15-7PH不锈钢电渣重熔过程夹杂物的行为_常立忠.pdf

第 23 卷第 2 期2023年 2月过 程 工 程 学 报The Chinese Journal of Process EngineeringVol.23 No.2Feb.2023Behavior of inclusions during electroslag process of 15-7PH stainless steelLizhong CHANG1,Miaomiao XIANG1,Tao XU2,Longfei ZHANG1,Yunlong SU1,Tao JIN1,Xiaofang SHI1*1.School of Metallurgy Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan,Anhui 243002,China2.Anhui Fukai Special Material Co.,Ltd.,Jixi,Anhui 245300,ChinaAbstract:In order to clarify the behavior of inclusions in 15-7PH stainless steel and further improve its cleanliness,the consumable electrodes were prepared by UHP electric arc furnaceAOD decarburizationLF refiningmold casting process,and remelted by gas shielded electroslag remelting furnace with voltage swing control.The changes of oxygen and nitrogen before and after electroslag remelting were analyzed by HORIBA gas analyzer.The size,number,chemical composition and morphology of inclusions were analyzed by ASPEX SEM.It was found that the content of oxygen and nitrogen in 15-7PH stainless steel decreased slightly after electroslag remelting,and there was little change in the composition of inclusions,which were mainly composed of nitride inclusions(AlN,TiN),nitride/oxide composite inclusions,oxide inclusions and sulfide-oxygen/nitride inclusions.Among them,nitride inclusions had the largest size and quantity,which were significantly higher than other inclusions,and were worthy of special attention.Electroslag remelting had an obvious effect on the number and size of inclusions.After remelting,the number of inclusions increased greatly,especially nitrides.However,large inclusions were significantly reduced.The main reason for the large amount of nitride inclusions was the high content of Al,Ti,N in the steel.During the electroslag process,due to the adsorption of slag and the dissolution of some nitrides,the large inclusions were reduced,and the rapid cooling in the remelting process inhibited the growth of inclusions which led to the small size but increased of the number of inclusions in the electroslag ingot.Key words:cleanliness;15-7PH stainless steel;electroslag remelting;nitride;inclusion;oxygen Slag pool N Ti Al TiN+Slag pool AlN+研究论文DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222113收稿：2022-03-31，修回：2022-04-19，网络发表：2022-06-15；Received:2022-03-31,Revised:2022-04-19,Published online:2022-06-15基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：51974002;52074002)作者简介：常立忠，博士，教授，钢铁冶金专业，E-mail:；通讯联系人，施晓芳，副教授，从事不锈钢冶金及电渣重熔的研究，E-mail:引用格式引用格式：常立忠,项淼苗,徐涛,等.15-7PH不锈钢电渣重熔过程夹杂物的行为.