含硫易切结构钢精炼工艺优化及钢中硫化物形态控制的研究

发布时间：2020-04-03 03:47

【摘要】：含硫易切结构钢具有良好的综合力学性能和切削性能,是机械制造领域中的一类重要钢质材料,被广泛用于制作汽车零部件。由于该钢种同时含铝和硫,冶炼过程中容易形成高熔点夹杂物,导致钢水可浇性较差,连铸生产时容易堵塞水口。同时,作为易切相的MnS夹杂在轧材中呈长带状,降低了钢材横向韧性,阻碍了切削性能的进一步提升。针对含硫易切结构钢存在的上述问题,论文以[S]=0.08~0.13wt%的中、高硫易切结构钢(MH-S钢)为研究对象,在LF-VD双联的精炼工艺流程下,分析了钢中夹杂物形成、演变规律及其控制方法,并以此为基础,对相关精炼工艺进行了优化。同时,基于钢水可浇性和钢材性能协调控制的考虑,通过热力学计算,确定了Zr为硫化物夹杂的形态控制剂,并建立了钢水凝固过程中的夹杂物耦合析出模型,研究了硫化物夹杂析出与钢水成分之间的热力学关系。此外,通过热态实验和性能检测,研究了锆对钢中夹杂物形态的影响规律,探讨了同时提升钢材力学性能和切削性能的可能性和控制方法。热力学研究和现场调研发现,在MH-S钢中易生成高熔点CaS和MgO?Al_2O_3夹杂而导致水口结瘤。精炼渣脱硫能力过强或软吹控制不当,促进了CaS夹杂的形成。钢中残留的脱氧产物Al_2O_3以及精炼渣、耐材在VD处理过程中向钢水供[Mg],促使了MgO?Al_2O_3夹杂的生成。为强化吸收脱氧产物Al_2O_3和弱化脱硫,研究得出了适宜的目标精炼终渣成分为(FeO+MnO)1.5wt%、SiO_2=15~20wt%、CaO=45~50wt%、Al_2O_3=25~30wt%和MgO=6~8wt%。同时,通过采取减少CaS夹杂生成和加强MgO?Al_2O_3夹杂排除的工艺控制措施,达到了单中间包6~8炉的钢水连浇能力。钢水凝固前和凝固过程中的夹杂物析出计算表明,为防止在钢水凝固前析出Zr_3S_4夹杂而影响钢水可浇性,MH-S钢中的[Zr]应低于0.17wt%。另外,为提高凝固过程中的Zr_3S_4夹杂析出比,以增加硫化物变性程度,需降低[Mn]、T.O、[N],并增加[Zr]。因此,应在脱氧和去夹杂等精炼任务完成后进行锆处理,同时,将[Mn]调整至钢种中、下限,并严控钢中[N]。通过对夹杂物形态转变规律的实验研究,发现当钢中[Zr]低于0.05wt%时,加大钢水锆处理强度,夹杂物总量基本不变,而夹杂物由条簇状MnS转变为颗粒状(Mn_x,Zr_y)S,且(Mn_x,Zr_y)S夹杂中的锆含量逐渐增加,夹杂物的热变形能力随之降低。当钢中[Zr]高于0.05wt%后,进一步增加[Zr],(Mn_x,Zr_y)S夹杂中的锆含量将保持不变,此时,钢中富余锆一方面以硬而脆的硫化锆颗粒析出,增加了夹杂总量,另外一方面形成沿晶分布的薄片状Fe-Zr合金相。研究还发现,当Zr_3S_4析出比为15wt%时,硫化物夹杂具有合理的变性程度。基于此,利用夹杂物耦合析出模型,研究了含硫易切结构钢典型钢水成分条件下的合理锆处理强度,发现锆处理更适用于[S]低于0.15wt%的钢水,并且合理[Zr]含量应为[wt%Zr]_(rea)=0.28[wt%S]+0.017[wt%Mn]。力学性能和切削性能的实验研究发现,随钢中[Zr]增加,钢材的塑性和冲击韧性先增加后降低,而冲击韧性的方向性先降低后增加。在[Zr]=0.039wt%时,钢材的塑、韧性达到峰值,且冲击性能方向性显著降低。另外,当钢中[Zr]不高于0.14wt%时,钢材的屈服强度和抗拉强度基本不变,而当钢中[Zr]=0.25wt%时,屈服强度和抗拉强度明显升高。聚集型MnS夹杂降低了切削抗力,并可在低速切削时附着于硬质合金刀具表面而形成覆盖膜,降低了刀具磨损,提高了刀具寿命。但在高速切削时,MnS无法形成刀具覆盖膜,从而降低了刀具寿命。(Mn_x,Zr_y)S夹杂在低、高速切削条件下均可形成刀具覆盖膜,相较MnS夹杂,可显著延长刀具的高速切削寿命。硫化锆夹杂无法形成刀具覆盖膜,且其质硬,从而加剧了刀具磨损。因此,将夹杂物变性为非聚集型的、纺锤状的(Mn_x,Zr_y)S夹杂,对协调改善力学性能和切削性能具有重要的意义,但需加强切屑形态的控制。
【图文】：

