短流程CrMo合金结构钢中非金属夹杂物的衍变规律及控制研究

发布时间：2020-11-21 23:35

　　 CrMo合金结构钢主要服役于高温高压环境,广泛应用在能源制造和石油化工领域,其对钢液洁净度和钢中非金属夹杂物有严格的要求。国内某钢厂生产CrMo合金结构钢过程中,精炼渣黏度过高,容易结壳,部分钢材产品中存在由包含少量CaO的MgO-Al2O3-CaO复合夹杂物引起的内部缺陷和裂纹,严重影响了产品质量。本文以EAF-LF-VD-CC流程生产的34CrMo4气瓶钢和26CrMo4s/2与28CrMo47钻杆钢为对象,首先使用FactSage软件预测了钢中夹杂物的成分与含量,并对热力学计算结果做了验证,其次研究了不同工艺下钢中夹杂物的衍变机理,在此基础上,通过渣-钢平衡实验研究了低黏度精炼渣对夹杂物的影响,最后提出了精炼渣的优化方案。 FactSage计算结果表明,34CrMo4气瓶钢铸坯中非金属夹杂物主要有Al2O3-CaO氧化物、MgAl2O4、CaMg2Al16O27、CaS和MnS,这与铸坯中夹杂物的电镜分析结果完全一致。计算得到钢中Al夹杂物总量为43ppm,MnS夹杂物总量为108ppm。而夹杂物原位分析结果显示,A1夹杂物总量为20ppm,Mn夹杂物总量为53ppm,夹杂物含量的预测值比实际分析值高出一倍,推测主要原因是中间包阶段夹杂物的上浮降低了铸坯内夹杂物的含量。 实验分析表明：精炼过程中34CrMo4气瓶钢氧含量从180ppm(LF精炼前)降到10ppm(中间包阶段)。SiO2-MnO复合氧化物出现在LF-VD阶段,Al2O3-CaO复合氧化物出现在精炼全过程中。不同冶炼阶段的Al2O3-CaO复合氧化物成分差异较大,VD结束后气瓶钢中Al2O3-CaO复合氧化物主要是12CaO·7Al2O3,中间包阶段由于夹杂物中Al2O3含量的增加,导致Al2O3-CaO复合氧化物向高熔点区域转移。铸坯中Al2O3-CaO复合氧化物表层包裹了CaS,部分氧化物夹杂中出现了MgO,除此之外钢中出现MgAl2O4和MnS夹杂。CrMo气瓶钢中由卷渣带入的大型夹杂物含量达到了150mg/10kg钢。 针对CrMo石油钻杆钢的生产流程,设计了不同脱氧工艺和钙处理工艺的工业实验。使用硅钙钡脱氧,VD过程喂钙线的钻杆钢,中间包和连铸坯中夹杂物是Al2O3-CaO-CaS。VD过程不喂钙线,中间包和连铸坯中夹杂物是MgO-Al2O3-CaO, SiO2-Al2O3-MnO和群簇状Al2O3。同时使用硅钙钡和铝脱氧,VD过程喂钙线的钻杆钢,VD结束、中间包和连铸坯中夹杂物主要是MgO-Al2O3-CaO和CaS。VD过程不喂钙线连铸坯中夹杂物主要MgO-Al2O3-CaO和MnS。不同精炼工艺下,虽然钢中氧含量经历了不同的变化过程,但是最终连铸坯中氧含量都在20ppm以下。钢中大型夹杂物含量在10m/10kg钢以下,同一脱氧方式下,VD过程喂钙线的钢中大型夹杂物含量相对较高,球形铝酸盐和不规则颗粒状MgO-CaO是其主要组成。石油钻杆钢连铸坯中的群簇状Al2O3、低熔点的Si02-A1203-MnO复合氧化物、容易被轧制拉长的MnS以及含有少量CaO的MgO-A1203-CaO复合氧化物对钢材质量影响较大。比较不同工艺下最终连铸坯的洁净度和钢中夹杂物的存在形式可知,CrMO合金结构钢冶炼过程中硅钙钡合金脱氧、VD过程喂钙线的工艺路线效果最好。 硅钙钡脱氧和硅钙钡加铝复合方式下1500℃时,VD结束后精炼渣的黏度分别达到2.5Pa·s和1.5Pa-s,随着温度降低粘度值迅速增加,容易引起结壳。为降低渣黏度,参照28CrMo47钻杆钢生产精炼渣,设计了合成渣E(质量分数,CaO,55%;Si02,21%;A1203,12%;MgO,7%;CaF2,5%)与合成渣F(质量分数CaO,51%;Si02,17%;A1203,25%;MgO,7%)。1500℃时两种合成渣黏度都在0.5Pa.s附近。渣-钢平衡实验表明合成渣E使钢中夹杂物成分靠近MgO-A12O3-CaO三元系中高熔点CaO区域,合成渣F使夹杂物成分集中在低熔点相区。相对于合成渣E,合成渣F降低钢中夹杂物含量的效果更好。 合成渣F中不同v含量对炉渣黏度和夹杂物影响的研究表明,Al2O3含量在质量分数20%-35%之间时,渣黏度在1400℃～1500℃之间都处在0.5～1Pa·S范围内。熔渣拉曼分析结果表明,1500℃下黏度最高的Al2O3含量25%合成渣熔体中非桥氧相对含量最低。F系列合成渣(Al2O3含量为质量分数20%～40%)处理后的钢中夹杂物主要是MgO-Al2O3-CaO复合氧化物且成分点比较分散。Al2O3含量在质量分数25%～40%之间时,夹杂物中Al2O3含量随渣中Al2O3含量的增高而增高。渣中Al2O3含量为25%时夹杂物成分点相对集中,大多数处在靠近A1203-CaO的低熔点区。F系列合成渣作用下,钢中1～3μm之间的夹杂物数量都处在相似的水平。3～5μm的夹杂物数量与夹杂物成分中的MgO/CaO和A1203/(A1203+CaO)呈负相关。说明渣-钢平衡实验中熔点高的夹杂物数量较少,熔点低的夹杂物数量较多。实验研究表明,对于CrMO合金钢最佳的精炼渣渣系组成为质量分数CaO,51%;SiO2,17%; A1203,25%;MgO,7%。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF762.3
【部分图文】：

