高碳錳鐵P、Si、Mn元素的偏析情況及取樣方法對錳鐵P、Si、Mn元素含量影響初析

【摘 要】高碳錳鐵中磷、硅、錳成分的含量以及其在錳鐵中的分布，在一定程度上直接影響錳鐵的使用性能。通過對爐前產(chǎn)品中磷、硅、錳成分的偏析情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，對爐前產(chǎn)品進(jìn)行分類，在生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可有效提高錳鐵產(chǎn)品的出廠質(zhì)量。本文采用不同取樣方法對P、Si、Mn成分在錳鐵中的偏析情況進(jìn)行研究分析，探討P、Si、Mn成分錳鐵中偏析規(guī)律，旨在提高錳鐵產(chǎn)品質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】高碳錳鐵；P；Si；Mn；偏析

0 前言

合金的冶煉過程中偏析是一種常見的現(xiàn)象，偏析會造成的各成分在合金中的不均勻分布，可能導(dǎo)致在合金中形成帶狀組織，直接影響合金的使用性能。在高碳錳鐵中，由于磷、硅、錳成分在生產(chǎn)過程中存在偏析現(xiàn)象，經(jīng)常會出現(xiàn)爐前錳鐵樣品和產(chǎn)品錳鐵成品樣品中磷、硅、錳含量及分布出現(xiàn)不吻合或偏差大的情況。為了更有效的控制工序質(zhì)量，確保成品質(zhì)量，我部對樣錳、磷、硅含量在錳鐵中的分布情況和取樣方法對錳鐵P、Si、Mn的影響兩方面進(jìn)行了分析和總結(jié)，探討P、Si、Mn成分在錳鐵中偏析規(guī)律，對錳鐵合金生產(chǎn)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 分析方法

為了研究錳鐵P、Si、Mn成分錳鐵中偏析規(guī)律和取樣方法對錳鐵P、Si、Mn含量的影響，從公司對錳鐵的取樣實(shí)際分析，對四個(gè)爐前流體和隨機(jī)取塊的不同部位進(jìn)行取樣。為了保證錳鐵取樣具有代表性，含量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，采用了跟蹤法進(jìn)行取樣。具體程序是：在錳鐵正常生產(chǎn)過程中，當(dāng)錳鐵高爐出鐵時(shí)，取高爐爐前流體樣；當(dāng)錳鐵流體澆鑄完成并成型后選取錳鐵鐵塊，并按圖1標(biāo)注進(jìn)行取樣。

圖1 鐵塊取樣位置

1.上表面中心；2.鐵塊中心；3，下表面中心；4.側(cè)面中心

2 結(jié)果

錳鐵成分的偏析是指錳鐵鐵塊不同位置的化學(xué)成分偏差較大的一種不均勻現(xiàn)象，偏差一般不大于2%。錳鐵的凝固過程是以錳、鐵為主體與各種相互溶的溶質(zhì)成分（Si、P、C）從原來無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)的過程。理想情況下錳鐵中的各成分應(yīng)該是均勻分布的，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各元素在錳鐵塊中的分布并不均勻，而且隨著工藝條件變化差異十分明顯，各元素在凝固過程中的凝固速度也有所不同，從而造成各元素在錳鐵流體澆注過程中出現(xiàn)偏析現(xiàn)象。

2.1 錳的偏析分析

作為高碳錳鐵主成分的錳含量，爐前樣和成品樣誤差小于2%時(shí)不會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生明顯影響，對判定錳鐵的牌號不會產(chǎn)生影響。據(jù)有關(guān)報(bào)道，錳鐵在澆注冷卻過程中會發(fā)生揮發(fā)損失，造成固體錳鐵的錳含量要低于爐前流體。分析數(shù)據(jù)表明，對同一組批的電爐錳鐵，爐前流體取樣和隨機(jī)塊多位置的取樣，錳元素近80%以上是相對不穩(wěn)定和不一致的，但誤差在2%內(nèi)不影響錳鐵號牌的確定。可見錳元素作為錳鐵中的主要元素，在澆注過程中在錳鐵塊里的分布是不均勻且很隨機(jī)的，與報(bào)道不相符。

