特殊钢发展新趋势与工艺创新论文_于斌,孙卫,于增春,刘业

西宁特殊钢股份有限公司 青海西宁 810005

摘要:特殊钢是重大装备和国防先进武器装备必须的核心和关键材料,既是一个国家钢铁工业生产制造水平的标志,也是国家综合实力与国家安全的基本保证条件。本文论述了特殊钢的发展新趋势与工艺创新。

关键词:特殊钢;发展新趋势;工艺创新

前 言:特殊钢是指具有特殊的化学成分、采用特殊的工艺生产、具备特殊的组织性能、能满足特殊使用要求的钢类。特殊钢广泛用于汽车制造、新能源交通运输、机电产品、石油化工等领域,由于其多品种、小批量、产品性能多样化的特点,以及在国民经济和国防建设中的突出作用,普遍受到各国政府的重视。

1 特殊钢概述

特殊钢是具有特殊成分、特殊生产工艺、具有特殊的组织和性能,能满足特殊需要的钢类,即除了普通钢以外所有钢类都属于特殊钢。与普通钢相比,特殊钢具有高纯度、高均匀性、超细组织和高精度等特点:①高纯度。有针对性降低钢中气体、夹杂物(含低熔点金属夹杂物)的含量。钢的纯度提高到一定限度,不但可大幅度提高钢的原有性能,还可赋予钢以新的性能。②高均匀性。钢的成分偏析导致钢组织、性能的不均匀,这是钢制零部件提前失效及钢性能潜力难以充分发挥的重要原因之一。③超细组织。超细组织强化是惟一增加钢强度而不降低韧性或使韧性略有增加的强化机制。④高精度。特殊钢材要有良好的表面质量和窄的尺寸公差。

2 特殊钢发展新趋势

特殊钢是具有特殊用途的钢材,一般作为高端制造业装备中具有特殊性能要求,如耐寒、耐蚀、抗高温蠕变和延迟断裂等关键零部件,或动力装置中的基础零部件,如车轮、钢轨、轴类、弹簧、齿轮、轴承和连接件等,是发展现代制造业最重要的钢铁材料。

特殊钢不仅要具备服役条件所要求的特殊性能,对钢材基础性能也有很高要求。要具备高的强韧性、高的疲劳强度和疲劳寿命、良好的淬透性和横、纵向性能,是性能要求最严格的产品。轴承钢是特殊钢的典型品种,其发展趋势代表了特殊钢的发展方向。

20世纪末,洁净钢冶炼技术发展促进了轴承钢为代表的特殊钢质量提升,主要的发展方向是提高钢材纯净度,降低T.O含量。到21世纪,特殊钢产品质量如何提高引发国际上争论,主要有3种观点:1)认为应进一步提高钢材洁净度,降低T.O含量;2)认为严格控制钢中夹杂物尺寸和形态是主要途径;3)对是否控制硫化物也有争论,传统认为硫化物为塑性夹杂,包裹氧化物可降低氧化物危害,不主张严格控制钢水硫含量。为解决这些争论,开展了大量钢材疲劳断裂机理及夹杂物危害的基础研究,提出在现有钢材洁净度条件下控制最大夹杂物尺寸是提高疲劳性能的主要途径。

3 夹杂物对特殊钢性能的影响

3.1 钢材洁净度的影响

开展高纯净和超纯净轴承钢滚动疲劳试验,试验钢的主要区别是 (T.O):超纯净钢平均为4.5×10-6,高纯净钢为8×10-6,[Ti]和[S]相差不大。试验结果如图1所示,并得出以下结论:

图1 高纯净和超纯净轴承钢疲劳试验结果

(1)随洁净度提高疲劳寿命从107提高到108,L10平均提高4.2倍。

(2)提高洁净度可减小钢中夹杂物尺寸:超纯净钢最大夹杂物尺寸为25μm,比高纯净钢51μm降低50%。

(3)低硫( (S)≤0.006%)条件下,超纯净钢断口中Ti(C,N)夹杂出现频率高达50%~60%;高纯净钢以氧化物夹杂为主,Ti夹杂出现频率较低。

(4)高纯净钢断裂面上发现的MgO-Al2O3和CaO-Al2O3夹杂明显多于Ti(C,N)夹杂,大型氧化物夹杂是降低高纯净钢疲劳寿命的主要原因。

3.2 夹杂物形态的影响

为研究不同夹杂物形态对疲劳性能的影响,对不同硫含量超洁净和高洁净轴承钢中夹杂物及疲劳寿命进行对比研究。试验钢种成分分为高硫钢(F、G、H、I、J、 (S)=0.01%)和低硫钢(A、B、C、D、E、 (S)=0.002%),其中D、E、F、G为超洁净钢( (T.O)=(4~5)×10-6),A、B、C和H、I、J为高洁净钢( (T.O)=(6~8)×10-6)。试验得出:高硫钢(高洁净或超洁净)夹杂物以硫化物为主;高洁净低硫钢以氧化物夹杂为主;超高洁净低硫钢中氮含量高的以硫化物为主;氮含量低的以Ti夹杂为主。

