謝興軍

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業(yè)部，山東 濟(jì)南271104）

齒輪鋼的發(fā)展趨勢(shì)要向高純凈度和高使用壽命的方向發(fā)展，其中鋼中全氧含量是反映鋼材純凈度的重要指標(biāo)［1］。為降低20CrMnTiH鋼的全氧含量，某廠采取了轉(zhuǎn)爐高拉碳、鋁脫氧工藝、精煉渣洗工藝、鈣處理工藝、弱攪拌工藝、連鑄全保護(hù)澆注工藝，實(shí)現(xiàn)鋼中全氧含量≤15×10-6。

1 全氧含量影響因素分析

20CrMnTiH鋼生產(chǎn)工藝流程為：120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→90 t LF精煉爐→180 mm×220 mm、260 mm×300 mm方坯連鑄機(jī)。

全氧含量影響因素分析。鋼中氧主要以?shī)A雜物形式存在，主要來(lái)源有脫氧產(chǎn)物、二次氧化產(chǎn)物和外來(lái)夾雜物。影響氧含量的因素主要有：1）轉(zhuǎn)爐過(guò)氧化程度影響鋼水中的總氧含量。2）鋁脫氧工藝的酸溶鋁含量，通過(guò)高Als氧平衡關(guān)系影響鋼中的游離氧含量來(lái)保證低氧。3）精煉渣的影響。為達(dá)到控制全氧含量的目的，精煉渣系的選擇是其中最重要的內(nèi)容之一。以CaO-SiO2-Al2O3渣系為主，要控制在其三元相圖的低熔點(diǎn)區(qū)。4）鋼包軟吹效果，影響夾雜物的上浮與去除。5）鈣化處理脫氧產(chǎn)物，影響夾雜物的變性，從而影響夾雜物的吸附與去除。6）連鑄保護(hù)澆注狀況，影響鋼水的二次氧化程度。必須全流程、全系統(tǒng)控制，才能降低全氧含量［2］。

2 生產(chǎn)實(shí)踐與試驗(yàn)分析

單渣法高碳出鋼，提高脫磷率的關(guān)鍵在于加快前期化渣速度，保持渣中高的（FeO）含量，杜絕過(guò)程“返干”。同時(shí)維持平穩(wěn)的碳氧反應(yīng)速率，避免過(guò)程噴濺。前期提高成渣速度，高效脫磷；中期平穩(wěn)快速脫碳，保持渣中全鐵含量；后期“上下調(diào)槍”調(diào)渣，避免爐渣返干。

2.2 優(yōu)化鋁脫氧工藝

在脫氧合金化階段，除加入Al外，還加入Si、Mn等合金元素，各種合金元素與氧反應(yīng)，生成相應(yīng)化合物。相關(guān)的反應(yīng)式如下：

在溫度T為1 873 K時(shí)，上述反應(yīng)都將正向進(jìn)行。在鋼水中一并加入的脫氧劑、合金元素中，Al元素先與氧結(jié)合形成Al2O3。同期加入較多Si、Mn合金時(shí)，可能有部分SiO2、MnO化合物出現(xiàn)，但在過(guò)量Al條件下，產(chǎn)物將被Al還原，最終生成Al2O3夾雜物。根據(jù)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳情況，一次性足夠加入鋁脫氧劑，避免后期補(bǔ)加形成細(xì)顆粒夾雜物難以去除。

為試驗(yàn)合適的脫氧劑加入量，開(kāi)展工藝試驗(yàn)與檢測(cè)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳與終點(diǎn)氧曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖1，脫氧劑加入量與進(jìn)精煉Alt曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳與終點(diǎn)定氧曲線(xiàn)

在采用全鋁脫氧工藝的情況下，脫氧產(chǎn)物主要是Al2O3，在脫氧完畢后，剩余的鋁才能以Als的形式存在于鋼中。用鋁進(jìn)行完全脫氧，鋼液中的Als達(dá)到0.03%～0.05%時(shí)，鋼液脫氧完全。

2.3 LF精煉工序夾雜物控制

2.3.1 精煉工藝試驗(yàn)

基于2SFCA的養(yǎng)老服務(wù)設(shè)施可達(dá)性分級(jí)結(jié)果如圖4所示，步行、公交和私家車(chē)3種交通方式下分別有55個(gè)、6個(gè)、3個(gè)街道超出30 min可達(dá)范圍閾值.

圖2 鋁脫氧劑加入量與進(jìn)精煉Alt曲線(xiàn)

LF渣系主要成分是CaO－Al2O3－SiO2三元系。取樣對(duì)比鋼種Alt與鋼中游離氧含量變化規(guī)律見(jiàn)圖3、圖4。保持鋼中一定的A1s含量，可以使鋼中的氧進(jìn)一步降低并防止在澆注過(guò)程中吸氧造成鋼液二次氧化。當(dāng) A1s≥0.02% 時(shí)，T［O］≤20×10-6；當(dāng)A1s＜O.020%時(shí)，T［O］明顯增加。將Alt減去Als作為Al夾雜物來(lái)分析，如圖5所示。

圖3 鋼水中Alt含量變化

圖4 鋼水中Als含量變化

圖5 鋼水中Al夾雜物含量變化

綜合以上Alt、Als、Al夾雜物分析，從進(jìn)站到出站，Alt、Als減少，而Al夾雜物未明顯增加，說(shuō)明有夾雜物從鋼水中去除進(jìn)入爐渣中，檢測(cè)爐渣中Al2O3含量，分析結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鼍珶捲蠥l2O3在LF進(jìn)站時(shí)為5.0%，但在攪拌5 min后，迅速上升至19.8%，說(shuō)明在進(jìn)站氬氣攪拌后，有大量的Al2O3進(jìn)入爐渣中。在白渣保持時(shí)間段，穩(wěn)定在20%左右，終點(diǎn)結(jié)束時(shí)為22.0%。

