不锈钢热处理毕业论文

晶 间 腐 蚀随着现代工业的快速发展，不锈钢在现代机械生产加工中得到广泛应用。通常不锈钢指空气中能够抵抗腐蚀的钢。它有两种分类法：一种是按化学成分，分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种则按正火状态下钢的组织状态，分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体一铁素体不锈钢等。奥氏体不锈钢是目前应用最广的不锈钢：它以铬、镍为主要合金元素，因具有优良的耐蚀性、力学性能等综合性能，导致它在生产中需求快速地增长，并占据重要的地位。奥氏体不锈钢化学成分类型有Crl8％一Ni9％ (18— 8型不锈钢)、C T1 8％一Ni1 2％、C T2 3％一Ni13％、Cr25％一Ni20％等。常用的有1CT18Ni9Ti。奥氏体不锈钢的焊接性从理论上讲，与铁素体、马氏体不锈钢相比，被认为是较好的，它不因温度变化发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下接头也有较好的塑性和韧性。但这并不意味着在所有的情况下该钢的焊接质量都能达到较高的使用要求。在役的奥氏体不锈钢焊接结构中，焊后接头出现晶间腐蚀破坏的时有发生，这不仅影响了结构的正常使用和安全性，还给企业造成经济损失。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题归根结底是与其焊接性相关，然而人们往往对它的认识不足，对它焊接性能不甚了解，选用不当的焊接工艺，而产生晶问腐蚀缺陷，导致具有寿命优势的奥氏体不锈钢早期失效。为此，通过查阅资料将对铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀缺陷的产生机理进行探讨，并据此开展预防不锈钢晶间腐蚀，提高耐蚀性的初步探讨。2 晶间腐蚀的形成条件 机理典型的18—8 型不锈钢(1C T1 8Ni9Ti)一般是在固溶处理状态下使用，于常温下腐蚀介质中工作，它的耐蚀性能是基于钝化作用：奥氏体不锈钢含有较高的铬，铬易氧化形成致密的氧化膜，能提高钢的电极电位，因此具有良好的耐蚀性能。当含铬量1 8％ 、镍量8％时，能得到均匀的奥氏体组织，且含铬和镍量越高，奥氏体组织越稳定，耐蚀性能就越好，故通常没有晶间腐蚀现象。但如经再次加热到450～850℃或在此温度区间工作，并且钢中含碳量超过0．02～0．03％ ，又缺少Ti、Nb等能控制碳的元素时，处于腐蚀介质中往往就可以见到晶间腐蚀现象。这说明，晶间腐蚀和钢的成分(碳和碳化物形成元素)有关，还与加热条件有关。现已有一些学说对晶问腐蚀现象做了解释，其中以碳化铬在晶界沉淀为前提的“贫铬理论” 较普遍为人们所接受。铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，有效含量应超过12％。以含碳量为0．03％的普通18—8型钢为例。室温时的碳的溶解度只有0．02～0．03％ ，固溶处理后奥氏体必为碳过饱和，而呈不稳定状态。若经再次中温加热(在450～850℃ 之间)， 则过饱和的碳将向晶界扩散，与铬结合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23 C6沉淀于晶界。这时，由于铬的原子半径较大，在晶粒内部的扩散速度较慢，来不及向晶界扩散，故在形成铬的碳化物时，晶界处可能发生铬的“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺铬(铬的有效含量低于1 2％)。当有腐蚀介质作用时，这一缺铬区域将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。Ti、Nb的有利作用在于，可优先与碳结合形成TiC或NbC，消耗掉晶界过饱和的碳，从而防止碳与铬结合，避免缺铬现象发生。所以，含有Ti或Nb的钢一般不具有晶间腐蚀倾向。超低碳不锈钢由于不存在碳的过饱和，就无所谓碳的过饱和析出，因此也不发生晶间腐蚀。加热条件的影响主要是与合金元素的扩散相联系。