D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.s1.025 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 EAF LF(VD)VT工艺生产曲拐用钢S34nV的洁 净度研究 刘剑辉)朱荣)林腾昌)闵兴海) 曲素君)庞宗旭)白 静 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)鞍钢重机公司铸钢厂，鞍山114021 摘要针对EAF-LF(VD)一VC工艺生产的大型船用s34MnV曲拐探伤不合的问题，分别在电炉还原期，LF-VD精炼期、 浇注和锻造后钢锭取样对钢中夹杂物进行了研究·结果表明，精炼期间大于15m的夹杂物比例波动在1.65%~10.34%之 间：钢锭横截面上凝固前沿的柱状晶截获夹杂物的几率不同，帽口中心部位大型夹杂物含量少于边部试样夹杂物含量为5.81 mg/10kg钢锭尾部中心部位夹杂物含量高于边部试样夹杂物含量为25.9mg/10kg:锻造钢锭中夹杂物富集严重，其中尾部 DS类夹杂达到了4级以上·钢锭锻造后尾部含有大型夹杂物聚集部分不能完全切除是目前导致产品探伤不合的一个主要原 因 关键词洁净度；s34MV:曲拐；电弧炉：真空精炼；大型钢锭 Study on the cleanliness of crank steel S34MnV produced by the EAF-LF(VD)- VT LIU Jian-hui),ZHU Rong,LIN Teng"chang),MIN Xing-hai).QU Sujun2).PANG Zongxu2).BAI Jing?) 1)Metallurgical and Ecological Engineering School.University and Science Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Steel Casting Foundry.Angang Heavy Machine Co.,Ltd.Anshan 114021.China ABSTRACT The experimental samples were the marine crank steel S34MnV produced by the EAF-LF(VD)-VC production pro- cess,including the electric period,LF-VD refining period,casting period,and forging ingots from a heavy machinery factory in north China to solve the difficulty of being rejected by ultrasonic flaw detection for crank shaft.These samples were analyzed by the methods of metallographic observation,energy spectrum,and the electrolysis.The obtained results indicated that there was a large number of inclusions during the refining stage,and the proportion of inclusions with the size bigger than 15/m accounting to total in- dusions were within 1.65%-10.34%after VD process.Furthermore.the probability of inclusions captured by columnar crystal in the steel ingot cross"section was found changed obviously in different locations of ingot cap.The content of large inclusions in the cen- ter of the beginning of the ingot cap was 5.81mg/10kg,with increasing the distance from the center to the edge.whereas this value decreased to only 25.9mg/10kg in the rear center of ingot cap,with decreasing the distance form the center to the edge.In addition. large numbers of inclusions was found to exist in the forging ingot with the biggest inclusion of a 140m DS category,which were dif- ficult to be cut off completely and would be the main reason of being rejected by ultrasonic flaw detection for crank shaft. KEY WORDS cleanliness:S34MnV:crank shaft:EAF:vacuum refining:heavy ingot 随着世界船舶工业的迅速发展，70年代以来船 和震动附加力矩，因此要求曲拐有较高的刚度、抗冲 用锻件规格越来越大，技术要求越来越高，生产难度 击性能、，扭曲强度和疲劳强度，这些对曲拐用钢的洁 也越来越大，特别是近几年我国造船业也迅猛发净度及锻造加工提出了更高的要求，因为尺寸大， 展山.