曲轴钢精炼过程夹杂物生成热力学及塑性化控制

论文摘要

某钢厂EAF-LF-VD-模铸短流程生产42CrMoA曲轴钢现行工艺条件下，存在氧化物夹杂超标，精炼周期长，初炼炉-精炼炉-模铸之间节奏不匹配等问题。为此，本文在工业试验基础上，采取金相显微镜、能谱仪、扫描电镜对LF-VD精炼过程中非金属夹杂物的数量、粒度、形貌与组成进行研究，钢中T[O]含量由GALILEOON/H分析仪测得。结果表明：（1）LF-VD精炼前后，夹杂物密度由8.50个/mm2降至0.95个/mm2，整个过程夹杂物去除率为88.82%，具有较好的水平。且钢中T[O]含量呈相同变化趋势；（2）精炼过程中夹杂物粒径基本以小于10μm为主，粒径总体上呈减小趋势。说明粒度与T[O]的降低是牺牲精炼时间实现的；（3）夹杂物形貌上多为球形，少量以不规则多边形、团簇状、条带状等存在；（4）精炼后夹杂物几乎全部转变为SiO2-Al2O3-CaO-MgO系复合夹杂物，其成分主要在Al2O3<20%，CaO55%65%，碱度1.52.5的范围。整个精炼过程，夹杂物成分逐渐向顶渣靠近，成分的分布由分散逐渐向集中转变。基于实验结果分析，首次借助Factsage6.31热力学软件及Origin8.5、ImageJ等绘图分析软件对钢中典型夹杂物的生成热力学条件及塑性化控制进行了系统研究。不同夹杂物体系的塑性控制范围及钢液成分所需满足的条件如下：（1）MnO-SiO2-Al2O3系夹杂物具有良好变形能力的夹杂物组成为SiO215%60%，MnO17%75%，Al2O3＜30%，w（MnO）/w（SiO2）=0.285。与之平衡时42CrMoA钢液中w[Al]应小于250ppm，w[O]小于30ppm。（2）CaO-SiO2-Al2O3系夹杂物存在两个低熔点区域：塑性区1的组成为CaO5%55%、SiO225%75%、Al2O3045%。钢中w[Ca]、w[Al]应分别控制在3.0×1010和10×10-6以下，a[O]小于15ppm；塑性区2的组成为CaO45%60%、SiO20%15%、Al2O325%55%。钢中w[Ca]应控制在（903300）×1010，w[Al]大于75×10-6，a[O]小于7ppm。（3）CaO-SiO2-20%Al2O3-MgO系夹杂物的低熔点区域组成为CaO040%、SiO232%68%、MgO024%、Al2O320%。钢中w[Ca]应低于45×1010，w[Mg]、w[Al]、a[O]应分别控制在0.3ppm，20ppm，10ppm以内。（4）CaO-SiO2-20%Al2O3-MnO系夹杂物的低熔点区域组成为CaO044%、SiO216%72%、MnO064%、Al2O320%。钢中w[Al]应小于5ppm，w[O]在25.6103ppm之间。（5）CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO-10%MnO系夹杂物的低熔点区域组成为CaO046.8%、SiO225.5%59.5%、Al2O3029.8%、MgO5%、 MnO10%。钢中w[Al]应控制在415ppm，w[Ca]大于0.03×1010，w[O]在1030ppm。本课题成果有助于指导LF精炼渣系配比及脱氧合金的选择与用量，以达到控制夹杂物的目的，最终改善钢材质量，降低废品率，取得良好的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 曲轴钢概述
• 1.1.1 曲轴钢的分类
• 1.1.2 曲轴的工作特点
• 1.1.3 曲轴的失效形式
• 1.2 非金属夹杂物的概述
• 1.2.1 钢中非金属夹杂物的来源
• 1.2.2 钢中非金属夹杂物的类别
• 1.2.3 钢中非金属夹杂物的去除机理
• 1.2.4 夹杂物对曲轴钢性能的影响
• 1.3 钢中非金属夹杂物的控制
• 1.3.1 钢的洁净化控制
• 1.3.2 夹杂物的变性处理
• 1.3.3 钢中夹杂物的塑性化控制
• 1.4 课题的提出及意义
• 2 工业化试验
• 2.1 前言
• 2.2 工艺流程及设备参数
• 2.3 采样与分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 非金属夹杂物的数量变化
• 2.4.2 夹杂物的粒径变化
• 2.4.3 典型夹杂物形貌与分析
• 3 曲轴钢夹杂物生成热力学及塑性化控制
• 3.1 前言
• 3.2 基本热力学数据
• 3.2.1 42CrMoA 钢液成分
• 3.2.2 钢液元素亨利活度系数的确定
• 2系夹杂物的生成热力学'>3.3 MnO-SiO₂系夹杂物的生成热力学
• 2O₃系夹杂物的生成热力学'>3.4 MnO-Al₂O₃系夹杂物的生成热力学
• 2-Al₂O₃系夹杂物的生成热力学'>3.5 SiO₂-Al₂O₃系夹杂物的生成热力学
• 2-Al₂O₃系夹杂物控制'>3.6 MnO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物控制
• 2-Al₂O₃系夹杂物活度'>3.6.1 MnO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物活度
• 2-Al₂O₃系夹杂物与钢液平衡'>3.6.2 MnO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物与钢液平衡
• 2-Al₂O₃系夹杂物控制'>3.7 CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物控制
