高碳锰铁P、Si、Mn元素的偏析情况及取样方法对锰铁P、Si、Mn元素含量影响初析

【摘 要】高碳锰铁中磷、硅、锰成分的含量以及其在锰铁中的分布，在一定程度上直接影响锰铁的使用性能。通过对炉前产品中磷、硅、锰成分的偏析情况进行准确分析，对炉前产品进行分类，在生产过程中调节工艺参数，可有效提高锰铁产品的出厂质量。本文采用不同取样方法对P、Si、Mn成分在锰铁中的偏析情况进行研究分析，探讨P、Si、Mn成分锰铁中偏析规律，旨在提高锰铁产品质量。

【关键词】高碳锰铁；P；Si；Mn；偏析

0 前言

合金的冶炼过程中偏析是一种常见的现象，偏析会造成的各成分在合金中的不均匀分布，可能导致在合金中形成带状组织，直接影响合金的使用性能。在高碳锰铁中，由于磷、硅、锰成分在生产过程中存在偏析现象，经常会出现炉前锰铁样品和产品锰铁成品样品中磷、硅、锰含量及分布出现不吻合或偏差大的情况。为了更有效的控制工序质量，确保成品质量，我部对样锰、磷、硅含量在锰铁中的分布情况和取样方法对锰铁P、Si、Mn的影响两方面进行了分析和总结，探讨P、Si、Mn成分在锰铁中偏析规律，对锰铁合金生产具有一定的实际指导意义。

1 分析方法

为了研究锰铁P、Si、Mn成分锰铁中偏析规律和取样方法对锰铁P、Si、Mn含量的影响，从公司对锰铁的取样实际分析，对四个炉前流体和随机取块的不同部位进行取样。为了保证锰铁取样具有代表性，含量数据准确可靠，采用了跟踪法进行取样。具体程序是：在锰铁正常生产过程中，当锰铁高炉出铁时，取高炉炉前流体样；当锰铁流体浇铸完成并成型后选取锰铁铁块，并按图1标注进行取样。

图1 铁块取样位置

1.上表面中心；2.铁块中心；3，下表面中心；4.侧面中心

2 结果

锰铁成分的偏析是指锰铁铁块不同位置的化学成分偏差较大的一种不均匀现象，偏差一般不大于2%。锰铁的凝固过程是以锰、铁为主体与各种相互溶的溶质成分（Si、P、C）从原来无序状态转变为有序状态的过程。理想情况下锰铁中的各成分应该是均匀分布的，但在实际生产过程中，各元素在锰铁块中的分布并不均匀，而且随着工艺条件变化差异十分明显，各元素在凝固过程中的凝固速度也有所不同，从而造成各元素在锰铁流体浇注过程中出现偏析现象。

2.1 锰的偏析分析

作为高碳锰铁主成分的锰含量，炉前样和成品样误差小于2%时不会对产品性能产生明显影响，对判定锰铁的牌号不会产生影响。据有关报道，锰铁在浇注冷却过程中会发生挥发损失，造成固体锰铁的锰含量要低于炉前流体。分析数据表明，对同一组批的电炉锰铁，炉前流体取样和随机块多位置的取样，锰元素近80%以上是相对不稳定和不一致的，但误差在2%内不影响锰铁号牌的确定。可见锰元素作为锰铁中的主要元素，在浇注过程中在锰铁块里的分布是不均匀且很随机的，与报道不相符。

2.2 硅的偏析分析

作为高碳锰铁主要微量成分的硅元素，其在锰铁浇注过程中的偏析是比较明显的，而且硅元素含量越高时偏析误差程度越高。分析数据表明，对同一组批的电炉锰铁，炉前流体取样和随机块多位置的取样，硅含量指标是相对不稳定和一致的。这可能是Si与锰铁中的C、S可形成SiC、SiS，由于比重相对较轻，在锰铁的上部元素含量可能升高，容易造成偏析。

表1 取样成分分析结果

2.3 磷的偏析分析

锰铁固液态磷含量存在偏析的问题，其含量的不均匀分布对锰铁的使用性能存在较大的影响，已成为困绕锰铁行业的一个共性问题。锰铁中的磷主要由锰矿带入，在生产过程中降低磷含量比较困难，严格控制进炉原料的磷含量是保证产品质量的有效措施。锰铁生产过程中，一般控制锰矿的磷含量不超过0.1%，但在炉前流体阶段的磷含量为0.15%-0.16%，在浇注后磷含量还会有进一步的改变。

杂质元素磷为低熔点元素，在高碳锰铁中主要以Mn3P、Fe2P、SiP及P的形式存在，在高温下会游离成单质磷，可能伴有磷蒸汽的逸出。若锭膜的厚度过高、冷却速度过快，P蒸汽在浇注过程中未能充分逸出，形成晶粒内部浓度的不均匀就可能在锰铁块的某部位析出，形成P偏析。

2.4 采样方法

目前锰铁产品化学分析样品的采集和处理按国家标准GBPT4010- 94执行， 但大部分生产厂家质监部门执行该标准存在一定难度，甚至是不可能的。因此很多厂家都会根据实际情况直制定一套内部实用的样品采集与制备操作标准，这些标准一般都受到实际条件的限制，虽然达到操作过程简化的目的，但因主观、客观因素等条件导致的偶然性误差则不可避免。目前在锰铁成品仓库取样，仅能够做到随机抽取到锰铁表面的样品，中底部的锰铁取样实际操作困难，而锰铁表面样品受到外界环境的影响也会有一定的影响。因此，单纯采取锰铁表面的样品，即使再加大采样点数和采样量，样品也不具备全面代表性，很容易导致错判影响销售发货工作。

综上所述，在锰铁浇注过程中，锰元素、磷元素在锰铁块中的分布是极不均匀的，其流铁样和块取样的一致性很差；而硅元素在锰铁块中的分布是极均匀的，其流铁样和块取样的一致性很好，在一般情况下，相吻合程度较高。由于锰铁P、Si、Mn的都存在偏析现象，简单的表面取样无法全面反映成品锰铁的质量情况，所以应采用生产线随机取块，表面、内部多层次取样才能够全面准确的反映锰铁的化学成分，确保产品出厂质量。从近年来的控制组炉前样与入库后的产品分析指标对比，锰元素误差超过0.5的占70%以上，磷元素误差超过0.015的占75%左右，而硅元素误差超过0.25的只占20%左右。从近一个季度的生产部入库抽查和质管部入库前分析和出库前的锰、磷、硅元素比较，也证明了上述情况是如实存在的。