ZG30MnSi中频炉熔炼工艺

陈 硕，闫永路，莫漓江，张旭东

（三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027）

中合金高强度钢ZG30MnSi，由于含Mn、Si量较高，经调质后强度、塑性、韧性可明显提高。因此，ZG30MnSi在工程机械行业应用较为广泛。然而，由于在使用中频炉熔炼过程中，对原材料控制不佳；在预脱氧及终脱氧阶段，锰铁、硅铁加入顺序不正确及终脱氧剂的种类、用量不当。造成熔炼的ZG30MnSi钢液含气量大、夹杂物多等不良后果，铸件的综合力学性能达不到技术要求（见表1）。为此，我们对ZG30MnSi（化学成分见表2）的熔炼工艺进行了研究，通过对原材料的选择，熔炼过程的合理控制及终脱氧方式的改变，取得了良好的效果。

表1 ZG30MnSi正火后技术要求

表2 ZG30MnSi化学成分（质量分数，%）

1 中频炉熔炼的特点

中频感应电炉作为熔炼合金钢的主要工具，它具有如下一些特点：

1）熔化效率高节电效果好，结构紧凑、过载能力强；

2）炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好；

3）操作工艺简单、熔炼运行可靠；

4）金属成分均匀；

5）熔化升温快、炉温容易控制、生产效率高；

6）炉子利用率高、更换品种方便；

7）由于电磁搅拌作用，铁液的含气量、含氧量较低，钢液比较纯净，非金属夹杂物容易上浮。

2 原材料的控制

原材料是影响钢液质量的关键因素，所以，对原材料的控制必须严格。由于中频感应电炉不具有电弧炉的冶金作用，要求原材料必须成分明确，表面干燥、干净、无油、少锈、无杂质。原材料最好是钢板的下脚料，禁用钢、铁屑。

2.1 废钢

废钢作为钢液的主要成分，化学成分必须明确，含碳量必须低于ZG30MnSi中的碳含量，因此，废钢最好使用普通碳素废钢或优质碳素废钢，合金废钢以及钢、铁屑禁用。本工艺用废钢化学成分见表3，表面要求干燥、干净、无油、少锈、无杂质。

表3 废钢的化学成分（质量分数，%）

2.2 增碳剂

炼钢常用增碳剂有电极粉和焦炭粉，本工艺增碳剂选用电极粉（技术要求见表4），在使用前必须在60℃～80℃下烘干，要求残留水分的质量分数小于0.5%。

表4 电极粉技术要求（质量分数，%）

2.3 锰铁、硅铁

用锰铁、硅铁进行脱氧时，加入钢液中的顺序一定要正确，先加锰铁，后加硅铁。锰铁脱氧产物MnO与硅铁脱氧产物SiO2形成低熔点物质，上浮到钢液的表面，起到了脱氧和净化钢液的作用。如果先加硅铁后加锰铁，硅铁脱氧产物SiO2，由于熔点高，熔点1710℃，在炼钢温度下呈固体，而后加入的锰铁的脱氧产物MnO不能与SiO2充分反应，脱氧和净化钢液的作用不明显。所以，预脱氧时，一定要先加锰铁后加硅铁。

3 各元素在钢中的作用

3.1 碳

碳是影响钢的综合力学性能和铸造性能的主要元素，碳含量高，淬透性好，有利于提高铸件的强度，然而，会削弱铸件的塑性和韧性，同时，碳含量高还会降低铸钢的充型能力；碳含量低。淬透性差，调质后硬度、强度偏低，但塑性和韧性高，充型能力强。综合考虑，碳的质量分数取中限。

3.2 硅

硅在钢中不形成碳化物，以固溶体的形式存在。可以提高钢的淬透性，能显著的强化铁素体，提高强度和屈强比，改善钢的耐热和耐蚀性。缺点是降低钢的塑性和韧性，且含量超过1%时，增加铸件产生裂纹的倾向，影响铸件的焊接性。

3.3 锰

锰在钢中一部分固溶于铁素体中（或奥氏体中），另一部分形成合金渗碳体。锰能显著提高钢的淬透性，对基体有一定的固溶强化作用，加入锰后能显著改善铸件的综合力学性能。缺点是增大铸件热处理时的过热敏感性，加热温度稍高，晶粒发生粗化，此外锰还增加铸件的回火脆性。