加热温度低(<450℃)或加热时间短，不利于扩散而难以形成铬的碳化物，不致产生缺铬现象；加热温度较高(> 8 5 0℃)，铬的扩散速度加快， “供铬” 条件得到改善， 晶粒表层缺铬现象可以逐步消失；加热时间充分长时，也有利于铬的均匀扩散而不致形成贫铬层。3 晶间腐蚀的预防在了解奥氏体不锈钢晶间腐蚀的形成机理后，据此提出以下几条预防措施：(1)严格控制含碳量碳是造成晶间腐蚀的主要元素，碳含量在0．08％以下时，能够析出碳的数量少；碳含量在0．08％以上时，则析出碳的数量迅速增加。所以常控制母材金属和焊条的含碳量在0．0 8％以下，如0Cr1 8Ni9Ti、A107等。另外，奥氏体钢中含碳量小于0．02％ ～0．03％时，全部碳都溶解在奥氏体中，不会产生晶间腐蚀。超低碳不锈钢(如00 Cr 1 8Ni 1 0，A002)的大量应用就是此原理。(2)采用双相组织钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。奥氏体化元素有Ni、C、Mn、N、C U等；而铁素体化元素则有C r、Nb、Ti、M O、V、W 、Si等。当不锈钢中铬与镍的质量分数之比大干1．8时，就会出铁素体组织。调整钢的化学成分，在焊缝中加入铁素体形成元素，就可促使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。形成双相组织的优势在于，双相组织中的奥氏体，其碳的浓度较大，碳有向铁素体扩散的趋势；而铁素体中铬的浓度较大，铬就有向奥氏体扩散的趋势。奥氏体中的碳和铁素体中的铬都向两相交界处扩散， 由于碳的扩散速度很大，有可能碳首先从奥氏体越过边界与铬形成碳化铬；又由于铬在铁素体里的扩散速度要比在奥氏体中快得多，所以一旦在晶界处出现贫铬层，铬能够较快地从铁素体内部得到补充，而使贫-铬层消失，使奥氏体晶界上析出的碳化铬数量减少、分布不连续，并打乱单一奥氏体柱状晶的方向性，从而避免贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通道，降低了晶间腐蚀倾向。形成双相组织有利于防止晶间腐蚀，但也应注意铁素体含量的控制。铁素体含量超过5％时，o相(FeC r金属间化合物)很快形成。o相硬而脆(H RC>6 8)，分布在晶界，不仅使焊缝冲击韧性和塑性急剧下降，还将增大晶间腐蚀倾向。因此综合考虑，奥氏体不锈钢焊缝的铁素体数量为4～12％较适宜。实践表明，5％左右的铁素体能获得较满意的抗晶阃腐蚀性能。 (3)添加稳定剂焊接材料中加入钛、铌等与碳的亲和力比铬强的元素，能提高抗晶间腐蚀能力。因此常用焊接材料1Cr18Ni9Ti、A137、A302等，都含有钛或铌。(4)进行固溶处理在焊后把接头加热到1050～1150℃，保温1 h后水淬(图3)。此时晶界碳化铬被全部溶解，部分钛和铌的碳化物也被溶解，使碳重新溶入奥氏体中，然后迅速冷却，使碳来不及析出，形成稳定均一的奥氏体组织，消除晶界处的贫铬层，避免产生晶阃腐蚀。(5)进行均匀化处理将奥氏体不锈钢加热到850～900℃，保温2 h，使晶粒内部的铬也扩散到晶粒边界，使晶界铬的质量分数重新恢复到大于1 2％，从而消除晶界贫铬层。(6)减小焊接线能量在焊接工艺方面，采用小电流，大焊速，短弧，直道焊接。多层多道焊时，层间温度不宜过高，应待先焊的一层完全冷却后(<6 0℃)，再进行下一层焊接，且层间接头错开。奥氏体钢的电阻率大(约为碳钢的5倍)，导热系数小，焊接电流应比同样直径的低碳钢焊条小1 0～20％ 。以手弧焊为例，平焊的焊接电流为焊芯直径的2 5～3 5倍，在立焊或仰焊时，焊接电流还要再减小1 0～30％ 。小线能量、小电流、快速焊，冷却速度快，在敏化温度区停留时间短，有利于防止晶间腐蚀；短弧，焊丝或焊条芯中所含对氧亲和力大的合金元素T i、Nb、C r、Al等烧损少，有利于防止晶间腐蚀。 (7)Jjn快接头的冷却焊件焊前不预热，焊后应尽可能加快接头的冷却，如使用铜垫板等，甚至条件允许还可用水冷等强制措施，来减少接头在危险温度的停留时间，防止晶间腐蚀产生。(8)合理安排焊接顺序多层焊和双面焊时，后一条焊缝的热作用可能对先焊焊缝的过热区起到敏化温度加热的作用。为此，双面焊缝中与腐蚀介质接触的一面应尽可能最后焊接。