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轴承钢屑在中频炉中的熔炼脱碳

来源：筏尚旅游网

第25卷第6期2002年12月

合肥工业大学学报(自然科学版)

JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

.25No.6VolDec.2002

轴承钢屑在中频炉中的熔炼脱碳

余　瑾,　朱中稳

(合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥　230009)

摘　要:通过正交试验研究了轴承钢屑在中频感应电炉中的熔炼脱碳规律及脱碳措施,结果发现其熔炼过程中的脱碳反应主要集中发生在预热前处理和预热熔化期;脱碳程度随钢屑的锈蚀程度的加剧而加剧;未经预热前处理的一般轴承钢屑经重熔后,其碳质量分数可从1.0%降至0.6%,若进行熔炼前的预热前处理,则碳质量分数可降至0.3%,然而,在熔炼氧化期所使用的氧化铁皮进行的氧化脱碳效果有限。关键词:轴承钢屑;预热处理;熔炼脱碳中图分类号:TF704.5;TF741.7　　　文献标识码:A　　　文章编号:100325060(2002)0621171204

RemovalofCfromthebearingssteelscrapsmeltedinelectricfurnace

YUJin,　ZHUZhong2wen

(SchoolofMaterialScienceandengineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:TheregularityofremovingCandthemethodofhowtoremoveCfromthebearingssteelscrapsmeltedinelectricfurnacehavebeenstudiedbyorthogonalexperiments.ThestudyresultsshowthattheprocessesofremovingCinthisconditionmainlytakeplaceduringpreheatinghandlingandpreheatingsmeltingperiods.Themorerustthebearingssteelscraps,themoreremovalofCwhentheyaresmelted.ItisgenerallyfoundoutthatthecontentofCinmasscanreduceeasilyfrom1.0%to0.6%whenthebearingssteelscrapsaremeltedwithoutpreheatinghandlingorfrom1.0%to0.3%whentheyaremeltedafterpreheatinghandling,butduringthesmeltingoxidationperiod,re2movingofCwiththeoxidizingferrouspowderisnotavailable.

Keywords:bearingssteelscraps;preheatinghandling;removalofCbysmelting

轴承生产企业每年产生大量的机械加工废切屑,长期以来这种钢屑一直由物资回收部门廉价回收,

经压块打包后提供给大型钢厂,按劣质废钢通过电弧炉进行简单的重熔与冶炼。然而,轴承钢是一种铬系合金钢,其中含有1.5%左右的较为贵重的金属元素铬,而含铬合金应用范围广,可利用经济价值高。但是,将其作为普通废钢材用于冶炼一般碳钢时,铬元素作用无法得以利用,甚至在较多情况下,成为有害杂质。另外,轴承钢中的有害元素P、S含量均较低,已达到或接近高级优质钢的要求,因此,只要合理利用,则无需进一步的脱P、脱S处理便可获得各种优质钢材。再之,轴承钢屑虽为“屑类”废钢,但由于量大,品种单一,化学成分稳定,当采用感应电炉进行熔炼时,可使回用的能耗降低,熔炼烧损减小,材料利用率高。本文旨在研究中频感应电炉对轴承钢屑进行回炼时的含碳量的变化规律及脱C的措施,为　　

收稿日期:2002208221;修改日期:2002209224

基金项目:安徽省科学技术厅重点资助项目(98040)

作者简介:余　瑾(1961-),男,湖北武汉人,合肥工业大学副研究员.

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利用轴承钢屑在中频炉中炼制低C合金钢提供参考。如用GCr15钢屑熔炼40Cr,由二者的成分差异可见,只要碳质量分数从1.0%降至0.4%,其它成分稍作调整就可满足要求,见表1所列。

表1　GCr15与40Cr成分对比

型号

GCr10Cr

w(C)

w(Mn)

w(Si)

w(Cr)

w(P)

w(S)

(%)

0.95～1.050.37～0.44

0.20～0.400.50～0.80

0.15～0.350.17～0.37

1.30～1.650.8～1.10

<0.027<0.035

<0.020<0.035

1　试验条件及方案

1.1　试验条件

(1)熔炼设备。熔炼炉为GW20.05250型试验用中频感应电炉,其中,额定容量为0.05t,额定功率50kW,额定频率1000Hz,额定温度1600℃,坩埚炉衬为碱性炉衬。(2)金属炉料。GCr15废钢屑,实际钢屑的锈蚀程度分无明显锈蚀、明显锈蚀及严重锈蚀3种情况,