曲拐是大型船舶低速大功率发动机的核心， 曲拐均采用自由弯曲锻造的方法制造).本文对锻 它与发动机和螺旋桨联结传递动力，在高温工作环 造后曲拐探伤不合的问题，分别在冶炼过程中和钢 境下承受周期性变化的弯曲和扭转力矩、惯性力矩 锭锻造后进行了取样分析，研究了不同工序夹杂物 收稿日期：2006-08-01 作者简介：刘剑辉(1973一)，男，博士研究生，E-mail:lgliujianhui(@hotmail.com
EAF－LF（VD）－VT 工艺生产曲拐用钢 S34MnV 的洁 净度研究 刘剑辉1） 朱 荣1） 林腾昌1） 闵兴海2） 曲素君2） 庞宗旭2） 白 静2） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 鞍钢重机公司铸钢厂鞍山114021 摘 要 针对 EAF－LF（VD）－VC 工艺生产的大型船用 S34MnV 曲拐探伤不合的问题分别在电炉还原期、LF－VD 精炼期、 浇注和锻造后钢锭取样对钢中夹杂物进行了研究．结果表明精炼期间大于15μm 的夹杂物比例波动在1∙65％～10∙34％之 间；钢锭横截面上凝固前沿的柱状晶截获夹杂物的几率不同帽口中心部位大型夹杂物含量少于边部试样夹杂物含量为5∙81 mg／10kg；钢锭尾部中心部位夹杂物含量高于边部试样夹杂物含量为25∙9mg／10kg；锻造钢锭中夹杂物富集严重其中尾部 DS 类夹杂达到了4级以上．钢锭锻造后尾部含有大型夹杂物聚集部分不能完全切除是目前导致产品探伤不合的一个主要原 因． 关键词 洁净度；S34MnV；曲拐；电弧炉；真空精炼；大型钢锭 Study on the cleanliness of crank steel S34MnV produced by the EAF－LF（VD）－ VT LIU Jian-hui 1）ZHU Rong 1）LIN Teng-chang 1）MIN Xing-hai 2）QU Su-jun 2）PA NG Zong-xu 2）BAI Jing 2） 1） Metallurgical and Ecological Engineering SchoolUniversity and Science Technology BeijingBeijing100083China 2） Steel Casting FoundryAngang Heavy Machine Co．LtdAnshan114021China ABSTRACT T he experimental samples were the marine crank steel S34MnV produced by the EAF－LF（VD）－VC production processincluding the electric periodLF－VD refining periodcasting periodand forging ingots from a heavy machinery factory in north China to solve the difficulty of being rejected by ultrasonic flaw detection for crank shaft．T hese samples were analyzed by the methods of metallographic observationenergy spectrumand the electrolysis．T he obtained results indicated that there was a large number of inclusions during the refining stageand the proportion of inclusions with the size bigger than15μm accounting to total inclusions were within1∙65％－10∙34％ after VD process．Furthermorethe probability of inclusions captured by columnar crystal in the steel ingot cross-section was found changed obviously in different locations of ingot cap．