焊缝布局上应尽量避免交叉焊缝，减少焊缝接头。与腐蚀介质接触的焊缝若无法安排最后焊接，则应调整工艺参数，使后焊焊缝的敏化区不与第一面焊缝表面的过热区重合。进一步提高 锈钢焊缝的耐蚀性，则还应严格控制以下几项：(1)为避免损伤不锈钢表面，在坡口两侧刷涂石灰水或商品化的专用防飞溅剂，并在焊后彻底清除飞溅物、残渣；(2)禁止在坡口之外的焊件上随处任意打弧；(3)焊接电缆卡头在工件上要卡紧，以免发生打弧或过烧现象；(4)焊接前、后的处理对产品耐蚀性影响很大：①钢材的贮存及运输应与一般结构钢分开，以免被铁锈等污染；②钢材表面光滑平整，避免碰撞或摩擦损伤，划线下料时不要打冲眼和不用划针；③尽可能用机械加工或等离子弧切割下料，避免用碳弧切割；④封头等零件最好冷压成形，热压 1ooo度 ≈ 6O0度成形时应检查耐蚀性变化，并做相应的热处理；⑤焊接前后热处理时，加热前必须将钢材表面污物洗净，以免加热时产生渗碳。⑥表面处理(磨平、抛光、酸洗、钝化)必须严格遵守操作规程，以表面呈均匀的银白色为宜。奥氏体不锈钢焊接易出现晶间腐蚀缺陷，且存在导热性能差、线膨胀系数大、熔池的流动性差等不利因素，因此只有选择合适的焊接方法、焊接材料，遵循相关的焊接工艺，才能保证奥氏体不锈钢的焊接质量，使其寿命优势得到充分发挥，让它的应用范围进一步扩大。

1、不锈钢焊接工艺特点奥氏体型不锈钢以18%Cr-8%Ni钢为代表。原则上不须进行焊前预热和焊后热处理。一般具有良好的焊接性能。但其中镍、钼的含量高的高合金不锈钢进行焊接时易产生高温裂纹。另外还易发生б相脆化，在铁素体生成元素的作用下生成的铁素体引起低温脆化，以及耐蚀性下降和应力腐蚀裂纹等缺陷。经焊接后，焊接接头的力学性能一般良好，但当在热影响区中的晶界上有铬的碳化物时会极易生成贫铬层，而贫铬层和出现将在使用过程中易产生晶间腐蚀。为避免问题的发生，应采用低碳（C≤）的牌号或添加钛、铌的牌号。为防止焊接金属的高温裂纹，通常认为控制奥氏体中的δ铁素体肯定是有效的。一般提倡在室温下含5%以上的δ铁素体。对于以耐蚀性为主要用途的钢，应选用低碳和稳定的钢种，并进行适当的焊后热处理；而以结构强度为主要用途的钢，不应进行焊后热处理，以防止变形和由于析出碳化物和发生δ相脆化。 双相不锈钢的焊接裂纹敏感性较低。但在热影响区内铁素体含量的增加会使晶间腐蚀敏感性提高，因此可造成耐蚀性降低及低温韧性恶化等问题。 对于沉淀硬化型不锈钢有焊接热影响区发生软化等问题。 奥氏体不锈钢的焊条选用要点: 不锈钢主要用于耐腐蚀,但也用作耐热钢和低温钢。因此,在焊接不锈钢时,焊条的性能必须与不锈钢的用途相符。不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。 1、一般来说,焊条的选用可参照母材的材质,选用与母材成分相同或相近的焊条。如:A102对应0Cr19Ni9;A137对应1Cr18Ni9Ti。 2、由于碳含量对不锈钢的抗腐蚀性能有很大的影响,因此,一般选用熔敷金属含碳量不高于母材的不锈钢焊条。如316L必须选用A022焊条。 3、奥氏体不锈钢的焊缝金属应保证力学性能。可通过焊接工艺评定进行验证。 4、对于在高温工作的耐热不锈钢(奥氏体耐热钢),所选用的焊条主要应能满足焊缝金属的抗热裂性能和焊接接头的高温性能。 (1)对Cr/Ni≥1的奥氏体耐热钢,如1Cr18Ni9Ti等,一般均采用奥氏体-铁素体不锈钢焊条,以焊缝金属中含2-5%铁素体为宜。铁素体含量过低时,焊缝金属抗裂性差;若过高,则在高温长期使用或热处理时易形成σ脆化相,造成裂纹。如A002、A102、A137。 在某些特殊的应用场合,可能要求采用全奥氏体的焊缝金属时,可采用比如A402、A407焊条等。 (2)对Cr/Ni<1的稳定型奥氏体耐热钢,如Cr16Ni25Mo6等,一般应在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相近的同时,增加焊缝金属中Mo、W、Mn等元素的含量,使得在保证焊缝金属热强性的同时,提高焊缝的抗裂性。如采用A502、A507。 5、对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢,则应按介质和工作温度来选择焊条,并保证其耐腐蚀性能(做焊接接头的腐蚀性能试验)。 (1)对于工作温度在300℃以上、有较强腐蚀性的介质,须采用含有Ti或Nb稳定化元素或超低碳不锈钢焊条。如A137或A002等。 (2)对于含有稀硫酸或盐酸的介质,常选用含Mo或含Mo和Cu的不锈钢焊条如:A032、A052等。 (3)工作,腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,方可采用不含Ti或Nb的不锈钢焊条。 为保证焊缝金属的耐应力腐蚀能力,采用超合金化的焊材,即焊缝金属中的耐蚀合金元素(Cr、Mo、Ni等)含量高于母材。如采用00Cr18Ni12Mo2类型的焊接材料(如A022)焊接00Cr19Ni10焊件。 6、对于在低温条件下工作的奥氏体不锈钢,应保证焊接接头在使用温度的低温冲击韧性,故采用纯奥氏体焊条。如A402、A407。 7、也可选用镍基合金焊条。如采用Mo达9%的镍基焊材焊接Mo6型超级奥氏体不锈钢。 8、焊条药皮类型的选择: (1)由于双相奥氏体钢焊缝金属本身含有一定量的铁素体,具有良好的塑性和韧性,从焊缝金属抗裂性角度进行比较,碱性药皮与钛钙型药皮焊条的差别不像碳钢焊条那样显著。因此在实际应用中,从焊接工艺性能方面着眼较多,大都采用药皮类型代号为17或16的焊条(如A102A、A102、A132等)。 (2)只有在结构刚性很大或焊缝金属抗裂性较差(如某些马氏体铬不锈钢、纯奥氏体组织的铬镍不锈钢等)时,才 考虑选用药皮代号为15的碱性药皮不锈钢焊条(如A107、A407等)。 综上所述,奥氏体不锈钢的焊接是有其独特特点的,奥氏体不锈钢的焊接时焊条选用尤其值得注意,只有这样才能达到针对不同材料实施不同的焊接方法和不同材料的焊条,不锈钢焊条必须根据母材和工作条件(包括工作温度和接触介质等)来选用。这样才有可能能达到所预期的焊接质量.。 奥氏体不锈钢的缺陷分析及防治措施（一）容易出现热裂纹奥氏体不锈钢在焊接时热裂纹是比较容易产生的缺陷，包括焊缝的纵向和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和多层焊的层间裂纹等，特别是含镍量较高的奥氏体不锈钢更容易产生。 1. 产生原因（1）奥氏体不锈钢的液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且单相奥氏体结晶方向性强，所以杂质偏析比较严重。（2）导热系数小，线膨胀系数大，焊接时会产生较大的焊接内应力（一般是焊缝和热影响区受拉应力）。（3）奥氏体不锈钢中的成分如C、S、P、Ni等，会在熔池中形成低熔点共晶。例如， S与Ni形成的Ni3S2熔点为645℃,而Ni- Ni3S2共晶体的熔点只有625℃。2. 防止措施（1）采用双相组织的焊缝 尽量使焊缝金属呈奥氏体和铁素体双相组织,铁素体的含量控制在3～5%以下，可扰乱奥氏体柱状晶的方向，细化晶粒。并且铁素体可以比奥氏体溶解更多的杂质，从而减少了低熔点共晶物在奥氏体晶界的偏析。（2）焊接工艺措施 在焊接工艺上尽量选用碱性药皮的优质焊条、采用小线能量，小电流、快速不摆动焊,收尾时尽量填满弧坑及采用氩弧焊打底等，可减小焊接应力和弧坑裂。（3）控制化学成分 严格限制焊缝中 S、P等杂质含量，以减少低熔点共晶。（二）晶间腐蚀产生在晶粒之间的腐蚀，其导致晶粒间的结合力丧失，强度几乎完全消失，当受到应力作用时，即会沿晶界断裂。1．产生原因根据贫铬理论,焊缝和热影响区在加热到450～850℃敏化温度（危险温度区）时，由于 Cr原子半径较大，扩散速度较小，过饱和的碳向奥氏体晶粒边界扩散，并与晶界的铬化合物在晶界形成Cr23C6,造成贫铬的晶界,不足以抵抗腐蚀的程度。 2. 防止措施（1）控制含碳量 采用低碳或超低碳（W(C)≤）不锈钢焊接焊材。如A002等。（2）添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与C亲和力比Cr强的元素，能够与C结合成稳定碳化物，从而避免在奥氏体晶界造成贫铬。常用的不锈钢材和焊接材料都含有Ti、Nb，如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12MO2Ti钢材、E347-15焊条、H0Cr19Ni9Ti焊丝等。