S355J2G3鋼錠疏松缺陷的分析與改善

郭景喻

(北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江161041)

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S355J2G3鋼錠疏松缺陷的分析與改善

郭景喻

(北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江161041)

摘要：使用SEM和EDS對(duì)S355J2G3鍛件低倍疏松缺陷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)生疏松缺陷的部位有大量的硫化物夾雜(MnS)，通過(guò)VD真空后向鋼水中補(bǔ)喂Ca-Si線對(duì)硫化物進(jìn)行變性處理從而改善鍛件的疏松缺陷。

關(guān)鍵詞：S355J2G3鋼；疏松；夾雜物；變性處理

疏松是模鑄鋼錠常見的內(nèi)部缺陷之一，在橫向的低倍試樣上表現(xiàn)為組織不致密，呈現(xiàn)分散的圓形或橢圓形的黑色小點(diǎn)，或是不規(guī)則的圓形空隙，在鋼錠中往往在冒口端最為嚴(yán)重，向下逐漸減輕。疏松缺陷的存在使產(chǎn)品的使用壽命和服役周期都大大縮短[1-2]。S355J2G3是歐洲標(biāo)準(zhǔn)的低合金結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)用廣泛。與國(guó)標(biāo)的Q345D屬同一級(jí)別，我公司生產(chǎn)的S355J2G3鍛件每年都因疏松缺陷造成大量的廢品，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)使用SEM及EDS發(fā)現(xiàn)S355J2G3鍛件的疏松缺陷部位有大量的硫化物夾雜聚集，因此制定了通過(guò)真空后向鋼水中補(bǔ)喂Ca-Si線使硫化物進(jìn)行變性處理，并適當(dāng)延長(zhǎng)軟吹時(shí)間使夾雜物充分上浮，從而改善鍛件的疏松缺陷，在生產(chǎn)中具有一定的指導(dǎo)意義[3-4]。

1S355J2G3鋼疏松缺陷分析

1.1疏松缺陷的形成機(jī)理

鋼液在凝固過(guò)程中，各結(jié)晶核心以樹枝狀晶的形式長(zhǎng)大，由于樹枝晶的相互交錯(cuò)，把未凝固的鋼液隔成若干小的部分，在隔開的部分中液體獨(dú)立收縮結(jié)晶，在得不到鋼液補(bǔ)充的情況下，就不可避免的出現(xiàn)空隙，這些空隙又被大量的低熔物質(zhì)與夾雜物填充。經(jīng)酸侵后呈現(xiàn)出暗黑色的小點(diǎn)成為疏松。由于鋼水凝固的特性，這是鋼錠凝固過(guò)程中必然形成的缺陷，而且隨著錠型的增大，疏松越嚴(yán)重[5]。

1.2疏松缺陷研究

我公司生產(chǎn)的S355J2G3鋼種，低倍檢驗(yàn)執(zhí)行ASTM E381標(biāo)準(zhǔn)，合格級(jí)別不超過(guò)2級(jí)(相當(dāng)于GB/T 1979—2001的一般疏松1.5級(jí))。圖1為我公司試驗(yàn)室檢驗(yàn)該產(chǎn)品的低倍圖片。

(a)?550 mm，檢驗(yàn)結(jié)果R=3

(b)?650 mm，檢驗(yàn)結(jié)果R=4

(a)SEM (b)EDS

(a)SEM (b)EDS

從圖1可以看出，鋼錠一般疏松評(píng)級(jí)為3級(jí)，橫向截面內(nèi)布滿了黑色的“小點(diǎn)”。圖2(a)為在放大200倍下疏松缺陷的橫向SEM圖，可以看出，產(chǎn)生缺陷的部位經(jīng)過(guò)侵蝕后，夾雜物溶解并在基體上留下了“空洞”。圖2(b)為圖2(a)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的EDS能譜圖，在圖中只有Fe元素的特征峰，并未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)元素的特征峰。

圖3(a)為疏松缺陷位置縱剖后的SEM圖，可以清晰的看見夾雜物經(jīng)縱剖后在試樣的表面呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀，對(duì)其進(jìn)行EDS分析，其結(jié)果見圖3(b)。EDS能譜圖中發(fā)現(xiàn)有S和Mn的特征峰，根據(jù)吳華杰等[6]對(duì)鋼中硫化物的形貌進(jìn)行的分析，可以判定造成疏松缺陷的夾雜物為純MnS，這是鋼液凝固過(guò)程中硫化物偏析的結(jié)果。根據(jù)Hayes和Chipman對(duì)鋼中許多元素的分配系數(shù)K的測(cè)定表明，C、P、S 等元素的K值均小于1，即凝固時(shí)，固液界面前的液相中將富集這些元素，如果這時(shí)液態(tài)在界面附近凝固，即形成微觀偏析，如果這時(shí)液態(tài)金屬沿著兩相區(qū)的枝晶通道流動(dòng)，則產(chǎn)生宏觀偏析。胡軍輝等[7]指出了鋼液凝固過(guò)程中的Mn與S元素濃度的變化趨勢(shì)，鋼液在凝固的初期，由于Mn在固態(tài)鋼中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S，由于選分結(jié)晶的結(jié)果，隨著鋼液的凝固，鋼液中Mn、S含量同時(shí)增加，但S增加的速度遠(yuǎn)大于Mn在鋼中增加的速度，使得Mn/S逐步降低。當(dāng)接近凝固末期時(shí)大量的硫富集在樹枝晶的周圍，此時(shí)若錳硫的濃度積大于平衡值，就滿足了MnS析出的熱力學(xué)條件，形成MnS夾雜。