分别压块。硅铁牌号为FeSi752～10mm,锰铁牌号为FeMn78C0.1,粒度为5～10mm,分别B,粒度为5用作预脱氧,铝牌号为Al99.5,用于熔炼终脱氧。

(3)造渣材料。因采用碱性炉衬,故选用石灰作为造渣材料。1.2　试验方案(1)方案1。重点考察钢屑的锈蚀程度、氧化铁皮的加入量及氧化沸腾(脱碳精炼)时间等3种因素

对熔炼过程及碳质量分数的影响,正交试验按三因素三水平方案进行,选取L9(3)正交表进行试验。其

因子、水平安排见表2所列。

(2)方案2。由于废钢屑通常含有油污,为了消除油污的不利影响,考察预先烘烤钢屑油污对脱C效果的影响,分别按照如下4种情况进行试验:①钢屑熔炼前不进行专门预热烘烤,自然加入炉中熔炼。②钢屑熔炼前进行专门预热烘烤,但烘烤时间不足即加入炉中熔炼。③钢屑熔炼前进行专门充分预热烘烤,油尽为止即加入炉中熔炼。④钢屑熔炼前进行专门预热烘烤,但烘烤温度过高及时间过长后加入炉中熔炼。1.3　熔炼工艺及试样采集

[1]

表2　因子、水平安排

因　子　　

水　平

钢屑锈蚀程度

(%)氧化铁皮󰃗

无明显锈蚀明显锈蚀严重锈蚀

0.44

0.88

1.212

氧化沸腾时间󰃗min

(1)熔炼工艺。采用氧化法炼钢工艺,包括预热熔化期、氧化期、还原期和终脱氧出钢3个阶段。(2)试样采集。熔化期将钢屑熔化,熔化结束后取样称之为熔清碳[C]熔清。氧化期将钢液升温,加入

氧化铁皮并搅拌进行脱碳和精炼后扒渣取样称之为氧末碳[C]氧末。还原期将硅铁和锰铁加入进行预脱氧,不取样,终脱氧将纯铝丝或铝块加入后便可出钢,从浇包取样称之为成品碳[C]成品。

2　试验结果及分析

2.1　方案1的试验结果分析

方案1的试验结果见表3所列,经综合分析可得出如下规律:①在考察的3个影响因素中,钢屑表

面的氧化锈蚀程度(影响因数A)对各期钢液含碳量的影响最为显著(RA=0.159),氧化铁皮的加入量

第6期　　　　　　　　　余　瑾,等:轴承钢屑在中频炉中的熔炼脱碳1173

(影响因数B)影响次之(RB=0.047),但是,沸腾时间(影响因数C)在考察的范围内影响效果不明显(RC=0.012)。②[C]熔清与[C]氧末相差为0.03%～0.08%,表明熔炼中的脱碳过程主要发生在预热熔

化期,而不是在通常的氧化期。③三因子的直观优化组合为A3B3C2,经统计分析优化组合为A3B3C3,说明钢屑表面的氧化锈蚀程度越严重,加入的氧化铁皮量越多,沸腾时间越长,越有利于脱碳。生产中钢屑表面的氧化锈蚀虽然对脱碳有利,但会影响钢液的净化。而生产中无限提高因子(B)和(C)的水平也是不合适的,所以本研究通过试验方案2重点进一步研究钢屑熔炼前的预热烘烤对中频炉熔炼条件脱碳的影响。

表3　正交试验数据统计表

试验号

1234567

K1K2K3

试验方法

因素A

1112223331.4701.7261.9470.4900.5750.90.159

123123123

试验结果

因素C

1233122311.7231.6911.7290.5740.50.5760.012

[C]熔清0.50.5920.5560.4770.4590.4610.3850.4060.392

[C]氧末0.5130.5340.4830.4180.4160.4330.3170.3580.368

[C]成品0.4970.80.4850.4300.4050.4390.3220.3560.375

因素B

1232313121.7081.71.7880.5690.90.5960.047

脱C效果

0.5030.4520.5150.5700.5950.5610.6780.40.625

{K1{K2

K3R

{

2.2　方案2试验结果分析

经综合分析试验方案2的统计结果,可得出如下规律:①随着钢屑熔炼前预热烘烤程度的增加,钢屑熔化期的含碳量[C]熔清逐渐减少,说明预热烘烤对熔炼脱碳效果影响显著。②脱碳主要发生在预热熔化期,氧化期脱碳较少,还原期由于加入的合金带入了少量碳而使钢液含碳量略有增加。

