中频炉熔炼高锰钢工艺控制

叶　根,鲁　菲

（1.金堆城钼业集团有限公司机电修配厂，陕西华县 714102；2.金堆城钼业股份有限公司，陕西华县 714102）

目前国内矿山湿式球磨机衬板以高锰钢为主，因高锰钢韧性高，耐冲击性能好，虽耐磨损性能和耐腐蚀性能不够理想，可是高锰钢的原材料来源丰富，有非常好的冲击韧性和长期的生产历史，所以高锰钢仍然是目前大中型粉磨设备中应用最为普遍的耐磨材料[1]。

在实际生产中，由于诸多因素的影响，普通高锰钢经常未能达到应有的使用寿命而过早的失效。因此，如何进一步提高高锰钢的质量是一项重要任务。现就影响高锰钢耐磨性因素及其对策重点介绍如下。

1　高锰钢的生产

高锰钢熔炼生产在3t中频炉中进行,中性炉衬,造渣材料采用专用造渣剂，每炉造渣、扒渣三次，采用快速热电偶测温,稀土硅铁合金变质剂,铝锭终脱氧，3t茶壶包浇注。

2　工艺控制

2.1　化学成分

（1）碳：碳是决定高锰钢是否耐磨的一个重要成份，它的含量变化将导致高锰钢机械性能、耐磨性能及铸造性能的变化。在一定范围内，耐磨性随着碳含量的增加而升高。碳量一般控制在1.00%～1.35%之间。

当高锰钢中的碳含量在上限时，应特别注意控制硅和磷的含量，硅应取下限，磷应尽可能低些。因为在高的碳含量时，硅元素能促进碳化物的沿晶析出，也使得磷的危害性增大。

（2）硅：高锰钢中的硅含量在0.4%内可改善热裂倾向，高的硅含量促使形成柱状晶，增加热裂倾向。在厚大断面铸件中，硅对韧性的危害有可能是灾难性的，硅能加强碳的偏析，使晶界碳化物增多，恶化韧性。当硅含量小于0.3%时，钢中脱氧程度难以达到要求，氧化夹杂物增多和钢的韧性降低，裂纹倾向也增大。一般硅含量应控制在0.35%～0.6%之间。

（3）锰：锰是保证高锰钢获得单一奥氏体组织的重要合金元素。与碳合理搭配能提高钢的耐磨性和机械性能[2]。Mn/C>10，高锰钢的耐磨性不但没有提高，反而有所下降。含锰量高时，使高锰钢铸件初生奥氏体晶粒粗大而且易生柱状晶。但锰碳比若过分降低时（Mn/C≤8），晶界上将大量出现网状碳化物。热处理尚无法良好的予以消除，铸件易产生裂纹，故Mn/C选用8～10。

（4）磷：磷在奥氏体中溶解度极低，常以Fe3P或Mn3P析出于晶界或以其它复杂共晶体污染晶界，使钢的韧性急剧下降。此外磷可使奥氏体晶粒粗大并容易生成柱状晶，大幅降低耐磨性和冲击韧性值，根据实际经验，磷元素每增加0.01%，冲击韧性值就下降5～6J/cm2。降低钢中磷含量是减少铸造裂纹，防止使用中断裂，提高耐磨性的重要措施。在实际生产中，限于锰铁条件，一般将磷控制在0.06%以下。在钢水温度较低时（1450～1480℃），进行流渣或者扒渣，以防高温时磷元素返回钢液中。

（5）硫：硫是钢中另一个有害元素。硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS与Fe形成共晶（熔点989℃）并分布于奥氏体的晶界上，造成钢的“热脆”。但高锰钢中锰含量很高，对硫的有害作用可起到减轻作用。硫含量一般控制在0.03%以下。

表1　化学成份　ωB/%

ZGMn13-1适用于结构简单的耐磨铸件,如衬板、齿板、破碎壁、斗齿等。ZGMn13-2适用于结构复杂的高韧性铸件，如电铲斗前壁、格子板等。WK-4型电铲铲齿含碳量控制到1.25%～1.35%，每套铲齿平均挖矿量为13万吨（矿石硬度f=12～14）。例如成份（%）为 C：1.35；Mn：13.4；Si：0.41；S：0.003；P：0.06 时，挖矿量达 16.83 万吨；成分 （%） 为 C：1.27；Mn：12.4；Si：0.44；S：0.006；P：0.049时，挖矿量为14.63万吨。这说明，在保证铸件水韧处理工艺下，随着含碳量的提高，耐磨性也随之提升。

2.2　晶粒度

晶粒度愈细，做同样的功所引起的加工硬化愈大。高锰钢为等轴晶时，随晶粒度由细变粗，其抗拉强度和延伸率显著下降，而冲击韧性影响不显著[3]。当高锰钢出现柱状晶时，随柱状晶所占铸件断面积比例增大，其抗拉强度、延伸率和冲击韧性均大大降低，而耐磨性能也降低。如在180×250高锰钢齿板试验证明，晶粒度为2～3级的齿板比大部份为柱状晶的齿板其使用寿命提高30%左右。