（3） 采用双向组织 由焊丝或焊条向焊缝中熔入一定量的铁素体形成元素,如 Cr、Si、AL、 MO等，以使焊缝形成为奥氏体+铁素体的双相组织，因为Cr在铁素体内扩散速度比在奥氏体中快，因此Cr在铁素体内较快的向晶界扩散，减轻了奥氏体晶界的贫铬现象。一般控制焊缝金属中铁素体含量为5%～10%，如铁素体过多，会使焊缝变脆。（4）快速冷却 因为奥氏体不锈钢不会产生淬硬现象，所以在焊接过程中，可以设法增加焊接接头的冷却速度，如焊件下面用铜垫板或直接浇水冷却。在焊接工艺上，可以采用小电流、大焊速、短弧、多道焊等措施，缩短焊接接头在危险温度区停留的时间，以免形成贫铬区。（5）进行固溶处理或均匀化热处理 焊后把焊接接头加热到1050～1100℃，使碳化物又重新溶解到奥氏体中，然后迅速冷却，形成稳定的单相奥氏体组织。另外，也可以进行850～900℃保温2h的均匀化热处理，此时奥氏体晶粒内部的Cr扩散到晶界，晶界处Cr量又重新达到了大于12%，这样就不会产生晶间腐蚀了。（三）应力腐蚀开裂金属在应力和腐蚀性介质共同作用下，发生的腐蚀破坏。根据不锈钢设备与制件的应力腐蚀断裂事例和试验研究，可以认为：在一定静拉伸应力和在一定温度条件下的特定电化学介质共同作用下，现有的不锈钢均有产生应力腐蚀的可能。应力腐蚀最大特点之一是腐蚀介质与材料的组合上有选择性。容易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀主要是盐酸和氯化物含有氯离子的介质，还有硫酸、硝酸、氢氧化物（碱）、海水、水蒸气、H2S水溶液、浓NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等介质等。1.产生原因 应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。 2.防止措施（1）合理制定成形加工和组装工艺 尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕都会成为SCC的裂源,易造成腐蚀坑。 （2）合理选择焊材 焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体。（3）采取合适的焊接工艺 保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平。例如，避免十字交叉焊缝，Y形坡口改为X形坡口、适当减小坡口角度、采用短焊焊道、采用小线能量。(4)消除应力处理 焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。(5)生产管理措施 介质中杂质的控制,如液氨介质中的O2、N2、H2O等、液化石油气中的H2S、氯化物溶液中的O2、Fe3+、Cr6+等、防蚀处理:如涂层、衬里或阴极保护等、添加缓蚀剂。 （四）焊接接头的脆化 奥氏体不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，就会出现冲击韧度下降的现象，称为脆化。1.焊缝金属的低温脆化（475℃脆化）（1） 产生原因含有较多铁素体的相（超过15%～20%）的双相焊缝组织，经过350～500℃加热后，塑性和韧性会显著下降，由于475℃时脆化速度最快，故称为475℃脆化。对于奥氏体不锈钢焊接接头，耐蚀性或抗氧化性并不总是最为关键的性能，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性就成为关键性能。为了满足低温韧性的要求，焊缝组织通常希望获得单一的奥氏体组织，避免δ铁素体的存在。δ铁素体的存在，总是恶化低温韧性，而且含量越多，这种脆化越严重。（2） 防治措施① 在保证焊缝金属抗裂性能和抗腐蚀性能的前提下，应将铁素体相控制在较低的水平，约5%左右。② 已产生475℃脆化的焊缝，可经900℃淬火消除。2.焊接接头的σ相脆化（1）产生原因奥氏体不锈钢焊接接头在375～875℃温度范围内长期使用，会产生一种FeCr间化合物，称为σ相。σ相硬而脆（HRC>68）。