包石磊，白澈力格爾，劉曉軍，牟貝成，許明杰

（1．天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團有限公司，天津 300352；2.鋼鐵研究總院華東分院江蘇 223000）

0 引言

38CrMoAl鋼是GB/T 3077《合金結構鋼》中專用于氮化處理鋼，屬于中碳高鋁合金結構鋼，鋼中標準Al含量達到0.70～1.10%。該鋼種在滲氮處理過程中，在鑄件表面形成氮化鋁（AlN）層，起到彌散強化作用，從而提高表面硬度、耐磨性及疲勞強度，并具有良好的耐熱性、耐腐蝕性以及尺寸精度較高等特點。因此，該鋼種主要應用于特殊用途的零部件，如：齒輪、氣缸套、高壓閥門、蝸桿以及磨床主軸等。

由于38CrMoAl鋼種Al含量較高，冶煉和澆注過程出現(xiàn)鋼液異?；毓璎F(xiàn)象，甚至超標準現(xiàn)象。因此，在保證該鋼穩(wěn)定澆注的同時，如何控制成品鋼中硅含量也是該鋼種穩(wěn)定生產(chǎn)的一個技術難點。本文闡述了該鋼種的生產(chǎn)工藝流程及成分組成，分析了出現(xiàn)鋼液異?；毓璎F(xiàn)象的原因，提出了控制鋼中硅含量的工藝操作要點，并對生產(chǎn)試煉實踐情況進行了分析。生產(chǎn)實踐表明，通過控硅操作要點的貫徹實施，可以實現(xiàn)38CrMoAl鋼轉爐連鑄工藝鋼中最終硅含量穩(wěn)定控制在標準范圍內(nèi)。

1 38CrMoAl鋼生產(chǎn)工藝流程及控制成分

鑒于該鋼種Al含量高的特有特性，經(jīng)查閱相關資料和借鑒其他鋼廠生產(chǎn)實際經(jīng)驗[1,2]，在綜合考慮各項技術難點情況下，確定了38CrMoAl生產(chǎn)工藝流程和控制成分。生產(chǎn)工藝流程：120噸頂?shù)讖痛缔D爐→LF精煉爐→RH精煉爐→六機六流連鑄機。鋼水成分控制如表1所示。

表1 38CrMo Al鋼內(nèi)控成分控制表

2 38CrMoAl鋼生產(chǎn)工藝難點及回硅原因分析

2.1 生產(chǎn)工藝難點分析

由于該鋼種屬于中碳高鋁合金結構鋼，鋼中的Al含量比普碳鋼高出30～50倍，過高的Al極易把爐渣和過程接觸物料中SiO2的氧奪去，形成Al2O3夾雜二次污染鋼水的同時，鋼水回硅現(xiàn)象較嚴重。如果在冶煉和澆注過程中操作控制不當，可能導致鋼水中Si含量超標而判廢。

2.2 回硅原因分析

根據(jù)氧與其他元素親和力排序，Al的與氧的親和力遠大于Si，因此當鋼水中Al的含量達到或超過鋁氧平衡狀態(tài)時，爐渣中SiO2的氧極易被鋁奪去，導致鋼水回硅現(xiàn)象[3]。其熱力學反應試為：

4[Al]+3（SiO2）=2（Al2O3）+3[Si]

ΔG0=-720680+133T J·mol-1

3 控制鋼中硅含量的工藝操作要點

為穩(wěn)定控制鋼中硅含量，首先要從冶煉工藝和原材物料方面控制鋼中硅的來源，從根本上是降低后期鋼水回硅現(xiàn)象發(fā)生的可能。為此制定了相應的控制鋼中硅含量的工藝措施。

3.1 嚴格控制原輔料以及合金中的Si元素含量

在生產(chǎn)過程中原輔料和合金中的Si元素或化合物是渣中SiO2組元來源的主要途徑。在高鋁鋼生產(chǎn)過程中，爐渣中的SiO2組元極易被Al還原成鋼中Si含量，導致鋼中硅難以控制。因此對各工序原輔料要求如下：