过程工程学报,2023,23(2):244253.Chang L Z,Xiang M M,Xu T,et al.Behavior of inclusions during electroslag process of 15-7PH stainless steel(in Chinese).Chin.J.Process Eng.,2023,23(2):244253,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.222113.第 2 期常立忠等：15-7PH不锈钢电渣重熔过程夹杂物的行为15-7PH不锈钢电渣重熔过程夹杂物的行为常立忠1，项淼苗1，徐 涛2，张龙飞1，苏云龙1，金 涛1，施晓芳1*1.安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 2430022.安徽富凯特材有限公司，安徽 绩溪 245300摘要：为了明晰15-7PH沉淀硬化不锈钢中夹杂物的行为，进一步提高其洁净度，采用超高功率电弧炉初炼AOD(Argon Oxygen Decarburization)脱碳LF(Ladle Furnace)精炼模铸工艺制备了自耗电极，并用带压摆控制的气体保护电渣重熔炉进行重熔。采用HORIBA氧氮氢气体分析仪检测了电渣重熔前后氧、氮等含量的变化；ASPEX扫描电镜分析了夹杂物的尺寸、数目、化学成分、形貌等。结果表明，电渣重熔后15-7PH不锈钢中氧、氮含量有轻微的下降，但夹杂物的组成变化不大，主要由氮化物夹杂物(氮化铝+氮化钛)、氮化物-氧化物复合夹杂物、氧化物夹杂物、硫化物-氧/氮化物夹杂物组成，其中氮化物夹杂物尺寸最大、数量最多，明显高于其他夹杂物。电渣重熔对夹杂物的数量、尺寸有明显影响。重熔后夹杂数量大幅增加，氮化物尤为明显，但大颗粒夹杂物明显减少。氮化物夹杂物大量存在的主要原因在于钢中存在较高的Al,Ti,N等元素，而电渣过程由于熔渣吸附、部分夹杂物溶解，使大颗粒夹杂物减少，重熔过程的快速冷却抑制了夹杂物长大，最终结果是夹杂物尺寸更细小，但数量增加。关键词：洁净度；15-7PH不锈钢；电渣重熔；氮化物；夹杂物；氧中图分类号：TF142 文献标识码：A 文章编号：1009-606X(2023)020244101 前 言 沉淀硬化不锈钢是20世纪四、五十年代由于航天和航空工业的需要而发展起来的一类高强度钢，主要依靠在最后形成的基体上经过时效处理析出第二相来强化。按照基体及热处理工艺的差异，又可分为马氏体型、半奥氏体型和奥氏体型三类1。15-7PH属于半奥氏体型沉淀硬化不锈钢，此钢经固溶处理后在室温获得奥氏体组织，易于加工成型，并具有奥氏体不锈钢的高韧性、高耐蚀性；经调质处理与冷处理等中间处理后又转变为马氏体，具有马氏体不锈钢的高强度和高硬度，经时效处理析出共格强化相 NiAl，进一步提高钢的强度2。因此，15-7PH半奥氏体沉淀硬化不锈钢被广泛应用于宇航、石油化工、能源工业及350以下工作的承力部件以及弹性元件等3。苛刻的使用环境对15-7PH不锈钢的冶金质量提出了更高的要求，而高洁净度，即夹杂物的控制则是衡量冶金质量一个非常重要的指标。冯博等4研究了不同应力比下沉淀硬化不锈钢的超高周疲劳断裂机制，发现不锈钢内部的夹杂物是主要起裂原因之一；陈志雄5研究发现夹杂物造成的材质不均匀是马氏体沉淀硬化不锈钢泵轴疲劳断裂的主要原因；刘城城等6分析发现夹杂物可能作为点蚀萌生的起点，后续会进一步扩大，最终在外力作用下引起材料失效；Wu等7发现在夹杂物/沉淀物周围存在贫铬区，这使周围区域更容易发生点蚀。因此，控制15-7PH钢的洁净度对于其性能的充分发挥具有重要意义。目前在高端金属材料制备中，电渣重熔工艺起到了举足轻重的作用。电渣重熔过程中，渣-金接触面积远高于传统的冶金过程，促进了熔渣对夹杂物的吸附8。杨波锋等9研究发现，电渣重熔使FeCrAl不锈钢自耗电极中大于10 m的夹杂物基本消失，电渣锭中尺寸小于5 m的夹杂物达到86.7%。目前关于电渣重熔对15-7PH不锈钢洁净度影响的文献极少，特别是在钢中铝、氮等元素含量较高的情况下夹杂物如何变化仍需进一步分析。因此，本工作以15-7PH不锈钢为研究对象，详细分析了电渣重熔前后夹杂物的变化行为。2 实 验 2.1 实验材料与设备实验所采用的15-7PH沉淀硬化不锈钢由工业生产所得，其制备流程如下：35吨超高功率电弧炉AOD脱碳LF精炼模铸，模铸锭直径为350 mm，单支锭重2吨。将自耗电极表面打磨干净以后，采用气体保护电渣炉进行重熔，结晶器直径450 mm，填充比0.78。重熔电压3738 V，重熔电流为86009000 A。重熔过程采用压摆控制、恒熔速操作，熔速为340360 kg/h。渣系采用传统的30wt%Al2O3+70wt%CaF2渣系。重熔前后化学成245过 程 工 程 学 报第 23 卷 分如表1所示。2.2 分析仪器与方法化学成分采用德国OBLF光谱分析仪分析，氧、氮等气体采用日本HORIBA氧氮氢气体分析仪分析。随着钢洁净度的提高，其气体含量逐渐下降。但气体含量并不能完全代表钢的洁净度，特别在某些情况下，尽管气体含量很低，仍然存在大颗粒的夹杂物10,11。因此，分析钢中的夹杂物的变化规律更有必要。为此，采用美国ASPEX扫描电镜分析给定面积(60 mm2)内最大直径3 m夹杂物的分布，包括尺寸、数目、化学成分、形貌等。ASPEX扫描电镜最大的优点在于能够提取给定面积上所有夹杂物的信息，这是其他方法所不具备的。采用JSM-6490LV扫描电镜进一步分析典型夹杂物中的元素分布和形貌。本工作中所有夹杂物的数量、直径比较均为相同面积上(60 mm2)的夹杂物统计。3 实验结果 由表1可知，电渣重熔后钢中的气体含量虽有一定的降低，但是变化不大，特别是氧含量很低，这主要是钢中的铝含量过高所致12。但是如前所述，超低的氧含量并不能完全反映钢中夹杂物的存在状态。为此，对电渣重熔前后夹杂物的数量、形貌、组成等进行了详细的分析。3.1 15-7PH不锈钢中夹杂物组成及形貌通过ASPEX及JSM-6490LV扫描