T he content of large inclusions in the center of the beginning of the ingot cap was5∙81mg／10kgwith increasing the distance from the center to the edgewhereas this value decreased to only25∙9mg／10kg in the rear center of ingot capwith decreasing the distance form the center to the edge．In addition large numbers of inclusions was found to exist in the forging ingot with the biggest inclusion of a140μm DS categorywhich were difficult to be cut off completely and would be the main reason of being rejected by ultrasonic flaw detection for crank shaft． KEY WORDS cleanliness；S34MnV；crank shaft；EAF；vacuum refining；heavy ingot 收稿日期：2006-08-01 作者简介：刘剑辉（1973－）男博士研究生E-mail：lgliujianhui＠hotmail．com 随着世界船舶工业的迅速发展70年代以来船 用锻件规格越来越大技术要求越来越高生产难度 也越来越大特别是近几年我国造船业也迅猛发 展［1］．曲拐是大型船舶低速大功率发动机的核心 它与发动机和螺旋桨联结传递动力在高温工作环 境下承受周期性变化的弯曲和扭转力矩、惯性力矩 和震动附加力矩因此要求曲拐有较高的刚度、抗冲 击性能、扭曲强度和疲劳强度这些对曲拐用钢的洁 净度及锻造加工提出了更高的要求．因为尺寸大 曲拐均采用自由弯曲锻造的方法制造［2］．本文对锻 造后曲拐探伤不合的问题分别在冶炼过程中和钢 锭锻造后进行了取样分析研究了不同工序夹杂物 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．025
.136 北京科技大学学报 2009年增刊1 的含量和分布情况，并对工艺进行了分析讨论 2.2试样加工 1工艺特点 将所取的试样加工成Φ20mm×15mm的金相 样，锻造后钢锭所取方坯样加工成尺寸为200mm× S34MnV的冶炼流程为：30t电弧炉(EAF)→ 200mmX24mm的电解样. 30tLF精炼→扒渣→30tVD精炼→二次LF精 2.3试样分析 炼→85t钢锭真空浇铸(VT)→热送锻造.冶炼一炉 将金相样进行粗磨、细磨、粗抛光、细抛光后，首 钢约需7~8个小时. 先用DM500型正置式光学显微镜对钢样非金属 配料时要严格控制原料中的S、P等杂质元素 夹杂物的数量和粒径分布进行统计，在金相显微镜 和Cu,Pb、Sn、As、Sb、Bi等残余金属元素；采用30t 放大倍数为100倍下观察抛光平面上面积为0.50 电炉全冷料冶炼，分熔化期、氧化期和还原期，出钢 mm的正方形视场，每个视场内统计各尺寸区间 槽出钢；在LF精炼期造精炼渣脱硫及去夹杂，底吹 (054m、5~10m、10~15m、15~20m、20~ 氩气搅拌，采用铝终脱氧：VD真空精炼，在20Pa的 30m、>30m)内的夹杂物个数，每个金相样抛光 真空度下吹氩精炼20min;二次LF精炼，进一步调 面上统计100个视场·然后采用英国剑桥公司产 节温度和成分，白渣出钢：在氩气保护下真空浇注， $360型扫描电镜分析夹杂物成分；对锻造后试样分 2实验方法 别进行金相夹杂物评级和大样电解分析， 本实验针对三炉次生产过程中的21个试样采 3洁净度的分析与讨论 用SEM扫描电镜分析，对锻造后钢锭10个试样进 3.1冶炼过程显微夹杂物的数量统计 行大型夹杂物分析， 取样炉次各工序中夹杂物的数量变化见图2. 2.1取样方案 由图2可知，电炉期夹杂物平均个数在15.72~ (1)电炉期：在电炉扒氧化渣后10min(电炉还 39.41个/mm2之间波动，精炼期夹杂物个数在 原前期)和电炉出钢前（电炉还原末期）取杯状样， 1.74~6.05个/mm2之间.三炉次中从电炉还原期 (2)LF/VD精炼期：LF通电后20min(LF前 至LF精炼中期，夹杂物的个数均呈急剧减少的趋 期)、LF通电后40min(LF中期)、VD精炼结束、二 势，降低幅度达到90%以上，在LF前期到LF中期 次LF精炼后，用圆饼状取样器取金相样 的过程中，由数据可知钢液中夹杂物的数量呈明显 (③)浇注期：用取样勺在氩气保护的浇注钢流 下降趋势，如2065炉次降幅是46%，1070炉次降幅 中取样，浇注成杯状， 达到65%，充分说明LF精炼对夹杂物去除的效果. (4)锻造后钢锭：在距钢锭帽口端500mm和钢 锭尾端300mm的横截面上切割240mm×240mm 电炉还原前期 口VD精炼结束 浇注 四电炉还原末期 二次LF精炼后 ×25mm的电解样和金相样，钢锭横截面取样位置 oLF前期 四LF中期 见图1，帽口和钢锭尾部按取样位置分别标识为 30 A1、A2、A3、A4、A5,B1,B2B3,B4,B5 20 10 1058 2065 1070 平均 图2各工序夹杂物数量 VD精炼结束后，钢中夹杂物的数量又有所上 50 mm 升，表明在VD精炼过程中脱氧反应剧烈，钢中的卷 渣和大量夹杂物没有充分上浮，炉衬也对钢水的洁 240mm 净度造成污染.1070炉次浇注试样夹杂物个数异 常，原因一种可能是取样受到污染，另一种可能为 图1锻造后钢锭电解样取样位置 浇注时氩气保护不好导致钢液二次氧化所致