2.2 硅的偏析分析

作為高碳錳鐵主要微量成分的硅元素，其在錳鐵澆注過程中的偏析是比較明顯的，而且硅元素含量越高時(shí)偏析誤差程度越高。分析數(shù)據(jù)表明，對同一組批的電爐錳鐵，爐前流體取樣和隨機(jī)塊多位置的取樣，硅含量指標(biāo)是相對不穩(wěn)定和一致的。這可能是Si與錳鐵中的C、S可形成SiC、SiS，由于比重相對較輕，在錳鐵的上部元素含量可能升高，容易造成偏析。

表1 取樣成分分析結(jié)果

2.3 磷的偏析分析

錳鐵固液態(tài)磷含量存在偏析的問題，其含量的不均勻分布對錳鐵的使用性能存在較大的影響，已成為困繞錳鐵行業(yè)的一個(gè)共性問題。錳鐵中的磷主要由錳礦帶入，在生產(chǎn)過程中降低磷含量比較困難，嚴(yán)格控制進(jìn)爐原料的磷含量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。錳鐵生產(chǎn)過程中，一般控制錳礦的磷含量不超過0.1%，但在爐前流體階段的磷含量為0.15%-0.16%，在澆注后磷含量還會有進(jìn)一步的改變。

雜質(zhì)元素磷為低熔點(diǎn)元素，在高碳錳鐵中主要以Mn3P、Fe2P、SiP及P的形式存在，在高溫下會游離成單質(zhì)磷，可能伴有磷蒸汽的逸出。若錠膜的厚度過高、冷卻速度過快，P蒸汽在澆注過程中未能充分逸出，形成晶粒內(nèi)部濃度的不均勻就可能在錳鐵塊的某部位析出，形成P偏析。

2.4 采樣方法

目前錳鐵產(chǎn)品化學(xué)分析樣品的采集和處理按國家標(biāo)準(zhǔn)GBPT4010- 94執(zhí)行， 但大部分生產(chǎn)廠家質(zhì)監(jiān)部門執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)存在一定難度，甚至是不可能的。因此很多廠家都會根據(jù)實(shí)際情況直制定一套內(nèi)部實(shí)用的樣品采集與制備操作標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)一般都受到實(shí)際條件的限制，雖然達(dá)到操作過程簡化的目的，但因主觀、客觀因素等條件導(dǎo)致的偶然性誤差則不可避免。目前在錳鐵成品倉庫取樣，僅能夠做到隨機(jī)抽取到錳鐵表面的樣品，中底部的錳鐵取樣實(shí)際操作困難，而錳鐵表面樣品受到外界環(huán)境的影響也會有一定的影響。因此，單純采取錳鐵表面的樣品，即使再加大采樣點(diǎn)數(shù)和采樣量，樣品也不具備全面代表性，很容易導(dǎo)致錯(cuò)判影響銷售發(fā)貨工作。

綜上所述，在錳鐵澆注過程中，錳元素、磷元素在錳鐵塊中的分布是極不均勻的，其流鐵樣和塊取樣的一致性很差；而硅元素在錳鐵塊中的分布是極均勻的，其流鐵樣和塊取樣的一致性很好，在一般情況下，相吻合程度較高。由于錳鐵P、Si、Mn的都存在偏析現(xiàn)象，簡單的表面取樣無法全面反映成品錳鐵的質(zhì)量情況，所以應(yīng)采用生產(chǎn)線隨機(jī)取塊，表面、內(nèi)部多層次取樣才能夠全面準(zhǔn)確的反映錳鐵的化學(xué)成分，確保產(chǎn)品出廠質(zhì)量。從近年來的控制組爐前樣與入庫后的產(chǎn)品分析指標(biāo)對比，錳元素誤差超過0.5的占70%以上，磷元素誤差超過0.015的占75%左右，而硅元素誤差超過0.25的只占20%左右。從近一個(gè)季度的生產(chǎn)部入庫抽查和質(zhì)管部入庫前分析和出庫前的錳、磷、硅元素比較，也證明了上述情況是如實(shí)存在的。

[責(zé)任編輯：劉帥]