不同精炼条件弹簧钢中夹杂物及其析出热力学研究

摘要

钢中全氧含量及其夹杂物是决定弹簧钢性能的主要因素,降低其全氧含量和控制夹杂物塑性化一直以来都是弹簧钢冶炼的重点也是难点,而炉外精炼是冶炼高质量弹簧钢的关键。针对于此,本文首先以国内某厂采用Si-Mn脱氧生产的弹簧钢60Si2MnA为例,对弹簧钢的洁净度进行研究,主要分析研究了弹簧钢中全氧含量和非金属夹杂的变化,并针对该厂冶炼的弹簧钢钢液成分、夹杂物组成和精炼渣进行了热力学分析;其次,针对关于Al脱氧结合精炼渣精炼及钙处理冶炼超低氧弹簧钢60Si2MnA夹杂物控制常出现的问题,本文通过热力学计算探讨钢液中[Al]、[Ca]、[S]浓度和钢液温度对Al2O3夹杂物变性行为的影响,以及对钢液中铝酸钙硫化物复合夹杂的析出进行了热力学分析与控制。
　　针对该厂采用Si-Mn脱氧生产的弹簧钢60Si2MnA,通过现场取样,实验室观察分析发现:炉渣碱度在1左右,渣中(FeO+MnO)含量较高在2％~3%,钢中全氧(T.O)含量在25~30ppm;夹杂物数量较多,单位面积个数约为38个/mm2,尺寸较大约为8μm左右;钢中以呈球形的脆性(Al2O3)和不变形(SiO2、MgO、CaS)夹杂居多,还存在大量尺寸不一的MnS夹杂,没有发现硅酸盐夹杂。
　　对Si-Mn脱氧冶炼弹簧钢60Si2MnA的热力学计算表明:在较低的温度下,即使氧含量很低也可以控制钢液中夹杂物为低熔点夹杂;在钢液温度为1600℃条件下,当[Al]<24.5×10-6时,不析出 Al2O3,当[Al]<24.5×10-6,1.38×10-11<[Ca]a<3.98×10-10时,钢中可析出低熔点的CaO·Al2O3·2SiO2,但析出此夹杂的可控范围比较小;在钢液温度为1479℃条件下,当[Al]<12×10-6,2.19×10-12<[Ca]a<5.62×10-11,钢中可析出CaO·Al2O3·2SiO2,可控范围变得更窄;控制精炼渣w(Al2O3)为0%~20%,碱度在0.8左右,可以保证钢液中析出低熔点的夹杂物;MnS夹杂在精炼阶段不会析出,在凝固过程中也几乎不析出,但当钢液开始凝固时的硫浓度较大时,MnS有析出的倾向。
　　对Al脱氧冶炼超低氧弹簧钢60Si2MnA的热力学计算表明:在1600℃时,生成低熔点12(CaO)·7(Al2O3)需w[Ca]>0.0034%;w[S]<0.005%时,生成CaS对应临界钙含量随硫含量的减少显著增加;w[Al]=0.03%时,铝酸钙硫化物析出的临界硫含量以(CaO)·(Al2O3)→12(CaO)·7(Al2O3)→3(CaO)·(Al2O3)的顺序由0.04%依次降低为0.0037%和0.0008%,要控制夹杂在低熔点的12(CaO)·7(Al2O3)区域而不析出铝酸钙硫化物夹杂,需控制钢液中w[S]<0.0037%;在钢液凝固之前,控制[S]<0.0004%,凝固过程中钢液中[S]不会与钙铝酸盐反应生成CaS,但凝固过程中溶质发生偏析,局部区域[Ca]、[S]富集,会有少量的单质CaS析出。
　　对钙铝酸盐中CaS的溶解度的热力学计算表明:随着夹杂物中CaO含量的增加,硫分配比和硫化钙的溶解度都在增大,在12(CaO)·7(Al2O3)中硫的分配比为110.5,硫化钙的溶解度为0.746%;在3(CaO)·(Al2O3)中硫的分配比为478.3,硫化钙的溶解度有明显增加达到3.23%。

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第1章 文献综述

1.1 弹簧钢概述

1.2 弹簧钢质量的发展现状与趋势

1.2.1 国内外弹簧钢质量的发展现状

1.2.2 国内外弹簧钢质量的发展趋势

1.3 弹簧钢中氧、硫和非金属夹杂物及其控制

1.3.1 弹簧钢中氧、硫的危害及其控制

1.3.2 弹簧钢中非金属夹杂物及其控制

1.4 不同精炼条件冶炼弹簧钢洁净度的研究现状

1.5 课题研究的背景与内容

第2章 Si-Mn脱氧弹簧钢洁净度研究及夹杂物析出热力学分析

2.1 Si-Mn脱氧弹簧钢生产工艺流程简介

2.2 研究方法

2.2.1 取样和加工

2.2.2 试样分析

2.3 研究结果及分析

2.3.1 精炼过程中全氧含量的变化分析

2.3.2 精炼过程中顶渣成分分析

2.3.3 精炼过程中夹杂物分析

2.4 弹簧钢SiO2-CaO-Al2O3系低熔点夹杂物热力学分析

2.4.1 钢种及热力学参数

2.4.2 不同温度下生成低熔点夹杂物的等氧线热力学计算

2.4.3 铝、钙含量与低熔点夹杂物之间的热力学平衡计算

2.4.4 精炼渣对夹杂物组成的影响

2.4.5 MnS夹杂物析出的热力学分析

2.5 本章小结

第3章 Al脱氧弹簧钢铝酸钙硫化物析出热力学分析

3.1 热力学计算依据

3.2 钢液液相线和固相线确定及元素活度系数计算

3.3 铝酸钙硫化物析出热力学及控制

3.3.1 钢液中Al2O3夹杂物变性的热力学计算

3.3.2 CaS生成的热力学分析

3.3.3 CaO-Al2O3-CaS类夹杂物析出热力学分析

3.3.4 凝固过程中铝酸钙硫化物的生成热力学分析：

3.3.5 CaS在钙铝酸盐中的溶解度

3.4 本章小结

第4章 结论

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文