的含量和分布情况并对工艺进行了分析讨论． 1 工艺特点 S34MnV 的冶炼流程为：30t 电弧炉（EAF）→ 30t LF 精炼→扒渣→30t VD 精炼→二次 LF 精 炼→85t 钢锭真空浇铸（VT）→热送锻造．冶炼一炉 钢约需7～8个小时． 配料时要严格控制原料中的 S、P 等杂质元素 和 Cu、Pb、Sn、As、Sb、Bi 等残余金属元素；采用30t 电炉全冷料冶炼分熔化期、氧化期和还原期出钢 槽出钢；在 LF 精炼期造精炼渣脱硫及去夹杂底吹 氩气搅拌采用铝终脱氧；VD 真空精炼在20Pa 的 真空度下吹氩精炼20min；二次 LF 精炼进一步调 节温度和成分白渣出钢；在氩气保护下真空浇注． 2 实验方法 本实验针对三炉次生产过程中的21个试样采 用 SEM 扫描电镜分析对锻造后钢锭10个试样进 行大型夹杂物分析． 2∙1 取样方案 （1） 电炉期：在电炉扒氧化渣后10min（电炉还 原前期）和电炉出钢前（电炉还原末期）取杯状样． （2） LF／VD 精炼期：LF 通电后20min（LF 前 期）、LF 通电后40min（LF 中期）、VD 精炼结束、二 次 LF 精炼后用圆饼状取样器取金相样． （3） 浇注期：用取样勺在氩气保护的浇注钢流 中取样浇注成杯状． 图1 锻造后钢锭电解样取样位置 （4） 锻造后钢锭：在距钢锭帽口端500mm 和钢 锭尾端300mm 的横截面上切割240mm×240mm ×25mm 的电解样和金相样钢锭横截面取样位置 见图1帽口和钢锭尾部按取样位置分别标识为 A1、A2、A3、A4、A5B1、B2、B3、B4、B5． 2∙2 试样加工 将所取的试样加工成 Ф20mm×15mm 的金相 样锻造后钢锭所取方坯样加工成尺寸为200mm× 200mm×24mm 的电解样． 2∙3 试样分析 将金相样进行粗磨、细磨、粗抛光、细抛光后首 先用 DMM－500型正置式光学显微镜对钢样非金属 夹杂物的数量和粒径分布进行统计．在金相显微镜 放大倍数为100倍下观察抛光平面上面积为0∙50 mm 2的正方形视场每个视场内统计各尺寸区间 （0～5μm、5～10μm、10～15μm、15～20μm、20～ 30μm、＞30μm）内的夹杂物个数每个金相样抛光 面上统计100个视场．然后采用英国剑桥公司产 S360型扫描电镜分析夹杂物成分；对锻造后试样分 别进行金相夹杂物评级和大样电解分析． 3 洁净度的分析与讨论 3∙1 冶炼过程显微夹杂物的数量统计 取样炉次各工序中夹杂物的数量变化见图2． 由图2可知电炉期夹杂物平均个数在15∙72～ 39∙41个／mm 2 之间波动精炼期夹杂物个数在 1∙74～6∙05个／mm 2 之间．三炉次中从电炉还原期 至 LF 精炼中期夹杂物的个数均呈急剧减少的趋 势降低幅度达到90％以上．在 LF 前期到 LF 中期 的过程中由数据可知钢液中夹杂物的数量呈明显 下降趋势如2065炉次降幅是46％1070炉次降幅 达到65％充分说明 LF 精炼对夹杂物去除的效果． 图2 各工序夹杂物数量 VD 精炼结束后钢中夹杂物的数量又有所上 升表明在 VD 精炼过程中脱氧反应剧烈钢中的卷 渣和大量夹杂物没有充分上浮炉衬也对钢水的洁 净度造成污染．1070炉次浇注试样夹杂物个数异 常原因一种可能是取样受到污染．另一种可能为 浇注时氩气保护不好导致钢液二次氧化所致． ·136· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 刘剑辉等：EAF-LF(VD)VT工艺生产曲拐用钢S34M血V的洁净度研究 137 3.2冶炼过程显微夹杂物的粒径分布 在“EAF→LF→VD→VT”生产流程中，LF精炼 钢的力学性能在很大程度上取决于能产生应力 期是去除夹杂物的主要时期之一，夹杂物从钢中的 集中的夹杂物的体积、尺寸、分布、化学成分以及形 去除程度主要取决于它们在钢液中的上浮速度，而 态，夹杂物尺寸分布尤其重要.有研究表明20m 上浮速度又与脱氧产物的组成、形状、大小等因素有 的显微夹杂物就能引起钢材断裂③].根据不同粒度 关，根据斯托克斯公式可知，夹杂物的上浮速度是与 夹杂物的危害程度，统计上述六个粒度区间内的夹 其半径的平方成正比的，所以夹杂物的粒径越大，上 杂物个数.各个工序中的夹杂物平均粒径分布见图 浮速度越快，由图3知，LF精炼中期小于5m的 3,其中大于15m夹杂物所占比例见图4. 夹杂物的比例在50%左右，为各工序中最低，而 90 10~15m夹杂物比例为36%，明显高于其他工序 。一电炉还原前期 的比例，说明在LF精炼期小颗粒夹杂物在吹氩搅 ◇一电炉还原末期 。LF前期 拌下聚集成为稍大的夹杂物，夹杂物粒度在不断聚 600 。一LF中期 ←VD精炼结束 集后会变大，有利于夹杂物的上浮去除，然而分析 。