馬 娥,劉道孟

(河鋼股份有限公司,河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來,隨著我國機械工業(yè)和汽車制造業(yè)蓬勃發(fā)展,對用于制造汽車零部件和工程齒輪傳動件的鋼材性能也有更高的要求,這一類特殊鋼的質量必須具有良好的切削加工性能(machinability)[1]。

改善鋼材易切削性最常用的方法是通過適當的熱處理工藝,改變鋼材金屬組織,使切削性得到改善,但在煉鋼過程中加入一些元素,如硫、磷、鉛、鈣等易切削元素,在冶煉期就提高切削性能,也是現在的主流方法。

硫元素可以使鋼材的切削加工性能得到強化。硫化物分布在晶界處可以破壞鋼基體的連續(xù)性,使鋼材獲得更理想的切削性。鋼中的硫元素還可以起到潤滑刀具的作用,從而顯著的改善鋼的切削性,提高切削效率[2]。鈣元素可形成氧化物鈣鋁硅鹽夾雜,這類夾雜在1 000 ℃以上則轉變?yōu)樗苄詩A雜物,在用硬質合金刀具高速切割時,可熔覆在刀具前刀面上形成保護的作用,可顯著延長刀具的使用壽命[3]。而且鈣系易切削鋼在生產過程造成的環(huán)境問題少,力學性能與基礎鋼相近,在國外得到快速發(fā)展。鋁元素具有改善晶粒度和脫氧作用[2]。由于鈣硫系易切削齒輪鋼中的Al、Ca、S含量較高,導致鋼中CaS 夾雜物和 Al2O3類夾雜物的數量比一般鋼種更多,會導致澆鑄過程中水口結瘤等不利現象[4],造成連鑄時極容易堵塞水口,導致停澆事故。

經檢測水口堵塞物多為CaS或Al2O3[5]。所以控制鈣硫系易切削齒輪鋼的夾雜物,改善夾雜物聚集現象,可大大提高含硫易切削鋼的連澆爐數,提高生產效率。

1 鈣硫系易切削齒輪鋼鈣處理理論分析

易切削鋼性能的改善,主要取決于準確控制鋼中夾雜物的組成,硫化物和氧化鈣、氧化鋁在刀具上形成薄膜,這種薄膜不僅能抑制刀具中易氧化元素在切削過程中的擴散,同時也起到潤滑作用,減少刀具磨損,提高刀具壽命。

1.1 鈣元素控制理論分析

含硫含鋁鋼的鈣處理的化學反應為:

2[Al]+3[S]+3(CaO)=(Al2O3)+3(CaS)

(1)

鋼液中形成鋁酸鈣的能力主要受到硫含量的影響,當煉鋼溫度為1 550 ℃、全氧為20 ppm、Al含量為0.05%時,對比鋼中S含量為50 ppm和150 ppm時對化學反應的影響,通過熱力學計算得到不同鈣處理量對鋼中夾雜物相的影響關系圖(見圖1)。由圖1可知,在鋼水中硫含量為50 ppm時,圖中加粗虛線即為鈣處理的窗口期,鋼中T.Ca/T.O的比值范圍為0.75～0.95。當鋼液中的硫含量為150 ppm,鋼中T.Ca/T.O>2時,氧化鋁改性為液態(tài)鈣鋁酸鹽;當鋼中T.Ca/T.O>0.65時,CaS夾雜已經開始生成,該成分鋼種不存在鈣處理的窗口期[6]。得出結論為隨著鋼水中硫含量的增加,液態(tài)夾雜物生成減少,CaS生成時機提前,導致保硫保鋁鋼鈣處理的窗口期減小甚至關閉[7]。