图2-2不同通度下夹杂物的变形能力图2-2显示了 ICiesslingRti7]总结的(Fe，Mn)0、AI2O3、招酸妈、尖晶石型复合氧化物(A0_B203)、桂酸盐和硫化物的变形能力指数与形变温度的关系。研究发现刚玉、招酸尖晶石和方石英等夹杂物在钢材常规热加工温度下无塑性变形能力，而硫化猛在1000°C以下的变形能力与钢基体相同。(3)夹杂物的热膨胀能力有研究者【28]认为钢材在加热或冷却过程中，由于钢基体与夹杂物的热膨胀系数不同，在钢中夹杂物或钢中第二相粒子周围将产生嵌镶应力，其大小与钢和夹杂物的膨胀系数及温度有关。这很好地解释了硫化猛包裹氧化物夹杂时，能够减小脆性氧化物夹杂的危害的原因；也很好地解释了轴承钢中不变形的点状绍酸韩夹杂比氧化招更有害的原因。图2-3给出了各种夹杂物的平均热膨胀系数。-7-

夹条物热膨胀系数2.1.3夹杂物对钢材性能的影响

夹杂物成分也可以通过电子探针微观分析仪（EPMA)或者能谱分析仪来测定，如图2-4所示。但该方法需要广泛地观察试样去寻找夹杂物。1200-?-■AjJ'I^ A**" , I? ‘ *图2-4非金属夹杂物的电镜和能谱（SEM+EDS)分析结果(3)脉冲识别分析光发射光谱法（OES-PDA), OES法分析钢中的溶解元素，夹杂物会引起高密度的火法峰值，再被计数赋给PDA读数。(4)化学溶解（CD)，用酸溶解钢样可以提取出一部分夹杂物，所得夹杂物形貌与成分可以用其他方法如SEM来检测。这种方法的缺点是酸会溶解MgO、MnO、CaO等夹杂物，只适用于检测AbOg和SiOz等一部分夹杂物。(5) Slime电解法，通过将大型钢样（200g-2kg)在酸溶液中电解得到其中大部分夹杂物，再用其他方法分析得到的夹杂物。该方法的缺点同样是酸液会溶解部分夹杂物，并且只能得到较大尺寸的夹杂物（3(Vm以上）。间接分析方法有：(1)总氧量测定，钢中的总氧量是自由氧（溶解氧）和与非金属夹杂物的结合氧之和。因为自由氧变化不大
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 李静媛,魏成富,孙维礼,张忠心;42CrMo钢中夹杂物对性能的影响[J];兵器材料科学与工程;1992年01期

2 余健;李晶;王福明;傅杰;阿不力克木·亚森;;管线钢中典型夹杂物的热力学分析[J];北京科技大学学报;2009年S1期

3 宋延琦;李京社;李娇;王再飞;杨树峰;;气瓶钢精炼过程中的MgO·Al_2O_3夹杂物[J];北京科技大学学报;2009年S1期

4 张静;于会香;王新华;王万军;王茂;;精炼渣成分对高强度低合金钢中非金属夹杂物影响[J];北京科技大学学报;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,李静缓,罗学厚;非金属夹杂物与钢的韧性研究[J];材料科学与工程;2000年02期

8 徐金瑜;游敏;苏国亮;王飞;张康;邱会东;;炼钢脱氧剂的研究进展[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2011年03期

9 邓志银;朱苗勇;钟保军;戴永刚;;不同碱度精炼渣的冶金性能[J];东北大学学报(自然科学版);2012年04期

10 周梦雄,彭国良,邱宁;石油钻杆裂纹分析[J];钢管;2004年05期

本文编号：2893766