-二次LF精炼后 0 ◆浇注 中发现LF精炼期间大于15m的显微夹杂物比例 20 为4%~6%，并有50m甚至更大的夹杂物存在， 分析发现LF精炼时氩气流量小，搅拌功率远没有 o 达到所要求的50~150W/:钢的搅拌功率，导致夹 -10 30 杂物上浮不充分 平均粒径m 由图4知，冶炼过程钢中大于15m的夹杂物 图3各工序显微夹杂物平均粒径分布 比例起伏波动，最大为VD精炼后的10.34%，最小 为二次LF精炼后的1.65%，两者相差6.3倍.VD 10 精炼后，随真空脱气后夹杂物数量的上升，钢液中大 8 颗粒夹杂物的比例也有所增加，说明反应产生的夹 杂物还来不及上浮，从精炼出钢到浇注之间没有软 6 吹工序，钢包内的夹杂物聚集后上浮速度缓慢，使钢 液中大粒度的显微夹杂物比例上升，所以在浇注时 依然有大的夹杂物残存于钢液中， 各冶炼时期均有大型夹杂物存在，这些大的夹 杂物主要为球状的Ca0SiO2一Mg0一Al203、Si02一 还原 还原 LF VD后二次LF浇注 前期 末期 前期 中期 Mn0和MgO一Al2O3等脱氧复合产物，其形貌和类 型见图5. 图4各工序大于15m的显微夹杂物含量 (b) 图5LF/VD精炼期夹杂物形貌和类型：(a)Ca0Si02一Mg0-Al03;(b)Si02一Mn0:(c)MgO一Al20s 3.3锻造后钢锭的大型夹杂物分析 之间，在钢锭帽口部位和钢锭尾部均有大于365m 在钢锭中取样进行大样电解实验，分析了钢锭 的夹杂物存在，且都分布在钢锭远离中心的区域，说 中大型夹杂物分布，大型夹杂电解分析结果见表1， 明在钢液对流中这些早期聚集长大的大型夹杂物很 钢锭中取样位置夹杂物总量和分布见图6，数据显 容易被凝固前沿的柱状晶截获， 示钢锭中大型夹杂物尺寸主要分布在50~365m 钢锭凝固规律为由外向里，由下向上逐渐凝固
3∙2 冶炼过程显微夹杂物的粒径分布 钢的力学性能在很大程度上取决于能产生应力 集中的夹杂物的体积、尺寸、分布、化学成分以及形 态夹杂物尺寸分布尤其重要．有研究表明20μm 的显微夹杂物就能引起钢材断裂［3］．根据不同粒度 夹杂物的危害程度统计上述六个粒度区间内的夹 杂物个数．各个工序中的夹杂物平均粒径分布见图 3其中大于15μm 夹杂物所占比例见图4． 图3 各工序显微夹杂物平均粒径分布 图4 各工序大于15μm 的显微夹杂物含量 在“EAF→LF→VD→VT”生产流程中LF 精炼 期是去除夹杂物的主要时期之一．夹杂物从钢中的 去除程度主要取决于它们在钢液中的上浮速度而 上浮速度又与脱氧产物的组成、形状、大小等因素有 关根据斯托克斯公式可知夹杂物的上浮速度是与 其半径的平方成正比的所以夹杂物的粒径越大上 浮速度越快．由图3知LF 精炼中期小于5μm 的 夹杂物的比例在50％左右为各工序中最低而 10～15μm夹杂物比例为36％明显高于其他工序 的比例说明在 LF 精炼期小颗粒夹杂物在吹氩搅 拌下聚集成为稍大的夹杂物夹杂物粒度在不断聚 集后会变大有利于夹杂物的上浮去除．然而分析 中发现 LF 精炼期间大于15μm 的显微夹杂物比例 为4％～6％并有50μm 甚至更大的夹杂物存在 分析发现 LF 精炼时氩气流量小搅拌功率远没有 达到所要求的50～150W／t 钢的搅拌功率导致夹 杂物上浮不充分． 由图4知冶炼过程钢中大于15μm 的夹杂物 比例起伏波动最大为 VD 精炼后的10∙34％最小 为二次 LF 精炼后的1∙65％两者相差6∙3倍．VD 精炼后随真空脱气后夹杂物数量的上升钢液中大 颗粒夹杂物的比例也有所增加说明反应产生的夹 杂物还来不及上浮．从精炼出钢到浇注之间没有软 吹工序钢包内的夹杂物聚集后上浮速度缓慢使钢 液中大粒度的显微夹杂物比例上升所以在浇注时 依然有大的夹杂物残存于钢液中． 各冶炼时期均有大型夹杂物存在这些大的夹 杂物主要为球状的 CaO－SiO2－MgO－Al2O3、SiO2－ MnO 和 MgO－Al2O3 等脱氧复合产物其形貌和类 型见图5． 图5 LF／VD 精炼期夹杂物形貌和类型：（a） CaO－SiO2－MgO－Al2O3；（b） SiO2－MnO；（c） MgO－Al2O3 3∙3 锻造后钢锭的大型夹杂物分析 在钢锭中取样进行大样电解实验分析了钢锭 中大型夹杂物分布．大型夹杂电解分析结果见表1 钢锭中取样位置夹杂物总量和分布见图6．数据显 示钢锭中大型夹杂物尺寸主要分布在50～365μm 之间在钢锭帽口部位和钢锭尾部均有大于365μm 的夹杂物存在且都分布在钢锭远离中心的区域说 明在钢液对流中这些早期聚集长大的大型夹杂物很 容易被凝固前沿的柱状晶截获． 钢锭凝固规律为由外向里由下向上逐渐凝固 Vol．31Suppl．1 刘剑辉等： EAF－LF（VD）－VT 工艺生产曲拐用钢 S34MnV 的洁净度研究 ·137·