• 2-Al₂O₃系夹杂物活度'>3.7.1 CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物活度
• 2-Al₂O₃系夹杂物与钢液平衡'>3.7.2 CaO-SiO₂-Al₂O₃系夹杂物与钢液平衡
• 2-Al₂O₃-MgO 系夹杂物控制'>3.8 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物控制
• 2-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响'>3.8.1 CaO 含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响
• 2含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响'>3.8.2 SiO₂含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响
• 2O₃含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响'>3.8.3 Al₂O₃含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响
• 2-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响'>3.8.4 MgO 含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响
• 2-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响'>3.8.5 碱度对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 系夹杂物熔点的影响
• 2-20%Al₂O₃-MgO 系夹杂物活度'>3.8.6 CaO-SiO₂-20%Al₂O₃-MgO 系夹杂物活度
• 2-20%Al₂O₃-MgO 系夹杂物与钢液平衡'>3.8.7 CaO-SiO₂-20%Al₂O₃-MgO 系夹杂物与钢液平衡
• 2-Al₂O₃-MnO 系夹杂物控制'>3.9 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物控制
• 2-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响'>3.9.1 CaO 含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响
• 2含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响'>3.9.2 SiO₂含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响
• 2O₃含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响'>3.9.3 Al₂O₃含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响
• 2-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响'>3.9.4 MnO 含量对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响
• 2-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响'>3.9.5 碱度对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MnO 系夹杂物熔点的影响
• 2-20%Al₂O₃-MnO 系夹杂物活度'>3.9.6 CaO-SiO₂-20%Al₂O₃-MnO 系夹杂物活度
• 2-20%Al₂O₃-MnO 系夹杂物与钢液平衡'>3.9.7 CaO-SiO₂-20%Al₂O₃-MnO 系夹杂物与钢液平衡
• 2-Al₂O₃-MgO-MnO 系夹杂物控制'>3.10 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-MnO 系夹杂物控制
• 2-Al₂O₃-MgO-MnO 系夹杂物熔点的影响'>3.10.1 MgO、MnO 对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-MnO 系夹杂物熔点的影响
• 2-Al₂O₃-MgO-MnO 五元系夹杂物熔点的影响'>3.10.2 碱度对 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO-MnO 五元系夹杂物熔点的影响
• 2-Al₂O₃-5%MgO-10%MnO 系夹杂物活度'>3.10.3 CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO-10%MnO 系夹杂物活度
• 2-Al₂O₃-5%MgO-10%MnO 系夹杂物与钢液平衡'>3.10.4 CaO-SiO₂-Al₂O₃-5%MgO-10%MnO 系夹杂物与钢液平衡
• 4 结论
• 致谢
• 附录：论文包括图、表和文献
• 参考文献
• 攻读硕士期间获得成果