化渣劑：轉爐吹煉過程中使用礦石作為化渣劑，不得使用含Si量高的鐵礬土等材料。

合金：對現(xiàn)場使用合金的硅元素進行隨機抽查，采用檢測結果中Si元素較穩(wěn)定的金屬錳和高碳鉻鐵作為生產(chǎn)合金。這是因為在隨機抽取的合金試樣檢驗中，高碳錳鐵中Si含量不穩(wěn)定，有時含量比較高，而金屬錳中Si含量比較低，為了保證第一次生產(chǎn)成功，在冶煉本鋼種時使用金屬錳；高碳鉻鐵的Si含量比較高，但由于噸鋼加入的量比較少，Si對鋼水成分影響比較小，為了降低成本，第一次生產(chǎn)采用高碳鉻鐵。

脫氧劑：使用2～3 kg/t電石作為脫氧劑，嚴禁使用鋼水促凈劑等含Si材料；加入3 kg/t左右的鋁餅脫氧，確保到LF爐[Al]≥0.015%。

精煉渣：LF爐使用5～6kg/t石灰，6～7 kg/t預熔精煉渣作為精煉渣，加入數(shù)量可以根據(jù)LF精煉爐的化渣情況調(diào)整，嚴禁加入含Si量高的普通螢石等材料。

3.2 嚴格控制鋼包渣中的SiO2含量

由于轉爐吹煉結束后，爐渣中的SiO2含量在15%左右。通過理論計算，轉爐出鋼過程中每下渣100 kg時，消耗9 kg鋁的同時回硅量為0.007%。因此轉爐渣對高鋁鋼冶煉過程中回硅現(xiàn)象的影響較大。

（1）減少鐵水帶入渣量。調(diào)整生鐵和鐵水的配比，鐵水在入爐前必須進行扒渣。

（2）轉爐采用雙渣操作。轉爐吹煉前期采用雙渣操作，將爐內(nèi)含SiO2較高的爐渣倒掉一半以上，再重新造渣冶煉。

（3）轉爐采用擋渣出鋼。要保證轉爐出鋼過程擋渣的效果，減少出鋼過程中下渣量；必須在轉爐出鋼口使用前期冶煉本鋼種，以保證出鋼擋渣效果，減少下渣量。

綜上所述，由于轉爐采用雙渣操作和擋渣出鋼，出鋼過程加入含Si少的原輔材料以及采用留渣操作等措施，在精煉末期加入鋁錠之前，全部按照常規(guī)操作，此時鋼包渣中SiO2含量控制在5～6%。

3.3 精煉過程調(diào)Al時機的選擇

38CrMoAl鋼鋁含量控制范圍為0.80%～1.00%，調(diào)鋁時機的選擇直接決定著鋼渣混合層中發(fā)生回硅反應的起始點。

（1）在轉爐出鋼過程加入鋁錠，在鋼包中鋼水以沉淀脫氧為主，減少出鋼過程回硅量。

（2）在LF精煉過程采用鋁粉和電石進行擴散脫氧，降低鋼水和爐渣中氧含量。

（3）在LF精煉中后期使用鋁錠一次性調(diào)整鋼中鋁含量至控制范圍內(nèi)。由于鋼中的[Al]含量達到0.9%，鋼水還原能力很強，導致渣中的SiO2大部分被還原，增加了鋼中硅含量，經(jīng)計算鋼中增硅量大約在0.10%～0.15%。

3.4 夾雜物的變性處理

高鋁鋼生產(chǎn)過程中形成夾雜物基本以Al2O3為主。目前普遍的Al2O3夾雜物變性方法為鈣處理[4]，即將Al2O3夾雜轉變?yōu)?2CaO·7Al2O3，并通過鋼包底吹使夾雜物上浮被爐渣吸收，但鈣處理過程中鋼水翻動較嚴重，使鋼水裸露與空氣接觸幾率大。而該鋼種鋁含量較高，鋼水與空氣接觸極易產(chǎn)生二次氧化形成的Al2O3夾雜，因此采用硅鋇線代替鈣質(zhì)芯線進行夾雜物變性處理。由于RH處理后喂入硅鋇線，導致渣中的（Si）含量增加。雖然在喂絲過程中鋼水出現(xiàn)回硅現(xiàn)象，回硅量為0.03%～0.05%，但在可控范圍之內(nèi)。