由于σ相析出的结果，使焊缝冲击韧度急剧下降，这种现象称为σ相脆化。σ相一般仅在双相组织焊缝内出现；当使用温度超过800～850℃时，在单相奥氏体焊缝中也会析出σ相。（2）防止措施①限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%);采用超合金化焊接材料,即高镍焊材,并严格控制Cr、Mo、Ti、Nb等元素的含量。②采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间。③对已析出的σ相在条件允许时进行固溶处理,使σ相溶入奥氏体。④把焊接接头加热到1000～1050℃，然后快速冷却。σ相一般在1Cr18Ni9Ti钢中一般不产生。 3.熔合线脆断 （1）产生原因奥氏体不锈钢在高温下长期使用，在沿熔合线外几个晶粒的地方，会发生脆断现象。（2）防治措施在钢中加入 Mo能提高钢材抗高温脆断的能力。通过以上的分析，只有合理选择以上的焊接工艺措施或焊接材料都可以避免以上焊接缺陷的产生。奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，几乎所有的焊接方法都可用于奥氏体不锈钢的焊接。在各种焊接方法中焊条电弧焊具有适应各种位置与不同板厚的优点、应用非常广泛。你可以根据以上的文章进行一下修改就可以了。

引言 随着现代科学技术的发展和工农业对钢材质量要求的提高,钢厂普遍采用了炉外精炼工艺流程,它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。由于这种技术可以提高炼钢设备的生产能力,改善钢材质量,降低能耗,减少耐材、能源和铁合金消耗,因此,炉外精炼技术已成为当今世界钢铁冶金发展的方向。对于炉外精炼技术存在的问题及发展方向有必要进行探讨。 1 国内外炉外精炼技术的发展历程和现状 随着炼钢技术的不断进步,炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位,传统的生产流程(高炉→炼钢炉(电炉或转炉)→铸锭),已逐步被新的流程(高炉→铁水预处理→炼钢炉→炉外精炼→连铸)所代替。已成为国内外大型钢铁企业生产的主要工艺流程,尤其在特殊钢领域,精炼和连铸技术发展得日趋成熟。精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用,一方面通过这道工序可以提高钢的纯净度、去除有害夹杂、进行微合金化和夹杂物变性处理;另一方面,精炼又是一个缓冲环节,有利于连铸生产均衡地进行。 日本在20世纪70年代为了降低炼钢成本,提高钢的纯净度和质量,率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中,随后西欧的钢铁企业也加入到推广和使用这项技术的行列中。据资料报道,日本早在1985年精炼率达到年上升到,特殊钢的精炼率达到94%,新建电炉短流程钢厂100%采用炉外精炼技术。80年代连铸技术发展迅速,原有的炼钢炉难以满足连铸的技术要求,更加促进了炉外精炼技术的发展,到1990年为止世界各主要工业国家拥有1000多台(套)炉外精炼设备。 我国早在20世纪50年代末,60年代中期就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术,但没有精炼的装备。60年代中期至70年代有些特钢企业(大冶、武钢等)引进一批真空精炼设备。80年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入使用(如LF炉、喷粉、搅拌设备),黑龙江省冶金研究所等单位联合研制开发了喂线机、包芯线机和合金芯线,完善了炉外精炼技术的辅助技术。现在这项技术已经非常成熟,以炉外精炼技术为核心的“三位一体”短流程工艺广泛应用于国内各钢铁企业,取得了很好的效果。初炼(电炉或转炉)→精炼→连铸,成了现代化典型的工艺短流程。 2 炉外精炼技术的特点与功能 炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下: 1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。 