3.4 硫

硫在钢中是有害元素，它在钢中主要以FeS形式存在。FeS与铁易形成共晶体，其熔点为989℃，比钢的熔点低得多。在钢的凝固过程中硫共晶体最后在钢的晶粒边界析出，它的强度低脆性大，大大降低钢的机械性能，且在高温下容易产生热脆现象。

3.5 磷

磷也是钢中的有害元素，它在钢中主要以Fe3P形式存在，与铁易形成磷共晶体。钢液在凝固过程中，这些共晶体在晶粒边界析出，降低了钢的塑性和韧性，引起冷脆。

3.6 铜

当钢液中存在少量的铜元素时，有利于细化晶粒，提高铸件的综合力学性能，但铜含量超过0.3%，使钢的组织粗化严重，力学性能下降，所以，钢中铜含量应控制在0.3%。

此外，当钢液中含有少量其他元素（小于合金化含量），如铬、镍等都属于有害杂质。这些元素使铸件的可焊性降低，产生收缩、裂纹的倾向增大，所以，这些元素的含量要严格限制。

4 熔炼

1）根据各元素含量配料时，严格称料，回炉料必须使用本钢种回炉料。

2）先加废钢，废钢熔清后，温度升至1560℃～1580℃，换新渣，取炉前试样，分析 C、Si、Mn、P、S等待分析结果时只加回炉料。

3）根据化学分析结果调整成分（考虑元素烧损）。加入适量Mn铁、适量Si铁预脱氧并调整Mn、Si。测温，作圆杯试样检查钢水脱氧情况。

4）终脱氧

终脱氧由原来的只用铝锭（丝）改为用铝锭（丝）和稀土硅联合脱氧，铝锭（丝）和稀土硅用量分别为钢液总重量的0.08%和0.12%，铝锭0.05%压入炉中，其余0.03%和稀土硅冲包。铝锭（丝）的用量过多或不足均对钢液的质量不利，用量过多，Al与钢液的氮反应生成AlN，在铸件凝固的后期沿晶界呈网状析出，铸件容易发生脆性断裂，终脱氧后钢液中铝的含量应小于0.04%；用量不足，脱氧效果差，铸件产生皮下气孔。铝锭和稀土硅联合使用，除了增强脱氧效果外，还可以改变非金属夹杂物的形态，有利于钢液中夹杂物的上浮，同时可以作为外来形核剂起到细化晶粒的作用。

5 浇注温度

遵循“高温出炉，低温浇注”的原则，根据铸件的结构和质量，钢液的出炉温度1620±10（℃），带渣出钢，镇静 5 min～10min，1520±10（℃）浇注。

6 结果与分析

经本工艺熔炼钢液浇注的铸件出现皮下气孔、脆断和夹渣缺陷的情况显著降低，经调质处理后，铸件的综合力学性能远高于国家标准，塑性和韧性有明显的提高。铝锭（丝）和稀土硅联合脱氧起到了较好的效果，生产工艺稳定。由于稀土元素具有除硫、去气、去除非金属夹杂物的作用，当钢液中加入稀土元素后，稀土元素与硫的亲和力比铁、锰与硫的亲和力大得多，在钢液中发生如下反应：

生成稳定、难容的稀土硫化物或复杂硫化物硅酸盐，他们可以作为非金属夹杂物的核心，在热力学和动力学条件都具备的情况下，不断形成复杂粗大的非金属夹杂物上浮到钢液的表面，除硫的同时也净化了钢液；稀土元素与钢液中的氢、氮、氧的亲和力很大，能形成稀土氢化物、氮化物和氧化物上浮到钢液的表面，降低钢液中的气体含量；稀土元素除了能为非金属夹杂物的核心外，还能改变非金属夹杂物的形态，使非金属夹杂物的形状趋于球形。这些非金属夹杂物一旦不能上浮到钢液表面时，以球状形式在晶界上析出，减小了对基体的割裂作用。另外，稀土元素还有细化晶粒的作用，能有效地抑制柱状组织和魏氏体组织的出现。

7 总结

1）使用中频感应电炉熔炼钢液时，原材料的控制一定要严格，保证废钢表面干燥、无油污、少铁锈，禁用钢、铁屑，合金的化学成分控制在标准范围内。

2）终脱氧由只用铝锭（丝）改为用铝锭（丝）和稀土硅联合脱氧后，铸件的质量有了明显的提高，降低了成本，提高了经济效益。

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