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曲轴是发动机最重要的零件之一,由于长时间高速运转,需承受较大的转矩、交变的弯曲应力,条件十分恶劣,容易发生扭转、弯曲变形、甚至疲劳断裂。目前,国产曲轴完全可以满足轿车、卡车以及轮船等低速、中速低功率曲轴的质量要求,而高品质大功率机车曲轴仍需要大量进口,高速、重载机车则需要整车进口。曲轴材料中存在大尺寸脆性非金属夹杂物是导致曲轴疲劳断裂的主要原因之一。夹杂物的存在,严重破坏了金属基体的连续性,大大降低了材料的强度和塑性。因此,研究曲轴钢冶炼过程夹杂物的演变行为,以及去除和控制的机理和方法,从而提高曲轴的性能和寿命,对指导我国高附加值、高品质曲轴钢的生产具有重要意义。 论文采用三种高碱度、高氧化铝含量的精炼渣对42CrMoA曲轴钢 LF-VD过程进行工业脱硫试验,通过连续取样并利用光学显微镜、SEM-EDS对钢样中夹杂物进行测定和系统分析,研究了夹杂物的演变规律。借助FLUENT软件,利用CFD流体力学软件,对底吹氩过程夹杂物去除进行三维数学模拟,优化了精炼工艺。对透气砖狭缝结构去除夹杂物的机理进行了研究,提出了有利于夹杂物去除的临界流量概念。同时,运用冶金学基本原理,借助先进的热力学软件FactSage,对精炼过程中,由SiO2、Al2O3、CaO、MgO以及MnO组成的三元、四元和五元典型夹杂物,在钢液-夹杂物达到局部平衡时的热力学条件进行计算,探讨了高品质机车曲轴钢获得无害化夹杂物控制的条件。并进行了工业优化试验,取得了创新性的成果。结果表明:(1)高碱度、高氧化铝精炼渣在碱度为6.68, CaO/Al2O3为1.23,炉渣的熔融温度较低,渣-钢间具有较高的硫分配比,脱硫效率最佳。(2)随着精炼的进行,夹杂物尺寸整体上趋于减小;夹杂物的数量和尺寸主要由钢中氧含量控制。精炼渣成分对夹杂物的数量、尺寸和分布影响不大,对夹杂物的去除效果也不明显。但精炼渣成分对夹杂物的成分影响很大,可以通过控制精炼渣成分来控制夹杂物成分。(3)精炼初期夹杂物以 SiO2·Al2O3·MnO为主,精炼过程以 CaO·Al2O3·SiO2、SiO2·CaO·Al2O3·MnO和SiO2·CaO·Al2O3·MnO·MgO系为主,VD结束时,几乎全部演变为 Al2O3·SiO2·CaO·MgO系夹杂物,且含有少量的硫化物。(4)当吹氩位置距包底中心0.50R时,底吹氩去除夹杂物的最优条件为:临界吹氩流量为150L/min,吹氩时间为12~14min,透气砖狭缝长度为14mm,条数为16条。此时,卷渣深度较小,对包壁冲刷的影响也不大。(5)对于不同长度狭缝都存在有利于夹杂物去除的临界吹氩流量,只有在临界吹氩流量时,夹杂物去除率才最大。临界吹氩流量和透气砖狭缝长度间的定量关系为, Q=5.21L+75.71。(6)通过Factsage热力学软件计算得出当典型夹杂物SiO2·Al2O3·MnO、CaO·Al2O3·SiO2、 Al2O3·SiO2·CaO·MgO、 SiO2·CaO·Al2O3·MnO和SiO2·CaO·Al2O3·MnO·MgO具有良好变形能力时,夹杂物-钢水平衡的各自控制范围,这为各类夹杂物的无害化控制提供了依据。(7)改进脱氧工艺,采用新渣系以及优化后的吹氩工艺和透气砖结构,工业试验表明,钢中氧含量降到20ppm以下,脱氧率超过90％。精炼结束,钢中夹杂物以低熔点易变形的塑性夹杂物MgO·Al2O3·SiO2·CaO为主,呈纺锤形或球形。夹杂物平均尺寸和最大尺寸分别控制在5μm和10μm以内,夹杂物脱除率达到70%,大尺寸夹杂物基本被去除,精炼周期也大大缩短。 论文以五元含氟渣系 CaF2·Al2O3·SiO2·CaO·MgO为基础,利用二次正交旋转回归法进行实验设计;借助熔体物性综合测定仪对渣系的物化性能进行实验研究;通过建立KTH模型,预测了渣系脱硫率;并对渣系去夹杂能力进行评估。探索得出适合仿美高速重载机车曲轴钢 EMS161的冶炼新渣系,成分为 SiO2:9.09%、Al2O3:18.18%、CaO:9.09%、MgO:9.09%、CaF2:54.56%,脱硫率预测值为40.41%。研究发现五元渣系粘度与电导率以及粘度和表面张力间存在κη=0.180,以及σ=1205.3η+311.88的定量关系。工业试验表明:采用新渣系后脱氧率得到大幅提升,硫含量得到有效的控制,脱硫率预测值与试验值能够很好地吻合。新渣系与原渣系相比,夹杂物尺寸变小,小于3μm的接近90%,弥散性更好。新渣系对 EMS161钢电渣过程钢中硫含量起到了有效的控制,并有利于夹杂物的去除。 论文用光学显微镜观测法和统计极值法(SEV)相结合对曲轴钢中最大夹杂物尺寸进行了评估;对疲劳强度进行预测。并通过超声疲劳实验,确定了疲劳强度以及断裂面上的最大夹杂物尺寸,与预测结果进行了对比分析。结果表明:(1)钢中氧含量越低,最大夹杂物尺寸越小,传统疲劳极限和超高周疲劳极限越高。(2)钢中氧含量在20ppm以上时,可以应用SEV方法预测钢中最大夹杂物尺寸;当氧含量在20ppm以下时,预测值与实际值偏差达到50%,应用预测方法过于勉强。(3)用SEV预测方法预测传统疲劳强度极限过于保守(偏差率最小为24.41%),在超高周疲劳强度极限的预测上具有较大可信度(偏差率最大为2.94%),可以用预测方法预测钢的超高周疲劳强度。