浇注温度对高锰钢晶粒度影响巨大，浇注温度愈高，晶粒度愈粗大。枝晶严重，钢的强度和冲击韧性愈低，高锰钢裂纹敏感性也随之增大。一般出钢温度控制在1500～1530℃左右时，钢中夹杂物易上浮，吸气不明显，可提高合金纯洁度，所以钢的相对磨损量较低，使用寿命长。低温浇注可获得细晶结构。尤其是采用了外冷铁，必须低温浇注。高温浇注使高锰钢产生严重的柱状晶，甚至出现穿晶结构，导致铸件在使用时开裂。但浇注温度也不能低于1430℃，过低的浇注温度打乱了铸件的顺序凝固方式，会出现同时凝固，浇注时卷入的气体、杂质得不到排除。这些铸造缺陷导致铸件在使用过程中开裂甚至出现内裂纹。对普通大中型高锰钢铸件，浇注温度一般控制在1450～1480℃。

另外，为消除柱状晶组织，使晶粒达到3～4级，采用了悬浮浇注稀土粉的试验，加入0.2%稀土粉于钢水中，得到全部细晶粒组织（晶粒度为4级）。加稀土后ZGMn13的机械性能、冲击韧性、奥氏体原始显微硬度都有所提高，RE加入量0.2%为宜。

2.3　碳化物

碳化物的存在严重地影响了钢的机械性能和耐磨性能。当钢中晶粒度与夹杂物等级相近时，碳化物溶解越好，机械性能越高。高锰钢晶粒度细小，但碳化物溶解不良，其机械性能比晶粒度粗大碳化物溶解良好者低。高锰钢含碳量高，但碳化物溶解不良，其机械性能不及含碳量较低而碳化物溶解良好者。

同一炉次冶炼浇注，采用不同热处理工艺生产的锤式破碎机锤头，经实际鉴定，碳化物为3级的锤头，其单位平均磨损破碎矿石量要比碳化物为4级的锤头高19.2%；同一炉次冶炼浇注，采用不同热处理工艺生产的180×250齿板，经实际鉴定，碳化物为3级的齿板，其平均单位磨损破碎矿石量要比碳化物为3.5级的齿板高12.9%。

2.4　夹杂物

钢液中的夹杂物对钢的性能影响程度是随其类型、数量、大小及分布形态而定。总的来说，高熔点、细小，均匀分布于晶内的夹杂物即使数量多，也比那些数量虽少，但分布在晶界、粗大、低熔点夹杂物好得多。前者对钢的机械性能与耐磨性能的影响比后者小，这是由于后者破坏了金属的连续性。

夹杂物主要是氧化锰、二氧化硅、复合硅酸盐、三氧化二铝、硫化锰或稀土氧化物等[4]。如果钢中含磷量较高，可能生成一种沿晶界分布的磷共晶夹杂物，这种夹杂物对钢的机械性能与耐磨性影响很大。为此，应尽量降低钢中的含磷量。

炉渣脱氧良好与否主要根据渣中氧化铁和氧化锰的总量来评定。脱氧不良的钢中氧化锰的含量较高，它会使钢的强度、塑性、耐磨性和抗热裂的能力降低。例如钢中加入0.01%～0.013%氧化锰，其耐磨性下降了50%，热裂倾向提高了三倍。要求渣中氧化铁含量小于0.5%，氧化铁与氧化锰总量应小于1.2%，出钢前在炉内插铝终脱氧。

为获得高质量的铸件，保证钢水有足够的镇静时间又是一个关键性环节。因此要求出炉温度控制在1500～1520℃范围内。这样，既有利于钢中夹杂物上浮，也有利于钢液有足够的镇静时间。

采用稀土合金对脱氧良好的钢液进行变质处理，即在钢包中充满1/3钢液时，向钢液中添加0.3%的稀土合金进行变质处理，可有效减少夹杂物含量，改善夹杂物分布形态，缩小夹杂物尺寸，夹杂物形状得到显著细化和球化。

2.5　致密度

高锰钢铸件的致密度是影响铸件耐磨性和使用寿命的极重要因素。因此铸造工艺的设计尤为重要。

ø3.6m×4m球磨机衬板的试验表示，采用平造型、平浇注的衬板，铸件中心部位组织极坏。不仅有严重的缩孔、缩松，而且有柱状晶，其使用寿命大都在5个月左右（一次球磨，矿石硬度f=12～14）。后改为平造型斜浇注，基本消除了中心缩孔、缩松，使衬板的使用寿命平均提高25%左右。将各类衬板均改成平造型斜浇注的方式，即浇、冒口均处于倾斜的高位置上，有助于提高致密度。

对于壁厚在60mm以下的板形铸件，可考虑不设置冒口。这种铸件的浇注系统，采用分散的内浇口，内浇口的数量较多，截面积要小，形状以扁薄形为宜，以避免在浇口前形成热节。

另外采用外冷铁，对加速铸件凝固、细化晶粒、提高产品致密度、消除缩孔和缩松、减少冒口都有较好作用。通常外冷铁的厚度为铸件厚度的0.4～0.8倍。

3　结论

通过两年的生产实践，某公司熔炼高锰钢基本上以中频炉替代了电弧炉，从成分、晶粒度、碳化物、夹杂物和致密度的控制使铸件达到使用质量要求。新工艺的开发，既可降低相对于电弧炉的高能耗，又降低了操作难度，大大提高了生产效率。

参考文献：

[1]谢敬佩,等.耐磨奥氏体锰钢[M].北京:科学出版社,2008.

[2] 柳百成,等.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2006.

[3] 袁献文.高锰钢的加工硬化特性及影响使用性能的因素[J].矿山机械,1980(4):50-58.

[4] 魏东,等.中频炉熔炼中控制高锰钢夹杂物的措施[J].热加工工艺,2002(2):41-47.