圖1 不同鈣處理量對鋼中夾雜物相的影響

此外,通過熱力學數據,計算鋼液中[Ca]-[S]以及[Al]-[S]的平衡,具體如圖2、圖3、表1、表2所示[8]。

表1 不同溫度下α[Ca]-[S]的平衡數值

表2 不同溫度下[Al]-[S]的平衡數值

圖2 不同溫度下α[Ca]-[S]的平衡

圖3 不同溫度下[Al]-[S]的平衡

1.2 硅鈣線和硫線喂入順序理論分析

在RH工序,破空后使用鋁線對鋼液鋁含量進行調整,鋁含量調整完畢之后需要喂入硅鈣線和硫線。下面分析硅鈣線和硫線的喂入順序對鋼中夾雜物的影響[8]。

方式1:先喂入硅鈣線,鈣首先與鋼中氧化鋁充分反應,鋼中的夾雜物主要是鈣鋁酸鹽和少量CaS,喂入硫線后,會形成較多的CaS夾雜,最終鋼液的夾雜為CaS和鈣鋁酸鹽。

方式2:先喂入硫線、再喂入硅鈣線,喂入硅鈣線后,CaS夾雜大量生成,最終鋼液中夾雜為CaS和鈣鋁酸鹽[9]。

CaS夾雜相對于氧化鋁和鈣鋁酸鹽更易堵水口。從理論分析,方式2產生CaS夾雜的量比方式1較多。在保硫保鋁鋼的實際生產過程中精準鈣處理非常重要。過量喂入硅鈣線,兩種方式都會產生大量的CaS夾雜;鈣處理量不足,鋼中的氧化鋁夾雜得不到有效變型,都會造成澆注過程堵塞水口。若在軟吹過程補喂硅鈣線會引起鋼液的再次氧化,影響鋼中氧含量,惡化鋼水純凈度[9]。因此保硫保鋁鋼的鈣處理方式應選擇方式1,同時硅鈣線需一次性準確喂入,既能使鋼中的氧化鋁夾雜得到有效變型處理,還可以顯著減少CaS夾雜。

2 鈣硫系易切削齒輪鋼生產工藝優(yōu)化

鋼廠采用全廢鋼電爐生產,主要裝備有1臺廢鋼破碎機及2臺廢鋼剪切機,2臺雙豎井式廢鋼預熱型直流電弧爐、4臺LF精煉爐、3臺RH真空精煉爐及4臺連鑄機,大棒、中棒、小棒、高速線材四條軋鋼生產設備和多套精整系統(tǒng),具備年產鋼200萬噸、產材192萬噸的生產能力。生產鈣硫系易切削齒輪鋼的主要工藝流程為廢鋼剪切→電爐初煉→精煉→連鑄→軋制→精整。由于夾雜物主要在煉鋼環(huán)節(jié)產生,可通過對電爐、精煉、連鑄三個主要流程進行工藝優(yōu)化,減少夾雜,提升鋼水純凈度。

2.1 鋼水潔凈度理論分析

由于齒輪在高速運轉情況下,承受沖擊載荷和嚙合時的交變應力,大尺寸夾雜物的存在造成應力集中,產生裂紋,導致齒輪失效。因此需要降低鋼水中氧含量,減少有害夾雜的尺寸及數量,控制鋼水的純凈度[10]。

2.2 煉鋼操作優(yōu)化

(1)電爐控制優(yōu)化[11]

在爐內主要發(fā)生碳氧反應,反應式如下。

[C]+[O]=CO(g),在1 873K時,[%C]*[%O]=0.0025

(2)

在電爐冶煉中,以爐壁槍吹氧與送電制度相結合,增加攪拌強度,電爐終點碳氧積控制到0.002 28%,提高爐內金屬收得率,縮短冶煉周期,電爐煉鋼過程以低氧勢出鋼,優(yōu)化冶煉過程操作,冶煉終點溫度、成分一次到位,減少多次補吹及長送電冶煉,采用EBT偏心爐底出鋼和下渣檢測設備進行技術控制,減少出鋼下渣量,降低出鋼氧含量。在電爐脫氧合金化過程中,物料的加入種類、合金化順序,直接影響初始夾雜物的元素組成、形態(tài)以及上浮時間,可采用鋁鐵、碳粉、白灰、精煉渣、硅鐵、高碳錳鐵、高碳鉻鐵進行脫氧合金化。終點目標如表3所示。

表3 電爐冶煉終點控制情況

在電爐出鋼過程中,根據預先設計的渣系向鋼水表面加入合適的渣料,保證爐渣良好的熔化性,形成CaO/SiO2二元堿度為5～6的高堿度精煉渣[12]。精煉初渣的化學組成如表4所示。

表4 精煉初渣的化學組分 單位:%

(2)LF控制優(yōu)化

對精煉渣系的控制,要考慮堿度、熔點、黏度、吸附夾雜的能力、表面張力等因素;堿度主要控制脫氧、脫硫;熔點是煉鋼溫度下爐渣是否存在良好的反應狀態(tài);黏度對夾雜物的去除影響較大,合適的黏度可以保證足夠的乳化性能,增加鋼渣接觸面積;吸附夾雜的能力主要是去夾雜,凈化鋼液;表面張力是保證乳化的渣滴能全部從鋼液中排除而不懸浮于鋼中[13]。