2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。 3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为～,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。 4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。 3 炉外精炼技术在生产中的应用目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有:LF法、RH法、VOD法。 LF法(钢包精炼炉法) 它是1971年由日本大同钢公司发明的,用电弧加热,包底吹氩搅拌。 工艺优点 1)电弧加热热效率高,升温幅度大,控温准确度可达±5℃; 2)具备搅拌和合金化的功能,吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制,提高产品的稳定性; 3)设备投资少,精炼成本低,适合生产超低硫钢、超低氧钢。 LF法的生产工艺要点 1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,钢水平均升温1℃耗电～·h,LF升温速度决定于供电比功率(kVA/t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10%～15%,终点温度的精确度≤±5℃。 2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。 3)合金微调与窄成份范围控制。据试验报道,使用合金芯线技术可提高金属回收率,齿轮钢中钛的回收率平均达到,硼的回收率达,钢包喂碳线回收率高达90%,ZG30CrMnMoRE喂稀土线稀土回收率达到68%,高的回收率可实现窄成份控制。 LF法在生产实践中的应用 2000年6月,鞍钢第一炼钢厂新建的连铸车间正式投产,精炼设备由两座LF钢包精炼炉,年处理钢水200万t;一座VD钢水真空处理装置,年处理钢水80万t组成。LF炉最大升温速度为4℃,LF炉平均处理周期≤28min;处理效果:平均[H]≤;最低[H]≤。 我国现有家重轨生产厂(攀钢、包钢、鞍钢和武钢)生产典型的工艺路线如下:LD→LF→VD→WF→CC,钢包吊到LF处理线的钢包车上后,由人工接通钢包底吹氩的快速接头,根据要求的钢水成分及温度确定物料的投入量(含喂丝)重轨钢含碳量较高,因而增碳显得很重要,转炉出钢时钢水含碳量控制为～(wt),炉后增碳至～(wt),在LF炉处理时再增～(wt)个碳至标准成份的中上限,经VD处理后即可达到钢种成分要求。 RH法(真空循环脱气法)这种方法是1958年西德发明的,其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳,然后回流到钢包中。 RH法的优点 1)反应速度快。真空脱气周期短,一般10分钟可以完成脱气操作,5分种能完成合金化及温度均匀化,可与转炉配合使用。 2)反应效率高。钢水直接在真空室内反应,钢中可达到[H]≤×10-6,[N]≤25×10-6,[C]≤10×10-6,的超纯净钢。 3)可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿,减少精炼过程的温降。 RH法工艺参数 1)RH循环量。循环量是指单位时间内通过上升管或下降管的钢水量,单位是t/min。有关资料给出的计算公式为: Q=×·,式中:Q———循环流量,t/min;Du———上升管直径,cm;G———上升管内氩气流量,L/min。 2)循环因数。他是指在RH处理过程中通过真空室的钢水与处理量之比,其公式为:μ=w·t/v式中:μ———循环因数,次;w———循环量,t/min;t———循环时间,min;v———钢包容量,t。 3)供氧强度与含碳量的关系。向RH内吹氧可以提高脱碳速度,即RH-OB法。当[C]/[O]>时钢包内氧的传质速度决定脱碳速度,其计算公式为: QO2=×Q·[C]式中:QO2———氧气强度,Nm3/min;Q———钢水循环量,t/min;[C]———含碳量,Nm3/t。 