3　机理探讨

试验研究表明,钢屑的脱碳反应过程主要集中在预热处理、预热熔化期和氧化期,其化学反应受控于所处的热力学条件和动力学条件,而还原期由于加入的合金中含有少量的碳,所以含碳量有所增加。

(1)预热处理及预热熔化期。钢屑经打包后用专用设备进行预热烘烤,其作用主要是为了去除钢屑表面的油污和水汽以利于钢液的精炼。同时,在钢屑的预热烘烤及中频感应电炉中熔化前的预热升温过

[2]

程中,其主要脱碳反应为

2C+{O2}=2{CO}

∃G=-28600-19.85T

从化学反应的自由能与温度的关系,可知脱碳反应的热力学条件是随温度的升高有利于反应进行。

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从动力学角度分析,由于钢屑的比表面积大,碳原子从钢屑内部扩散到表面的距离短,并随温度的升高对碳原子的扩散有利,所以该过程对钢屑的氧化脱碳非常有利,试验结果也证明了这一事实。当钢屑接

[2]

近熔化时,其脱碳反应主要为

C+FeO=Fe+{CO}∃G.=98600-92.08T同样可知脱碳反应的热力学条件是当温度升高到1071℃以上时∃G.为负,温度高有利于反应进行。从动力学角度分析,由于钢屑在中频感应电炉中的熔炼过程中伴随磁力的搅拌,碳原子与FeO有充分的接触机会,其脱碳反应过程较充分,试验结果也证明,在钢液熔清时钢液表面纯净无渣。

(2)氧化期。炉料化清至脱氧开始前,包括升温和加入氧化铁皮。由于钢屑的锈蚀及混入的杂质处理不当会严重影响熔炼的钢材的质量,所以进行必要的氧化脱碳、沸腾、除气及除杂质,以便净化钢液,

[3～5]

这是屑类原材料熔炼时必需采取的措施。其脱碳反应过程为

(Fe2O3)+Fe=3(FeO),　　(FeO)=[O]+Fe,　　[C]+[O]={CO}反应平衡常数KC=PCO󰃗a[C]󰃖a[O],其中PCO为与熔池中[C]平衡的气相中CO的分压,又有平衡常数与温度的关系为

T+2.205lgKC=881󰃗因[C]+[O]={CO}反应的平衡常数随温度的变化不大,当取PCO为定值时,熔池中碳质量分数和

氧质量分数的乘积为一定值。也就是说要使脱碳进行下去就要不断提高熔池中氧的质量分数,即增加脱氧剂,由于本试验的氧化铁皮加入量有限,所以,即使在碱性炉衬条件下其脱碳效果仍然有限。

(3)还原期。还原期为氧化期结束后加入脱氧剂Si2Fe、Mn2Fe及Al等,以便脱去钢液中的氧,使钢液纯净,调整成分扒渣后即可出钢。

[6]

还原期主要发生化学反应为

2O+Si=SiO2,　　O+Mn=MnO,　　O+Al=Al2O3

4　结　　论

(1)轴承钢屑在中频感应电炉中的熔炼脱碳主要发生在预热处理和预热熔化期。

(2)轴承钢屑的锈蚀程度对轴承钢屑的熔化脱碳影响趋势是锈蚀程度越严重越脱碳越多,但钢屑

的锈蚀对熔炼的钢材质量不利,所以生产中要尽量避免锈蚀。

(3)在0.05t中频炉中熔化轴承钢屑时,其质量分数可从1.0%降至0.6%。

(4)轴承钢屑熔炼前的预热处理对钢屑在中频感应电炉中的熔炼脱碳非常有效,经预热处理后的轴承钢屑在0.05t中频炉中熔化时,其质量分数可从1.0%降至0.3%,这为合理利用轴承钢屑扩大应用范围提供了方便。

[参　考　文　献]

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(责任编辑　吕　杰)

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