鋼包進站后根據鋼包內渣量、黏度,加入渣料,造渣埋弧升溫。造渣料的加入量根據現場生產實際,可參考加入精煉渣100 kg～200 kg,把精煉渣堿度控制到3.5～4.5。加入碳化硅,碳化硅脫氧降低渣中的氧勢,導致渣鋼間氧勢不平衡,鋼中[O]會自動向渣中擴散[14]。通過控制鋼包底吹氬氣流量,鋼渣平穩(wěn),不出現劇烈翻騰,碳化硅反應式如下:

SiC+3(FeO)=SiO2+CO+3[Fe]

(3)

LF中后期,一次調鋁后加入調整堿度物料石英砂。精煉末期渣的化學組成如表5所示。

表5 精煉末期渣的化學組分 單位:%

(3)RH操作優(yōu)化

鈣處理是將氧化鋁改性為液態(tài)的鈣鋁酸鹽。在煉鋼溫度下,只有12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3為液態(tài),因此需要鈣的加入量在一個合適的范圍。最佳鈣的加入量是將氧化鋁改性為液態(tài)夾雜而不產生CaS夾雜[15]。

RH高真空時間10 min～20 min,破空后向鋼水中喂Al線并軟吹3 min,然后喂CaSi線并軟吹5 min,最后喂S線并軟吹8 min,對鋼水進行靜置7 min～15 min,進行靜置去夾雜,將連澆出站溫度控制到1 565 ℃～1 580 ℃,并加入鋼包覆蓋劑保溫,減少與空氣的二次接觸。

(4)連鑄操作優(yōu)化

連鑄采用大包水口套管和中包吹氬保護工藝,流量按照表6控制,澆鋼過程中,中包鋼水液面不裸露,防止二次氧化。

表6 連鑄吹氬保護流量控制 單位:NL/min

為減少水口結瘤,中間包過熱度控制在30 ℃附近,保證鋼水的流動性。大包剩鋼3 t～5 t,防止大包液面降低,造成渦流卷渣。使用保硫鋼專用保護渣,連鑄過程中間包液面高度≥500 mm,換包過程中間包液面高度≥400 mm。結晶器采用自動加渣裝置,保證黑面操作,減少液面波動。連鑄過程執(zhí)行全程保護澆注:大包長水口形狀及密封墊設計開發(fā)、中間包氬封、中間包整體水口等措施,減少二次氧化[16]。

3 優(yōu)化后夾雜物控制效果

某公司生產的鈣硫系易切削齒輪鋼,牌號為817M40QT(出口德國)化學成分如表7所示。通過對電爐、LF、RH、連鑄生產過程的操作進行優(yōu)化后,保證鋼水的純凈度,以此擴大鈣處理的窗口期,LF末期輕微鈣處理,將氧化鋁夾雜改性為液態(tài)鈣鋁酸鹽,終使鋼中的夾雜物水平能控制在,A類(細系/粗系):1.5/1.5;B類(細系/粗系):0.5/0.5;C類(細系/粗系):0/0;D類(細系/粗系):1.0/0.5,滿足高純凈度要求。

表7 817M40QT化學成分要求 單位:%

4 結論

通過鈣硫系易切削齒輪鋼全流程高純凈度控制技術,電爐脫氧合金和LF精煉頂渣堿度控制,控制夾雜物組成和形態(tài);精煉過程合理控制鋼水中Al、S、Ca的加入時機(鈣處理窗口期的控制)和含量,選取先喂入硅鈣線,后喂入硫線,減少CaS夾雜,使鋼水具備良好的流動性;采用連鑄控制合適的過熱度,適當的防渦流卷渣措施,使用保硫鋼專用保護渣和防氧化的工藝技術,連鑄過程中間包液面高度≥500 mm,換包過程中間包液面高度≥400 mm,實現鈣硫系易切削齒輪鋼連澆8爐以上,且鋼中的夾雜物水平能控制在,A類(細系/粗系):1.5/1.5;B類(細系/粗系):0.5/0.5;C類(細系/粗系):0/0;D類(細系/粗系):1.0/0.5,滿足高純凈度要求。