经试验得出以下结论:

(1)T.O对疲劳寿命影响最大,超洁净低硫钢的疲劳寿命比高洁净低硫钢平均提高约5.4倍。

(2)硫对超洁净钢疲劳寿命影响显著:提高硫含量使L10降低4.1倍。

(3)高洁净钢疲劳寿命主要决定于T.O,[S]对L10影响不明显。

(4)降低[N]利于减少硫化物,使低硫超洁净钢的L10提高3.25倍。

(5)各种夹杂对疲劳寿命的影响:氧化物>硫化物>Ti夹杂。

滚动疲劳试验证明:硫化物和氧化物夹杂一样,会在表面萌生裂纹。硫化物的破坏机制分两种:Ⅰ类裂纹与滚动方向垂直扩展,发生在疲劳试验前期;Ⅱ类裂纹在夹杂物表面以45°角萌生,裂纹平行于滚动方向延伸,最终形成剥落,在试验后期更趋严重。

3.3 夹杂物尺寸的影响

夹杂物尺寸对钢材疲劳性能影响显著,随夹杂物尺寸加大裂纹扩展速度da/d N提高,决定了钢材的疲劳寿命。图2给出试验中各类夹杂物尺寸变化对轴承钢疲劳寿命L10的影响,图中标识A~I表示试验钢号,实点表示不同钢号中预测的最大夹杂物尺寸和类型。无论氧化物、硫化物和Ti夹杂对疲劳寿命L10的影响主要决定于预测的夹杂物最大尺寸,随预测最大夹杂物尺寸降低钢材疲劳寿命L10升高。

4 控制钢中大型夹杂物的工艺创新

4.1 减轻炉外精炼负荷

目前,大多数钢厂钢水提纯的重点在炉外精炼,对提高钢材洁净度有明显效果。但从控制夹杂物方面考虑,反应产物均以夹杂物的形式留在钢中,成为污染钢水的主要环节。今后炼钢流程应实现三大转变:脱磷、脱硫向铁水预处理转移,利用良好的热力学条件提高反应效率,降低消耗和成本;钢包合金化向转炉内转移,利用转炉良好的氧化提纯特点消除合金中残留Al、Ti、Mg、Ca等元素对生成大型夹杂物的影响;钢包内粗脱氧向转炉低氧钢冶炼方向转移,通过高碳出钢和加强熔池搅拌促进碳氧平衡,严格控制钢渣过氧化。实现三大转变不仅可提高钢材纯净度,而且利于降低生产成本和提高效率,更利于控制钢中夹杂物。

4.2 改变脱氧工艺

渣钢精炼是钢水脱氧和控制T.O的主要手段,对降低T.O有明显效果。但渣钢精炼不断产生对钢材性能危害最大的MgO-Al2O3和CaO-Al2O3-(MgO)系大型夹杂物成为该工艺的本质缺点。今后应充分发挥真空下无渣精炼的技术优势,用真空碳脱氧取代渣钢扩散脱氧。由于真空碳脱氧的产物为CO气体,不会污染钢水。实现真空碳脱氧的技术关键是提高RH界面反应速度,促使真空下C-O反应接近气相平衡。

4.3 严格控制卷渣夹杂

卷渣夹杂是大多数钢厂Ds类夹杂的主要来源,也是多数钢厂尚未引起重视的夹杂物来源。卷渣夹杂不仅来源于精炼过程,也会在浇铸和凝固过程中不断产生,成为整个生产过程中危害最大、随机性最强,也最难控制的夹杂物来源。控制卷渣夹杂不但要严格控制精炼过程的搅拌强度,更应加强中间包密封,避免钢水二次氧化;要合理设计中间包流场,实现无渣浇铸;采取进一步减小结晶器液面波动等措施。

4.4 促进连铸中大型夹杂物上浮

连铸是整个炼钢过程中夹杂物控制的最终环节,铸机去除最大夹杂物的能力往往代表钢材最大夹杂物控制水平。近年来日本特殊钢厂推广采用立式(或直弧型)大断面铸机,适当降低拉速和提高钢水过热度等措施,提高连铸机去除大型夹杂物的能力,图3给出立式、直弧型和弧型三种铸机在同一拉速下去除最大夹杂物(用电解法评估夹杂物尺寸)的能力:立式铸机比弧型铸机去除大型夹杂物的能力提高1倍以上。

图3 机型对夹杂物去除能力的比较

结 语

特殊钢是钢铁产品中技术含量高、附加值高、质量要求高、制造工艺特殊的一类产品,也是高端装备和国防现代化装备制造业必需的关键和基础材料,特殊钢也代表一个国家钢铁工业的制造水平,是钢铁强国的重要标志。

参考文献

[1]谢蔚.浅析特殊钢发展新趋势[J].钢铁,2014.

[2]范建文.轴承钢精炼中大型夹杂物来源的示踪研究[C].宝钢学术年会文集,2015.

[3]刘浏.特殊钢发展新趋势与工艺创新分析[J].炼钢,2017.

论文作者:于斌,孙卫,于增春,刘业

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期

论文发表时间:2018/11/2

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