3.5 其他工藝要點及注意事項

（1）控制到LF鋼水中的C≥0.08%，P≤0.018%；

（2）嚴格控制出鋼量及合金加入量，防止因出鋼量少導致合金成分偏高或因出鋼量多導致精煉爐調(diào)整成分任務重；

（3）LF要保持一定時間的白渣，以加強吸收鋼水中夾雜物的能力；

（4）連鑄車間要加強連鑄設備檢查，及時清理或更換堵塞噴嘴，保證鑄坯二冷冷卻效果良好，同時要加強結晶器振動系統(tǒng)維護；

（5）控制鋼水過熱度、拉速及二冷水量，從而控制連鑄坯低倍組織，使其符合要求；

（6）大包開澆后，根據(jù)中包渣面情況補加適量覆蓋劑，確保鋼水不裸露、渣面不發(fā)紅。

（7）由于高鋁鋼澆鑄過程中易產(chǎn)生水口結瘤甚至停澆等生產(chǎn)事故，故大包水口采用Ar氣密封，中包采用組合式水口，水口接縫采用密封材料密封處理。

4 生產(chǎn)試煉實踐情況分析

4.1 生產(chǎn)試煉結果

按照前述工藝要點和改進措施，在某鋼廠組織試煉了4爐38CrMoAl鋼，重點對該鋼種冶煉過程中各階段鋼中Si元素和渣中SiO2的變化情況進行了跟蹤和分析。具體各工序與操作點后鋼中Si含量以及渣中SiO2含量的變化見表2和表3。

表2 生產(chǎn)過程鋼中Si含量變化表

4.2 生產(chǎn)實踐結果分析

（1）從表2可以看出，在試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)2次明顯回硅現(xiàn)象。第一次是LF爐處理后期，經(jīng)過Al的合金化過程中發(fā)生明顯的回硅現(xiàn)象，平均增硅量為0.10～0.15%；第二次是RH處理結束后喂入硅鋇線后出現(xiàn)回硅現(xiàn)象，平均增硅量為0.05%。綜合試驗爐次Si的控制看，現(xiàn)行工藝設計與原料選擇是可以滿足Si的控制。后續(xù)可以適當采用錳鐵代替金屬錳進行試驗降低生產(chǎn)成本。

（2）因本鋼種是含鋁量較高的鋼種，為防止?jié)沧r水口結瘤，本次試煉過程鋼水過熱度控制偏高，拉速、電磁攪拌與二冷參數(shù)嚴格執(zhí)行工藝要求，連鑄生產(chǎn)過程基本正常。

（3）本次試中，連鑄使用的保護渣是與供應廠家聯(lián)合研制的高鋁鋼專用保護渣，經(jīng)過對生產(chǎn)的連鑄坯檢查，沒有發(fā)現(xiàn)渣溝、裂紋等異常現(xiàn)象，只是生產(chǎn)過程中渣圈現(xiàn)象嚴重，可以同保護渣廠家的技術人員交流，加以改善。

5 結語

通過對38CrMoAl鋼生產(chǎn)工藝難點及冶煉和澆注過程中出現(xiàn)鋼液異常回硅原因的分析，提出了穩(wěn)定控制鋼液中硅含量的工藝改進操作要點，并對生產(chǎn)試煉情況進行了分析總結。

（1）轉爐采用雙渣留渣操作、控制下渣量、嚴格把控原輔料以及合金中Si含量等操作，將冶煉過程渣中的SiO2含量控制在最低，從而可以降低回硅量。

（2）將調(diào)鋁時機選定在LF爐處理末期，縮短硅反應時間，可以減少回硅量。

（3）RH處理結束后采用硅鋇線進行夾雜物變性處理，雖然有回硅現(xiàn)象，但在可控范圍內(nèi)。

（4）試煉生產(chǎn)過程中，鋼水在LF爐Al合金化前Si控制在0.13%～0.20%，爐渣中SiO2含量控制在8.00%以下，實現(xiàn)了38CrMoAl鋼中硅穩(wěn)定控制在目標成分范圍內(nèi)的目的。