,138 北京科技大学学报 2009年增刊1 表1曲拐大样电解分析结果 6.88、5.81和5.81mg/10kg,A4为16.13mg/10 夹杂总量， 夹杂物粒径分级/mg 试样号 kgA5位置为9.04mg/10kgA4位置夹杂物含量 mg/10kg 50-1804m180~3654m>3654m 约为A3位置的三倍，说明在钢锭浇注时，钢液下降 Al 6.88 0.2 0.2 0.2 冲刷和钢液因温差环流过程中携带的夹杂物被钢锭 A2 5.81 0.3 0.2 0 横截面上的柱状晶截获的几率是不同的，图6显示 A3 5.81 0.4 0 0 钢锭帽口部位取样横截面中心即A2位置的夹杂物 A4 16.1 0.4 0.3 0.4 最少 A5 9.04 0.4 0.2 0 钢锭尾部夹杂物分布显示，横截面中心B2位 Bl 14.8 0.9 0.3 0 置夹杂物为25.9mg/10kg,高于B1B3,B4和B5的 B2 25.9 2.0 0.2 0 14.8、19.2、22.1和24.3mg/10kg根据钢液对流 19.2 1.5 0.2 0 富集理论[)，钢液在自然对流时携带的夹杂物在凝 B4 22.1 1.5 0.2 0.2 固前沿运动时被柱状晶截获而留在最早冷却的钢锭 B5 24.3 2.0 0.3 0.3 边部，没有被截留的少部分大型夹杂物因被钢液对 钢锭底部的凝固能力强，结合取样标记位置进行分 流带到钢锭的中心区部位集聚，从而使中心B2位 析，帽口部位A1、A2、A3位置夹杂物含量分别为 置的夹杂物含量较大， 6.88 钢锭相口部位 16.1 5.81 9.04 0.6 0.6 取样截面 0.4 11 5.81 14.8 22.1 25.9 24.3 钢锭尾部 1.2 2.6 1719 19.2 夹杂物.总量，mg 夹杂物分布，mg10kg 图6钢锭中大型夹杂物分布 由图6可知，钢锭尾部的夹杂物含量比钢锭帽 形成，为夹杂物提供充足的上浮时间，减少钢锭底部 口部位的夹杂物含量多.根据钢锭中夹杂物的沉积 沉积锥的大型夹杂物数量， 锥聚集机理可知，是由于镇静钢钢锭凝固过程中沿 3.4锻造后钢锭中夹杂物分析 凝固前沿下降的热对流携带夹杂物下降，并在下降 采用GB/T10561一2005“钢中非金属夹杂物含 结晶雨的捕捉和钢锭底部黏稠层的粘附作用下，使 量的测定标准评级图显微检验法可，对从锻造后 得钢锭尾部截获大型夹杂物的能力和几率都很大， 钢锭上所取的样品进行评级测定， 随着钢锭的凝固，钢液环流范围不断缩小，其携带的 整个锻造后钢锭中夹杂物主要由A类夹杂、B 夹杂物在钢锭底部聚集的范围越来越小，最终形成 类夹杂、D类夹杂和DS类夹杂组成（见图7），最严 钢锭大型夹杂物富集的沉积锥 重的等级为A类粗系2级，B类细系2级、D类粗系 为减少钢锭中沉积锥的夹杂物数量，适当提高 1级和DS类4级，钢锭帽口部位主要是硫化物、氧 浇注温度以保证钢液有一定的过热度[)，推迟形核 化物及少量氨化物夹杂，钢锭尾部则出现严重的B 时间后移，抑制结晶雨的形成，减少了夹杂物被结晶 类夹杂和DS类夹杂，同时伴随少量硫化物夹杂， 雨捕捉的几率。基于钢锭凝固时温度场的变化，在 帽口部位的氧化铝、硫化物类夹杂物等级比钢 保护浇注帽口时将加入的普通覆盖剂改为速燃高热 锭尾部的严重，钢锭帽口中间部位氧化铝类夹杂物 值发热剂，也可以减少铁晶体的形成，推迟结晶雨的 比边部少，中间硫化物比边部多，粗系最大达到436
表1 曲拐大样电解分析结果 试样号 夹杂总量 mg／10kg 夹杂物粒径分级／mg 50～180μm 180～365μm ＞365μm A1 6∙88 0∙2 0∙2 0∙2 A2 5∙81 0∙3 0∙2 0 A3 5∙81 0∙4 0 0 A4 16∙1 0∙4 0∙3 0∙4 A5 9∙04 0∙4 0∙2 0 B1 14∙8 0∙9 0∙3 0 B2 25∙9 2∙0 0∙2 0 B3 19∙2 1∙5 0∙2 0 B4 22∙1 1∙5 0∙2 0∙2 B5 24∙3 2∙0 0∙3 0∙3 钢锭底部的凝固能力强．结合取样标记位置进行分 析帽口部位 A1、A2、A3位置夹杂物含量分别为 6∙88、5∙81和5∙81mg／10kgA4为16∙13mg／10 kgA5位置为9∙04mg／10kg．A4位置夹杂物含量 约为 A3位置的三倍说明在钢锭浇注时钢液下降 冲刷和钢液因温差环流过程中携带的夹杂物被钢锭 横截面上的柱状晶截获的几率是不同的．图6显示 钢锭帽口部位取样横截面中心即 A2位置的夹杂物 最少． 钢锭尾部夹杂物分布显示横截面中心 B2位 置夹杂物为25∙9mg／10kg高于B1、B3、B4和B5的 14∙8、19∙2、22∙1和24∙3mg／10kg．根据钢液对流 富集理论［4］钢液在自然对流时携带的夹杂物在凝 固前沿运动时被柱状晶截获而留在最早冷却的钢锭 边部没有被截留的少部分大型夹杂物因被钢液对 流带到钢锭的中心区部位集聚从而使中心 B2位 置的夹杂物含量较大． 图6 钢锭中大型夹杂物分布 由图6可知钢锭尾部的夹杂物含量比钢锭帽 口部位的夹杂物含量多．根据钢锭中夹杂物的沉积 锥聚集机理可知是由于镇静钢钢锭凝固过程中沿 凝固前沿下降的热对流携带夹杂物下降并在下降 结晶雨的捕捉和钢锭底部黏稠层的粘附作用下使 得钢锭尾部截获大型夹杂物的能力和几率都很大． 随着钢锭的凝固钢液环流范围不断缩小其携带的 夹杂物在钢锭底部聚集的范围越来越小最终形成 钢锭大型夹杂物富集的沉积锥． 为减少钢锭中沉积锥的夹杂物数量适当提高 浇注温度以保证钢液有一定的过热度［4］推迟形核 时间后移抑制结晶雨的形成减少了夹杂物被结晶 雨捕捉的几率．基于钢锭凝固时温度场的变化在 保护浇注帽口时将加入的普通覆盖剂改为速燃高热 值发热剂也可以减少铁晶体的形成推迟结晶雨的 形成为夹杂物提供充足的上浮时间减少钢锭底部 沉积锥的大型夹杂物数量． 3∙4 锻造后钢锭中夹杂物分析 采用 GB／T 10561－2005“钢中非金属夹杂物含 量的测定标准评级图显微检验法” ［5］对从锻造后 钢锭上所取的样品进行评级测定． 