易切削1215MS鋼精煉工藝優化及實踐

ZHANG Wei, ZOU Hu, ZHAO Wenyuan, CHEN Yong-feng, ZHANG Li-qiang, ZHANG Chao-jie, ZHAO Ao-nan

內容導讀

本文針對前期開發1215MS鋼種時，LF精煉過程控制不穩定的問題，分別從鋼水[Mn]、[S]含量的精確控制、穩定精煉過程鋼水氧含量、優化精煉渣組成及造渣制度三個方面有針對性的采取措施進行控制。優化后的LF精煉工藝，精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量更容易控制，鋼水[Mn]/[S]提高至3.5～3.7；精煉過程鋼水自由氧含量穩定在50×10-6～70×10-6范圍內，精煉結束時鋼水自由氧含量控制在60×10-6左右；精煉渣二元堿度提高至2.3～2.6，精煉渣中Al2O3含量提高至12～14，盤圓中B類夾雜物級別有明顯降低。

易切削鋼因具有良好的機械加工性能而得到了廣泛的應用，如向鋼中單獨或者復合加入某些易切削元素S、P、Pb、Se、Te、Bi 等可提高切削性能[1-3]。硫是易切削鋼的關鍵元素，廣泛應用在各類易切削鋼中，國外硫系易切削鋼的比例為70%，我國硫系易切削鋼的占比達90%以上。我國生產的易切削鋼與國外的相比，還存在一定的差距，主要表現在質量、精度和夾雜物的類型、數量以及形態控制技術上。夾雜物的類型、數量以及形態控制不好，導致切削加工性能和力學性能不能達到用戶的要求[4-6]。

1215MS在美標1215的基礎上提高了錳、硫元素含量，屬于高氧高硫易切削鋼。易切削鋼冶煉過程關鍵工藝主要是鋼中錳硫含量及氧含量的控制，某廠前期開發1 215MS鋼種時，由于LF精煉過程控制不穩定，導致鑄坯表面質量及盤圓產品的切削性能不一致。為此，本文通過對LF精煉過程存在的問題進行分析，有針對性地優化精煉過程工藝，從而改善產品質量以滿足客戶需求。

生產工藝存在的問題

1215MS鋼成分及生產工藝流程

國內某廠生產硫系易切削鋼1215MS鋼(化學成分見表1)的生產工藝流程為：120 t頂底復吹轉爐→吹氬站→120 t LF爐精煉→180 mm×180 mm連鑄坯(十機十流)。

表 1 1215MS鋼的化學成分(質量分數，%)

LF精煉主要工藝要點及存在的問題

LF精煉主要操作要點：鋼水進站后加入150 kg白灰及30 kg電石進行埋弧造低堿度精煉渣；鋼水溫度升高至1580℃以上進行測溫、取樣、定氧操作，根據鋼水成分補加硫鐵、磷鐵和低碳錳鐵合金；LF精煉過程鋼水自由氧含量控制在35×10-6～60×10-6，當鋼水自由氧含量高時，加入鋁鐵進行控氧(每12 kg鋁鐵降低鋼水自由氧含量10×10-6)，LF精煉結束時鋼水自由氧含量控制在45×10-6～55×10-6。

LF精煉過程存在的問題：(1)精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量波動大，補加合金頻繁，合金回收率低且不穩定；(2)精煉過程鋼水自由氧含量波動大，個別爐次精煉過程出現鋼水自由氧含量低于30×10-6，精煉結束時鋼水自由氧含量波動大，穩定在45×10-6～55×10-6的比例較低；(3)精煉終渣堿度偏低，對Al2O3、硅酸鹽類夾雜物的吸附效果不好，另外，精煉渣發泡性不好，通電過程不能達到埋弧加熱效果。

精煉工藝優化措施

鋼水[Mn]、[S]含量的精確控制

MnS夾雜物是影響易切削鋼切削性能的主要因素，在切削加工時，MnS夾雜物割斷了基體的連續性，作為應力集中源使車屑易斷，并在刀具與加工件之間形成潤滑和保護作用，降低了刀具的磨損，從而延長了刀具的壽命，并改善被加工件的表面粗糙度。鋼中硫化物主要以(Fe、Mn)S固溶體形式存在，在鋼中存在Mn的情況下，S優先與Mn形成MnS，過多的S或嚴重偏析的S再與Fe形成FeS、FeS2或兩者共晶體，即[Mn]/[S]直接影響到MnS及FeS、FeS2的生成比例[7]。生產實踐表明，[Mn]/[S]最佳控制范圍為3.5～4.0。