圖6 精煉爐渣中Al2O3含量變化

全氧含量變化趨勢(shì)如圖7所示。全氧含量同樣的在進(jìn)站5 min后，迅速降低，并在白渣保持階段進(jìn)入20×10-6以?xún)?nèi)，并保持至終點(diǎn)時(shí)14.8×10-6。說(shuō)明夾雜物在早期的大顆粒狀態(tài)下上浮去除效率更高，同時(shí)后期進(jìn)一步降低難度大。

圖7 全氧含量變化趨勢(shì)

2.3.2 精煉工藝優(yōu)化

1）采用預(yù)熔精煉渣吸附夾雜物。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明需要在前期重點(diǎn)創(chuàng)造良好的爐渣條件，來(lái)充分吸附夾雜物。轉(zhuǎn)爐鋁脫氧的產(chǎn)物主要為簇狀?yuàn)A雜物，隨著鋼水?dāng)嚢柚饾u上浮到達(dá)鋼-渣界面后，需要及時(shí)被爐渣吸附［3］。根據(jù)SiO2-CaO-Al2O3三元相圖，兼顧爐渣吸附夾雜物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，以高Al2O3含量來(lái)降低爐渣熔點(diǎn)，保留高堿度特性，并提前爐渣形成時(shí)期，具體成分見(jiàn)表1。

表1 精煉預(yù)熔渣主要成分 %

2）脫氧產(chǎn)物鈣化處理。鋁脫氧產(chǎn)物后的鋼液中最終會(huì)有一些細(xì)小的Al2O3夾雜物很難去除。為了克服這些缺陷，鋁脫氧后的鋼水需用鈣進(jìn)行夾雜物變性處理［4］。鈣處理通常分為兩步：第一步鈣進(jìn)入鋼液，鋼液中的氧氣向鈣氣泡中擴(kuò)散，脫氧；第二步是Ca與Al2O3反應(yīng)。隨著鈣的擴(kuò)散，Al2O3顆粒表面Ca含量升高。當(dāng)超過(guò)25%時(shí)，出現(xiàn)液態(tài)或全部液態(tài)鈣鋁酸鹽。反應(yīng)式分為兩步：

采用喂鈣線(xiàn)處理的方法可生成12CaO·7Al2O3、CaO·Al2O3等低熔點(diǎn)夾雜物，但同時(shí)會(huì)生成許多高熔點(diǎn)夾雜物（CaO·7Al2O3，CaO·2Al2O3）和少量大尺寸的CaO-Al2O3系夾雜物。采用高Al2O3含量、高堿度的精煉渣來(lái)控制鋼液成分，可促使夾雜物低熔點(diǎn)轉(zhuǎn)變和吸附，最終促進(jìn)生成液態(tài)的12CaO·7Al2O3，有利于液滴化上浮去除和避免連鑄絮流。

3）如果用鋁進(jìn)行完全脫氧，鋼液中的Als達(dá)到0.03%～0.05%時(shí)，鋼液脫氧完全，這時(shí)溶解氧幾乎全部變成Al2O3，夾雜物的去除成為鋼液脫氧的瓶頸問(wèn)題。特別是形成的細(xì)小夾雜物的上浮去除，對(duì)于降低齒輪鋼全氧含量至關(guān)重要。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，確定最佳軟吹流量為20 NL/min，最佳軟吹時(shí)間12 min。

2.4 連鑄保護(hù)澆注

2.4.1 采用高堿度中間包堿性覆蓋劑

澆鑄鋁鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，中間包覆蓋劑中含有SiO2在鋼/渣界面發(fā)生［Al］＋（SiO2）→（Al2O3）＋［Si］反應(yīng)，使鋼水中T［O］增加，渣中（SiO2）是有效的氧源，渣中（SiO2）含量應(yīng)盡可能低。中間包堿性覆蓋劑的堿度越高，渣中FeO、SiO2活度系數(shù)越低，越能減少渣對(duì)鋼水二次氧化的污染，同時(shí)高堿度堿性覆蓋劑吸附鋼水中夾雜能力強(qiáng)。但堿度高的覆蓋劑往往造成中間包結(jié)殼嚴(yán)重。

采用CaO-SiO2-MgO作為基本渣系，因該渣系恰好有在中間包鋼水溫度下呈液態(tài)渣的成分范圍，而且SiO2活性最小。具體成分見(jiàn)表2。

表2 連鑄中間包覆蓋劑主要成分

2.4.2 連鑄全保護(hù)澆注工藝

以鋼包長(zhǎng)水口保護(hù)、水口碗氬氣密封保護(hù)、中間包浸入式水口保護(hù)、結(jié)晶器保護(hù)渣保護(hù)等全保護(hù)澆注工藝，控制連鑄工序增氮量≤4×10-6，進(jìn)而減少連鑄二次氧化，降低鋼中全氧含量。

3 實(shí)施效果

綜合采取以上措施后，檢測(cè)了5爐的出站LF全氧含量和鑄坯全氧含量，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 出站LF和成材氣體含量 10-6

4 結(jié)論

4.1 通過(guò)轉(zhuǎn)爐高拉碳和強(qiáng)脫氧工藝，減少夾雜物總量和促進(jìn)早期夾雜物長(zhǎng)大去除。

4.2 通過(guò)控制Als為0.02%～0.04%，采用堿性精煉渣，鋼中氧含量低于15×10-6，大量Al2O3吸附進(jìn)入爐渣。

4.3 連鑄工序采取堿性覆蓋劑和全保護(hù)澆注，有利于去除夾雜物。