整个锻造后钢锭中夹杂物主要由 A 类夹杂、B 类夹杂、D 类夹杂和 DS 类夹杂组成（见图7）最严 重的等级为 A 类粗系2级、B 类细系2级、D 类粗系 1级和 DS 类4级．钢锭帽口部位主要是硫化物、氧 化物及少量氮化物夹杂钢锭尾部则出现严重的 B 类夹杂和 DS 类夹杂同时伴随少量硫化物夹杂． 帽口部位的氧化铝、硫化物类夹杂物等级比钢 锭尾部的严重．钢锭帽口中间部位氧化铝类夹杂物 比边部少中间硫化物比边部多粗系最大达到436 ·138· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 刘剑辉等：EAF-LF(VD)VT工艺生产曲拐用钢S34MnV的洁净度研究 .139. m,是硫化物主要在钢锭中心区偏析所致[)]；钢锭 大的达到140m 尾部出现的单个球形夹杂物直径均大于53m,最 (a) (b) () (d) (g) 图7锻锭中的夹杂物形貌和类型，钢锭帽口部位电镜图：(a)TiN(方形)一MS(椭圆形厂A203(深色)复合夹杂：(b)B类Al203夹杂；(c) A类MnS夹杂；钢锭尾部电镜图；(d)D类Ca0Si02一Mg0Alz03复合夹杂：(c)B类A2Os夹杂；()DS类夹杂，140hm;夹杂物金相图； (g)硫化物十氨化物：(h)B类Alz03夹杂（包裹着氮化物和硫化物）：()DS类夹杂，130Hm 4结论 (4)提高搅拌功率，保证充足的软吹时间，促进 夹杂物上浮，适当提高浇注温度和采用好的发热剂 (1)精炼期大于15m的夹杂物百分比波动在 保护帽口的方法促进夹杂物上浮，减小钢锭底部沉 1.65%~10.34%之间，精炼后夹杂物数量为3个/ 积锥夹杂物的富集， mm2.各工序均有大型夹杂物存在，LF精炼期最大 研究表明，锻造后曲拐探伤不合格的主要原因 夹杂物达到230m,大尺寸夹杂的存在表明吹氩搅 是钢锭尾部含有大型夹杂物聚集部分的沉积锥不能 拌功率，炉渣吸附能力不足，不能将其排除钢液. 完全切除造成的 (2)钢锭尾部大型夹杂物的含量高于钢锭帽口 部位的含量，钢锭横截面上凝固前沿的柱状晶截获 参考文献 夹杂物的几率不同：钢锭帽口中间部位夹杂物的含 [1]Song S D.Hu C B.Research for Forging Process of Supergiant 量小于周边夹杂物含量为5.81mg/10kg:钢锭尾部 Crankshaft Used in Ships.Heavy Casting and Forging.2001, 中间部位夹杂物含量高于周边夹杂物含量为25.9 91(1):11 (宋士丹，胡朝备，特大型船用曲轴曲拐锻造工艺研究，大型 mg/10kg 铸锻件，2001,91(1)：11) (3)锻造后钢锭帽口部位主要为锻造拉长的硫 [2]Sun Y M.Li D Z.Li YY,et al.Simulation and experiment 化物夹杂，伴随氧化物和少量氨化物夹杂；钢锭尾部 study of bending process of large marine crankthrow.Acta Metall 主要是B类夹杂和大量的DS类夹杂， Sin,2005,12:1261
μm是硫化物主要在钢锭中心区偏析所致［6］；钢锭 尾部出现的单个球形夹杂物直径均大于53μm最 大的达到140μm． 图7 锻锭中的夹杂物形貌和类型．钢锭帽口部位电镜图：（a） TiN（方形）－MnS（椭圆形）－Al2O3（深色）复合夹杂；（b） B 类 Al2O3 夹杂；（c） A 类 MnS 夹杂；钢锭尾部电镜图；（d） D 类 CaO－SiO2－MgO－Al2O3 复合夹杂；（e） B 类 Al2O3 夹杂；（f） DS 类夹杂140μm；夹杂物金相图； （g） 硫化物＋氮化物；（h） B 类 Al2O3 夹杂（包裹着氮化物和硫化物）；（i） DS 类夹杂130μm 4 结论 （1）精炼期大于15μm 的夹杂物百分比波动在 1∙65％～10∙34％之间精炼后夹杂物数量为3个／ mm 2．各工序均有大型夹杂物存在LF 精炼期最大 夹杂物达到230μm．大尺寸夹杂的存在表明吹氩搅 拌功率炉渣吸附能力不足不能将其排除钢液． （2）钢锭尾部大型夹杂物的含量高于钢锭帽口 部位的含量．钢锭横截面上凝固前沿的柱状晶截获 夹杂物的几率不同：钢锭帽口中间部位夹杂物的含 量小于周边夹杂物含量为5∙81mg／10kg；钢锭尾部 中间部位夹杂物含量高于周边夹杂物含量为25∙9 mg／10kg． （3）锻造后钢锭帽口部位主要为锻造拉长的硫 化物夹杂伴随氧化物和少量氮化物夹杂；钢锭尾部 主要是 B 类夹杂和大量的 DS 类夹杂． （4）提高搅拌功率保证充足的软吹时间促进 夹杂物上浮．适当提高浇注温度和采用好的发热剂 保护帽口的方法促进夹杂物上浮减小钢锭底部沉 积锥夹杂物的富集． 研究表明锻造后曲拐探伤不合格的主要原因 是钢锭尾部含有大型夹杂物聚集部分的沉积锥不能 完全切除造成的． 参 考 文 献 ［1］ Song S DHu C B．Research for Forging Process of Supergiant Crankshaft Used in Ships．Heav y Casting and Forging2001 91（1）：11 （宋士丹胡朝备．特大型船用曲轴曲拐锻造工艺研究．大型 铸锻件200191（1）：11） ［2］ Sun Y MLi D ZLi Y Yet al．Simulation and experiment study of bending process of large marine crankthrow．Acta Metall Sin200512：1261 Vol．31Suppl．1 刘剑辉等： EAF－LF（VD）－VT 工艺生产曲拐用钢 S34MnV 的洁净度研究 ·139·