鑒于前期開發時LF精煉進站鋼水[Mn]、[S]含量偏低，精煉過程合金回收率低且不穩定，造成增加鋼水[Mn]、[S]含量的控制難度大。因此，優化調整轉爐爐后鋼水[Mn]、[S]成分的目標含量：

(1) 考慮到LF精煉過程S損在0.03%～0.06%，提高轉爐爐后鋼水[S]含量目標值到0.38%～0.43%；(2)提高轉爐爐后鋼水[Mn]含量目標值到1.34%～1.40%；

(3) 控制LF精煉結束時[Mn]/[S]在3.5～4.0。

穩定LF精煉過程鋼水氧含量

在易切削鋼中，為得到好的硫化物夾雜形態，除了保證合適的[Mn]/[S]比，還要保持鋼中有一定的氧含量，氧含量的增高可使硫化物呈粗短的紡錘形，有利于鋼的切削性能。研究表明，當氧含量高時，在早期凝固過程中鋼中形成了大量的Mn-Fe-O系氧化物顆粒，這些氧化物構成硫化物結晶的異質核心，促進硫化物在高溫時呈球狀析出，對切削性能有利[8]。Eeghem等[9]給出了Al脫氧鋼中氧含量與硫化物形態之間的定量關系。當[O]＞0.012%時，生成單項球形第Ⅰ類硫化物；當0.008%＜[O]＜0.012%時，生成共晶扇形或鏈狀第Ⅱ類硫化物；當[O]＜0.008%時，生成不規則第Ⅲ類硫化物。對于易切削鋼來說，鋼中的硫化物的理想形態為紡錘狀或近似球狀，即以第Ⅰ類硫化物形式存在。鋼水中過高的氧含量會導致鑄坯出現表面針孔和皮下氣泡缺陷[10]，綜合考慮鑄坯質量和切削性能，確定鑄坯全氧含量控制在120×10-6～140×10-6。

為解決LF精煉過程氧含量波動大的問題，采取的優化措施主要包括：(1)轉爐出鋼過程每爐加入300 kg硅錳和300 kg鋁鐵進行預脫氧，控制轉爐吹氬站鋼水氧含量在60×10-6～80×10-6；(2)LF精煉前期鋼水溫度升高至1580 ℃以上再進行定氧測溫，LF精煉過程鋼水自由氧含量控制在50×10-6～70×10-6，當鋼水自由氧含量高時，調整為加入硅鐵進行控氧(每12 kg鋁鐵降低鋼水自由氧含量5×10-6)，LF精煉結束時鋼水自由氧含量控制在60×10-6左右，以保證鑄坯全氧含量控制在120×10-6～140×10-6。

優化LF精煉渣及造渣制度

1215MS鋼屬于低碳高氧高硫易切削鋼，其精煉渣與其他還原性渣冶金功能有一定的區別[11]：

(1) 渣中需保持一定比例的FeO、MnO與鋼水中的氧平衡；

(2) 保持合適的精煉渣堿度，以降低渣的脫硫率，同時又具備吸附鋼水中Al2O3、硅酸鹽類夾雜物的能力；

(3) 有利于埋弧發泡，減少加熱過程電極熱輻射對鋼包爐襯的侵蝕[12]。

由于前期開發過程精煉終渣堿度偏低、渣量偏少問題，本次優化精煉造渣措施主要是提高精煉過程白灰加入量至200～300 kg，電石50 kg，并在精煉渣面加入30 kg鋁粒。另外，通電過程加入50 kg碳化硅進行擴散脫氧，提高精煉頂渣的發泡性，改善通電加熱到埋弧效果。

工藝優化后的效果

鋼水[Mn]、[S]含量變化及[Mn]/[S]比

從表2可以看出，工藝優化前LF精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量變化范圍大，主要是因為LF精煉進站時鋼水[Mn]、[S]含量低，造成LF精煉過程需要補加大量的硫鐵合金和錳鐵合金，增加LF精煉工序負擔。通過采用優化后的工藝措施，LF精煉進站時鋼水[Mn]、[S]含量明顯提高，LF精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量波動范圍變小，LF精煉過程調整合金成分的負擔變小。另外，工藝優化后鋼水的[Mn]/[S]更容易控制在較小范圍內，LF精煉結束時鋼水[Mn]/[S]由優化前的3.1～3.6提高至優化后的3.5～3.7。

