量對爐渣黏度和夾雜物影響的研究表明,Al2O3含量在質量分數20%-35%之間時,渣黏度在1400℃～1500℃之間都處在0.5～1Pa·S范圍內。熔渣拉曼分析結果表明,1500℃下黏度最高的Al2O3含量25%合成渣熔體中非橋氧相對含量最低。F系列合成渣(Al2O3含量為質量分數20%～40%)處理后的鋼中夾雜物主要是MgO-Al2O3-CaO復合氧化物且成分點比較分散。Al2O3含量在質量分數25%～40%之間時,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%時夾雜物成分點相對集中,大多數處在靠近A1203-CaO的低熔點區。F系列合成渣作用下,鋼中1～3μm之間的夾雜物數量都處在相似的水平。3～5μm的夾雜物數量與夾雜物成分中的MgO/CaO和A1203/(A1203+CaO)呈負相關。說明渣-鋼平衡實驗中熔點高的夾雜物數量較少,熔點低的夾雜物數量較多。實驗研究表明,對于CrMO合金鋼最佳的精煉渣渣系組成為質量分數CaO,51%;SiO2,17%; A1203,25%;MgO,7%。
【學位單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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]總結的(Fe，Mn)0、AI2O3、招酸媽、尖晶石型復合氧化物(A0_B203)、桂酸鹽和硫化物的變形能力指數與形變溫度的關系。研究發現剛玉、招酸尖晶石和方石英等夾雜物在鋼材常規熱加工溫度下無塑性變形能力，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]認為鋼材在加熱或冷卻過程中，由于鋼基體與夾雜物的熱膨脹系數不同，在鋼中夾雜物或鋼中第二相粒子周圍將產生嵌鑲應力，其大小與鋼和夾雜物的膨脹系數及溫度有關。這很好地解釋了硫化猛包裹氧化物夾雜時，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。-7-

夾條物熱膨脹系數2.1.3夾雜物對鋼材性能的影響

夾雜物成分也可以通過電子探針微觀分析儀（EPMA)或者能譜分析儀來測定，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)分析結果(3)脈沖識別分析光發射光譜法（OES-PDA), OES法分析鋼中的溶解元素，夾雜物會引起高密度的火法峰值，再被計數賦給PDA讀數。(4)化學溶解（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來檢測。這種方法的缺點是酸會溶解MgO、MnO、CaO等夾雜物，只適用于檢測AbOg和SiOz等一部分夾雜物。(5) Slime電解法，通過將大型鋼樣（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。該方法的缺點同樣是酸液會溶解部分夾雜物，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)總氧量測定，鋼中的總氧量是自由氧（溶解氧）和與非金屬夾雜物的結合氧之和。因為自由氧變化不大
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李靜媛,魏成富,孫維禮,張忠心;42CrMo鋼中夾雜物對性能的影響[J];兵器材料科學與工程;1992年01期

2 余健;李晶;王福明;傅杰;阿不力克木·亞森;;管線鋼中典型夾雜物的熱力學分析[J];北京科技大學學報;2009年S1期

3 宋延琦;李京社;李嬌;王再飛;楊樹峰;;氣瓶鋼精煉過程中的MgO·Al_2O_3夾雜物[J];北京科技大學學報;2009年S1期

4 張靜;于會香;王新華;王萬軍;王茂;;精煉渣成分對高強度低合金鋼中非金屬夾雜物影響[J];北京科技大學學報;2011年07期

5 ;Modification of MgO·Al_2O_3 spinel inclusions in Al-killed steel by Ca-treatment[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2011年01期

6 ;A method for observing the three-dimensional morphologies of inclusions in steel[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2012年02期

7 曾光廷,李靜緩,羅學厚;非金屬夾雜物與鋼的韌性研究[J];材料科學與工程;2000年02期

8 徐金瑜;游敏;蘇國亮;王飛;張康;邱會東;;煉鋼脫氧劑的研究進展[J];重慶科技學院學報(自然科學版);2011年03期

9 鄧志銀;朱苗勇;鐘保軍;戴永剛;;不同堿度精煉渣的冶金性能[J];東北大學學報(自然科學版);2012年04期

10 周夢雄,彭國良,邱寧;石油鉆桿裂紋分析[J];鋼管;2004年05期

本文編號：2893766