.140 北京科技大学学报 2009年增刊1 (孙明月，李殿中，李依依，等.大型船用曲轴曲拐的弯锻过程 Quarantine of the People's Republic of China.GB/T 10561- 模拟与实验研究.金属学报，2005(12)：1261) 2005/S0 4967:1998(E).Steel-Determination of Content of [3]Cheng J.et al.The determination of macro inclusions in produc- Nonmetallic Inclusions-Micrographic Method Using Standards tion of clean steel.Angang Technology.2004(4):58 Diagrams.Beijing:Standards Press of China.2005 (Cheng J,等.洁净钢生产过程中宏观夹杂物的测定.鞍钢技 (中国国家标准化管理委员会，中华人民共和国国家质量监督 术，2004(4)：58) 检验检疫总局.GB/T10561-2005/1S04967:1998(E),钢中 [4]Dong L R.Liu X H.et al.Large-Scale Nonmetallic Inclusion of 非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法。北京：中国 ingot.Beijing:Metallurgical Industry Press.1991 标准出版社，2005) (董履仁，刘新华，等.钢中大型非金属夹杂物·北京：冶金工 [6]Zhou H.Yuan H Y,Cui K.The segregation of sulfides in Ingot 业出版社，1991) Res Iron Steel.1996(5):3 [5]Standardization Administration of the People's Republic of China. (周宏，袁浩扬，崔昆，钢锭中硫化物偏析的研究。钢铁研究， General Administration of Quality Supervision,Inspection and 1996(5):3)
（孙明月李殿中李依依等．大型船用曲轴曲拐的弯锻过程 模拟与实验研究．金属学报2005（12）：1261） ［3］ Cheng Jet al．The determination of macro-inclusions in production of clean steel．A ngang Technology2004（4）：58 （Cheng J等．洁净钢生产过程中宏观夹杂物的测定．鞍钢技 术2004（4）：58） ［4］ Dong L RLiu X Het al．L arge-Scale Nonmetallic Inclusion of ingot．Beijing：Metallurgical Industry Press1991 （董履仁刘新华等．钢中大型非金属夹杂物．北京：冶金工 业出版社1991） ［5］ Standardization Administration of the People’s Republic of China General Administration of Quality SupervisionInspection and Quarantine of the People’s Republic of China．GB／T 10561－ 2005／ISO 4967：1998（E）Stee-l Determination of Content of Nonmetallic Inclusions－Micrographic Method Using Standards Diagrams．Beijing：Standards Press of China2005 （中国国家标准化管理委员会中华人民共和国国家质量监督 检验检疫总局．GB／T 10561－2005／ISO 4967：1998（E）钢中 非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法．北京：中国 标准出版社2005） ［6］ Zhou HYuan H YCui K．The segregation of sulfides in Ingot． Res Iron Steel1996（5）：3 （周宏袁浩扬崔昆．钢锭中硫化物偏析的研究．钢铁研究 1996（5）：3） ·140· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