表 2 LF精煉過程鋼水[Mn]、[S]含量變化及精煉結束鋼水[Mn]/[S]比

鋼水自由氧含量及鑄坯全氧含量

從表3可以看出，工藝優化前LF精煉過程鋼水自由氧含量波動范圍較大，部分爐次精煉過程鋼水自由氧含量甚至低于30×10-6，造成精煉過程需要開大翻加入氧化鐵皮對鋼水進行增氧(每30 kg氧化鐵皮增加鋼水氧含量6×10-6)，增加LF精煉工序負擔且影響生產節奏。優化工藝后，LF精煉過程鋼水自由氧含量穩定在50×10-6～70×10-6范圍內，精煉結束時鋼水自由氧含量穩定在60×10-6左右。另外，工藝優化后的鑄坯T[O]含量也由優化前的76.9×10-6～100.4×10-6提高至121.8×10-6～130.7×10-6。

表 3 LF精煉過程及結束時鋼水自由氧含量及鑄坯全氧含量變化

盤圓硫化物夾雜形貌及分布

圖1為優化工藝前與優化工藝后的鑄坯軋制φ16 mm的盤圓硫化物夾雜形貌。從圖中可以看出，優化工藝前的盤圓硫化物夾雜尺寸較細長，分布較密集，而優化工藝后的盤圓硫化物夾雜尺寸短粗，分布較彌散。對于易切削鋼來說，短粗狀硫化物夾雜在軋制過程中可不易變形，對改善其切削性能非常有益，而偏細長狀硫化物使鋼材的橫向機械性能惡化，降低切削加工性能。

圖1 盤圓硫化物夾雜形貌：(a) 優化前；(b) 優化后

為進一步清楚地表征不同工藝對夾雜物形態的影響，利用Image Pro Plus軟件對每個盤圓試樣的10個200倍視野進行統計，對比結果見表4。

表 4 不同工藝條件下盤圓硫化物夾雜的統計

從表4可以看出，優化前工藝條件下盤圓硫化物夾雜平均面積和等效直徑均低于優化后工藝條件下的盤圓，而夾雜物密度高于優化后工藝條件下的盤圓，這表明優化前工藝條件下盤圓硫化物夾雜數量較多，且直徑較小，優化后工藝條件下盤圓硫化物夾雜數量較少，且直徑較大。

精煉渣組成及B類夾雜物級別

1215MS鋼屬于高氧高硫易切削鋼，LF精煉過程鋼水很容易生成氧化物夾雜，如果精煉渣吸附夾雜物能力不理想，造成該類大顆粒氧化物殘留在鋼水中，最終影響產品的切削性能。某廠前期開發1215MS鋼過程盤圓B類夾雜物級別偏高，為此，后續優化精煉工藝通過提高精煉渣堿度，以及加入鋁粒進行擴散脫氧，提高精煉渣對B類夾雜物的吸附能力。

表5列出了不同工藝條件下的精煉渣組成及對應的盤圓中B類夾雜物級別。從表中可以看出，工藝優化后精煉渣二元堿度由優化前1.9～2.2提高至2.3～2.6，精煉渣中Al2O3含量由工藝優化前9～10提高至12～14。另外，工藝優化后的盤圓中B類夾雜物級別也有明顯降低。

表 5 不同工藝條件下精煉渣組成及B類夾雜物級別

結束語

基于某廠開發1215MS易切削鋼時LF精煉過程中存在的問題，有針對性地優化了前期開發的LF精煉工藝主要操作要點，有效解決了穩定鋼水[Mn]/[S]比、鋼水自由氧含量及降低B類夾雜物等技術難點。

(1) 通過調整轉爐爐后鋼水硫鐵、錳鐵合金的加入量，減少了LF精煉過程頻繁加入合金調整成分的現象，LF精煉結束時鋼水[Mn]/[S]由優化前的3.1～3.6提高至優化后的3.5～3.7。

(2) 通過分步脫氧的方式，轉爐爐后鋼水進行預脫氧，LF精煉過程鋼水自由氧含量穩定在50×10-6～70×10-6，鑄坯全氧含量控制在120×10-6～140×10-6。

(3) 通過提高精煉渣堿度，以及加入鋁粒進行擴散脫氧，提高精煉渣對B類夾雜物的吸附能力，工藝優化后的盤圓中B類夾雜物級別有明顯降低。