2改進(jìn)措施

使用鈣處理的方法對(duì)硫化物進(jìn)行變性處理，即在真空后向鋼水中補(bǔ)喂Ca-Si線，其原理是通過(guò)喂線增加了鋼液中的有效鈣含量，在鋼水凝固過(guò)程中提前形成高熔點(diǎn)CaS質(zhì)點(diǎn)，因此可以減少鋼水在此過(guò)程中生成MnS的總量，減弱其聚集程度，并可以將部分MnS改變成CaS，即形成細(xì)小、單一的CaS相或CaS與MnS的復(fù)合相[9]。

硫化物變性處理的熱力學(xué)計(jì)算[10]：

在鋼液中發(fā)生的反應(yīng)：

[Mn]+[S]=MnS(s)

(1)

[Ca]+[S]=CaS(s)

(2)

由式(1)和式(2)可得：

[Ca]+ MnS(l)= CaS(s) +[Mn]

(3)

ΔGθ=-284786.2+41.534T

當(dāng)T=1873K時(shí)，ΔGθ=-06993.0J·mol-1。

在鋼—渣界面發(fā)生反應(yīng)：

(MnO)+[S]=MnS+[O]

(4)

[CaO]+[S]=[CaS]+[O]

(5)

由式(4)和式(5)可得：

(CaO)+( MnS)= (CaS) +(MnO)

(6)

ΔGθ=-34750.44+10.67T

當(dāng)T=1873K時(shí)，ΔGθ=-14765.53J·mol-1。

通過(guò)上述的熱力學(xué)計(jì)算及分析可知，通過(guò)鈣處理的方法將MnS轉(zhuǎn)化為CaS是能夠?qū)崿F(xiàn)的。因?yàn)殁}的沸點(diǎn)較低，為了更好的實(shí)現(xiàn)鈣處理的效果，提高鈣的回收率，生產(chǎn)中以向鋼包中喂入Ca-Si線的方式對(duì)硫化物進(jìn)行變性處理，對(duì)加工的鍛件進(jìn)行低倍檢查，其結(jié)果見圖4。

(a)?550 mm，檢驗(yàn)結(jié)果R=2

(b)?650 mm，檢驗(yàn)結(jié)果R=2

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)鋼水進(jìn)行硫化物變性處理后對(duì)疏松缺陷有較大的改善，規(guī)格為?550 mm和?650 mm的鋼錠低倍檢驗(yàn)結(jié)果均為2級(jí)，且從低倍圖片明顯可以看出疏松缺陷的“黑點(diǎn)”變的更加小且分散，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)向鋼水中補(bǔ)喂Ca-Si線增加了鋼水中有效[Ca]含量，相當(dāng)于增加了鋼水中的硫化物的形核核心，因此使形成的硫化物在鋼中實(shí)現(xiàn)更加均勻的分布，且隨著鋼水的凝固，鋼中殘余的[Ca]、[S]可以提前結(jié)合為高熔點(diǎn)的CaS質(zhì)點(diǎn)并彌散于鋼的基體中，相當(dāng)于進(jìn)一步減少了鋼中殘余的[S]，減弱了硫的偏析[9]，從而改善了鋼錠的疏松。

3結(jié)論

(1)通過(guò)SEM、EDS分析，S355J2G3鋼鍛件低倍疏松缺陷部位有大量的硫化物夾雜，主要成分為MnS。

(2)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算分析，確定了鈣處理使硫化物變性的可能性，并在VD后向鋼水中補(bǔ)喂Ca-Si線，對(duì)硫化物進(jìn)行變性處理，減弱了鋼液凝固過(guò)程中S的偏析，從而改善了鋼錠的疏松。

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編輯杜青泉

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Analysis and Improvement of Shrinkage Defect for S355J2G3 Steel Ingot

Guo Jingyu

Abstract：By adopting SEM and EDS, the macro shrinkage defect of S355J2G3 forgings has been analyzed. It found out that the position of shrinkage defect appeared a large number of sulfide inclusion (MnS). By supplementary feeding Ca-Si wire into the molten steel after VD vacuum process, the modifying treatment of sulfide has been performed so as to improve the shrinkage defect of forgings.

Key words：S355J2G3 steel; shrinkage; inclusion; modifying treatment

作者簡(jiǎn)介：郭景喻，男(1972—)，工程師，從事鋼鐵技術(shù)研發(fā)及管理工作。電話：13836208902

收稿日期：2015—07—06

中圖分類號(hào)：TF771.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B