RH法在生产实践中的应用 日本的山阳钢厂将LF与RH配合生产轴承钢形成EF-LF-RH-CC轴承钢生产线,钢中总氧量达到×10-6。LF-RH法首先利用LF炉将钢水升温,利用LF搅拌和渣精炼功能进行还原精炼,是钢水脱硫和预脱氧,然后将钢水送入RH中进行脱氢和二次脱氧。经过这样处理大大的提高了钢水的清洁度,同时钢水的温度达到连铸需要的温度。 宝钢炉外精炼设备有RH-OB、钢包喷粉装置、CAS精炼装置,RH-OB的冶炼效果较理想,脱氢率为50%～70%,脱氮率为20%～40%,一般情况下,经RH-OB处理后[H]≤×10-6,[C]≤30×10-6,去除钢中非金属夹杂物一般能达到70%,钢中总氧量≤25×10-6,而且在RH中合金处理可以提高合金的收得率和控制的精确度,[C]、[Si]、[Mn]的控制精度能达到±,铝的精确度可达到×10-3,取得了较好的炉外精炼效果。 VOD法(真空罐内钢包吹氧除气法) VOD的特点VOD法是1965年西德首先开发应用的,它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳,同时从钢包底部向上吹氩搅拌。此方法适合生产超低碳不锈钢,达到保铬去碳的目的,可与转炉配合使用。他的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件-高温、真空、搅拌。 VOD法在生产实践中的应用 20世纪90年代初,上海大隆铸锻厂从德国莱宝(leybold)公司进口1台15tVODC的关键设备和技术软件。采用电炉初炼钢水经VODC炉外精炼的工艺方法,精炼了超低碳不锈钢、中低合金钢和碳钢,取得了很好的冶金效果,钢中非金属夹杂物减少,氢含量小于3×10-6氧含量小于×10-6,不锈钢中铬回收率达98%～99%,精炼后的钢具有十分优越的性能。VODC精炼工艺成熟,控制容易,适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要,对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用,具有广阔的发展前景10。 抚顺特殊钢有限公司有30tVOD炉,采用EAF+VOD技术精炼不锈钢,可使[H]≤×10-6,T[O]≤×10-6,铬回收率达到,脱硫率,精炼高碳铬轴承钢T[O]≤×10-6 。 4 发展炉外精炼技术需解决的问题及发展方向炉外精炼技术已经应用40年,对提高钢的纯净度、精确控制成分含量及细化组织结构等方面都起了重要作用,使冶炼成本大幅降低,同时提高了钢的品质和性能。但在发展的过程中也出现了一些问题,有待于解决,使这项技术更加完美。 1)实现炉外精炼工艺的智能化控制,根据来料钢水的各种技术参数,利用信息技术,制定最佳的精炼工艺方案,并通过计算机控制各精炼工序。精炼工位配备快速分析设备,实现数据网络化,减少热停等待时间。 2)炉外处理设备将实现“多功能化”。在水钢精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。 3)开发高纯度、高密度、高强度的优质碱性耐火材料,以适应不同精炼炉的需要,注重产品质量的稳定性。耐火材料的使用条件应尽可能与炉渣相适应,最大限度地降低侵蚀速度。要根据精炼设备的实际情况形成不同层次的配套材料,研究开发保温和修补技术,提高炉衬的使用寿命。 4)减少精炼过程的污染排放,精炼过程会产生大量废气,其中含SO2、Pb、金属氧化物、悬浮颗粒等,在真空脱气冷却水中含有固态悬浮物、Pb、Zn等,这些污染物须经企业内部的相关处理,把污染程度降低到符合排放标准后再排放,加强环境保护意识。 5 结束语 炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低生产成本的先进技术,是现代化炼钢工艺不可缺少的重要环节,具有化学成分及温度的精确控制、夹杂物排除、顶渣还原脱S、Ca处理、夹杂物形态控制、去除H、O、C、S等杂质、真空脱气等冶金功能。只有强化每项功能的作用,才能发挥炉外精炼的优势,生产出高品质纯净钢种。