[41]。图1.1 [Al]-[S]热力学平衡关系（T=1550°C）[41]Fig. 1.1 Thermodynamic equilibrium between [Al] and [S] at 1550°C[41]当钢水成分位于图 1.1 所示平衡曲线的上方时，，因[Ca]与[S]的结合趋势较强，Al2O3无法充分变性，钢中将生成 CaS 夹杂和 CaO/Al2O3较低的高熔点 CaO-Al2O3系夹杂，无法提高钢水可浇性。为了达到理想的夹杂物变性效果，钢水成分应位

10标准定义为 A 类夹杂。图1.5 热轧态钢中的长带状MnS夹杂[60]Fig. 1.5 Elongated MnS inclusions in hot-rolled steel[60]针对中、高硫易切结构钢的轧（锻）材，统计了国内外钢铁企业在 A 类硫化物夹杂控制方面的实际水平，如表 1.3 所示。从表中可看出，硫化物夹杂的形态控制效果普遍欠佳，A 类细系评级一般高于 3.0 级，部分厂家的产品中还存在粗系的A 类夹杂。因此，寻求中、高硫易切结构钢中硫化物夹杂形态控制的有效手段
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF76

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 马登德;周勇;严良峰;;硫含量对不锈钢夹杂物的影响[J];浙江冶金;2016年Z2期

2 陈学群,孔小东,常万顺,陈德斌;低碳钢中硫化物夹杂物诱发点蚀的机理[J];海军工程学院学报;1997年01期

3 汪钺强;姚锡仁;陈德辉;;车轴坯硫化物夹杂的改善[J];宝钢技术;1993年05期

4 董履仁;刘新华;;钢中硫化物夹杂物及其形态控制[J];钢铁;1987年06期

5 汪美蔷;;定量金相在分析稀土处理钢中硫化物夹杂方面的应用[J];钢铁研究;1987年02期

6 韩云龙;;低硫16Mn钢中稀土作用的研究[J];鞍钢技术;1988年12期

7 段飞虎;;钢中氧含量对硫化物夹杂种类和形态的影响[J];钢铁研究;2016年04期

8 E.Keskinkilic;张怀军;;热轧车轮钢钙处理后的硫化物夹杂形态[J];现代冶金;2014年01期

9 张彩军;蔡开科;袁伟霞;;管线钢硫化物夹杂及钙处理效果研究[J];钢铁;2006年08期

10 陈学群,孔小东,杨思诚;硫化物夹杂对低碳钢孔蚀扩展的影响[J];中国腐蚀与防护学报;2000年02期

相关会议论文 前10条

1 马惠霞;李文竹;黄磊;王晓峰;隋晓红;;轴承钢中硫化物夹杂疲劳裂纹的微观分析[A];全国冶金物理测试信息网建网30周年学术论文集[C];2011年

2 施瑜;傅杰;吴华杰;;低碳钢中硫的作用和控制[A];冶金研究中心2005年“冶金工程科学论坛”论文集[C];2005年

3 程健云;;OCr17Ni4Cu4Nb中的细小硫化物夹杂及其对策[A];2007四川省理化检验、无损检测学术交流年会论文集[C];2007年

4 安杰;李忠伟;于丹;陈秀强;林晶晶;耿振伟;;控制硫含量降低夹杂缺陷的生产实践[A];第十七届（2013年）全国炼钢学术会议论文集（B卷）[C];2013年

5 孙巍;胡裕龙;;脱氧制度对锰铌钢点蚀诱发敏感性影响的研究[A];第十八届全国缓蚀剂学术讨论会论文集[C];2014年

6 王杰;刘晓东;宋绪轲;王绍禄;唐国红;;Q345R容器板延伸率不合影响因素分析[A];2009年全国中厚板生产技术研讨会论文集[C];2009年

7 周平;董杰;朱荣;李联生;殷浩;;用钙和稀土联合处理研制低碳易切削钢[A];冶金研究中心2005年“冶金工程科学论坛”论文集[C];2005年

8 刘承军;姜茂发;李春龙;王云盛;陈建军;;稀土对BNbRE重轨钢冲击韧性的影响作用[A];2005中国钢铁年会论文集（第4卷）[C];2005年

9 杨贵军;刘钢;陈明;胡俊辉;黄剑;;低碳硫系易切削钢切削性能试验研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年

10 王文才;谢赛;郑志田;;低合金中厚钢板延伸率不合原因分析及预防措施[A];2012河北省炼钢连铸生产技术与学术交流会论文集[C];2012年

相关博士学位论文 前1条

1 郭银涛;含硫易切结构钢精炼工艺优化及钢中硫化物形态控制的研究[D];重庆大学;2017年

相关硕士学位论文 前1条

1 黄勇;含硫化物夹杂铁基块体非晶合金耐蚀性能及点蚀萌生机理[D];南昌航空大学;2017年

本文编号：2612886