安 杰,柳 軍,戰(zhàn)東平

(1.撫順特殊鋼股份有限公司 總工辦,遼寧 撫順 113001; 2.撫順特殊鋼股份有限公司 第一煉鋼廠,遼寧 撫順 113001;3.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

20MnCr5屬于Mn-Cr系合金結(jié)構(gòu)鋼,是我國引進(jìn)的德國高標(biāo)準(zhǔn)齒輪鋼,具有潔凈度高、良好且穩(wěn)定的淬透性等特點,是目前應(yīng)用最為廣泛的齒輪鋼之一[1-3]。撫順特殊鋼股份有限公司第一煉鋼廠主要生產(chǎn)各類汽車鋼,其中低硅20MnCr5(S)是產(chǎn)量最大的鋼種之一,用于制造乘用車的傳動齒輪、齒輪軸等零部件,要求具備優(yōu)良的抗疲勞性能,必須嚴(yán)格控制鋼的潔凈度。成分設(shè)計上由于其低硅且含硫的特點,在生產(chǎn)中易出現(xiàn)成分控制超標(biāo)和連鑄水口結(jié)瘤的問題。所以,本文旨在通過優(yōu)化冶煉工藝,保證低硅20MnCr5(S)生產(chǎn)順行和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 低硅20MnCr5(S)基本冶煉信息

1.1 化學(xué)成分及生產(chǎn)工藝流程

低硅20MnCr5(S)是撫順特鋼產(chǎn)量最大的汽車齒輪鋼之一,其化學(xué)成分要求見表1。

表1 低硅20MnCr5(S)鋼的化學(xué)成分 %

某鋼廠生產(chǎn)低硅20MnCr5(S)的工藝流程為:EAF→LF→VD→CC。生產(chǎn)工藝參數(shù)見表2。

表2 低硅20MnCr5(S)生產(chǎn)工藝參數(shù)

1.2 工藝技術(shù)難點

為了減少晶間氧化,20MnCr5鋼在成分設(shè)計上將硅含量下調(diào)至w(Si)≤0.12%,這無疑大幅增加了冶煉操作的難度,需要從電弧爐開始至精煉結(jié)束預(yù)防鋼液大量增硅超出標(biāo)準(zhǔn)要求。成分中硅含量低導(dǎo)致冶煉過程中,一方面電弧爐爐后預(yù)脫氧的脫氧劑使用受限,影響精煉初期的預(yù)脫氧效果,進(jìn)而導(dǎo)致鋼液氧含量偏高,低硅20MnCr5與普通20MnCr5(w(Si)=0.20%～0.30%)LF爐進(jìn)站檢測氧含量結(jié)果對比,見圖1。另一方面加大冶煉還原全程的鋁錠、鋁線和鋁粒等鋁質(zhì)材料消耗,見表3。還原期鋼液中的殘余鋁含量在逐漸降低,還需要通過補喂鋁線進(jìn)行合金化操作。無論是Al錠、Al粒直接參與脫氧反應(yīng),還是精煉過程中鋼液的殘余鋁被氧化損失,均會生成脫氧產(chǎn)物三氧化二鋁,即為夾雜物的根源[4-7],致使低硅20MnCr5(S)鋼在連鑄時更容易發(fā)生水口結(jié)瘤現(xiàn)象。所以說,低硅20MnCr5(S)冶煉工藝控制難點,包括:①成分Si含量控制難度大,易出現(xiàn)超標(biāo)問題;②潔凈度指標(biāo)氧含量和夾雜物控制難度大。

圖1 LF爐進(jìn)站氧含量對比

表3 冶煉還原全程鋁質(zhì)材料消耗 kg/t

2 工藝控制及技術(shù)措施

2.1 電弧爐冶煉工藝

某特鋼廠是1999年從德國?？怂构疽M(jìn)的60 t交流豎井式電弧爐,采用2次裝鐵(1次旋爐蓋+1次豎井加料)的全廢鋼熔煉技術(shù)生產(chǎn)汽車齒輪鋼。為保證電弧爐熔煉穩(wěn)定性,入爐原材料方面,首先需要解決廢鋼各種料型相互摻雜堆放的問題,嚴(yán)格進(jìn)行廢鋼分選,各種料型分區(qū)域堆放[8-9],論證出合理的配料結(jié)構(gòu)之后固定配料方式,有助于實現(xiàn)爐與爐之間熔煉操作的一致性。電弧爐的首要任務(wù)是鋼液脫磷,由于撫順特鋼生產(chǎn)品種的特殊性,對于高檔次汽車齒輪鋼要求電弧爐出鋼w(P)≤0.010%,甚至更低。通過使用優(yōu)質(zhì)廢鋼配料,使鎳、鉬、銅、鉛、錫、銻、鉍、砷等電弧爐無法氧化去除的雜質(zhì)元素降至標(biāo)準(zhǔn)要求。另外,配料中的硫元素也應(yīng)盡量低控,配入硫含量一般在0.040%～0.050%,也可通過使用優(yōu)質(zhì)廢鋼降至0.030%以下。

電弧爐還需要為后續(xù)精煉創(chuàng)造良好的初始條件,如溫度、預(yù)脫氧、造渣、防增硅、脫硫等等。針對硅含量控制方面,電弧爐爐渣中含有大量二氧化硅,出鋼過程下渣,經(jīng)鋁錠預(yù)脫氧之后將硅元素還原進(jìn)入鋼液中,會導(dǎo)致精煉初期硅含量偏高甚至直接超標(biāo),同時電弧爐出鋼下渣也對鋼液的潔凈度產(chǎn)生極度惡略的影響,不利于精煉操作和生產(chǎn)順行。通過增大留鋼量、縮小出鋼口直徑等方法解決了出鋼過程鋼渣隨鋼液混出的問題。從鋼液潔凈度角度考慮,電弧爐熔煉過程應(yīng)通過降低供氧強度、提高噴粉造泡沫渣等措施,緩解電弧爐終點的鋼液氧化性,這一點與后續(xù)夾雜物控制以及連鑄水口結(jié)瘤控制直接相關(guān)。

生產(chǎn)實踐中,既要控制鋼液硅含量,又要兼顧降低氧含量和去除夾雜物,工藝要求爐后預(yù)脫氧之后鋼液中要含有一定量的碳和硅,LF爐進(jìn)站目標(biāo)成分控制w(C)=0.10%～0.14%、w(Si)=0.04%～0.05%。爐后加入石灰6～7kg/t+預(yù)熔渣4～5kg/t造渣、鋁錠0.5～0.6kg/t+電石0.8～1.0kg/t+硅錳合金2.0～2.5kg/t等材料進(jìn)行預(yù)脫氧操作。

2.2 精煉工藝

因低硅20MnCr5(S)鋼本身鋁含量0.015%～0.040%的特點,精煉期采用鋁脫氧工藝,造鈣鋁渣系。精煉爐渣設(shè)計目標(biāo)成分與實際控制結(jié)果,見表4。

表4 精煉爐渣成分控制 %

石灰和預(yù)熔渣在電弧爐爐后混沖加入一次成渣,LF爐到站鋼液面頂渣即為流動性良好的白渣,后續(xù)精煉不再加入造渣材料。LF爐出鋼硫含量能夠反映出精煉鋼液的脫氧程度,工藝要求LF爐出鋼w(S)≤0.008%。精煉鈣鋁渣系本身脫硫能力較弱,為達(dá)到LF爐出鋼w(S)≤0.008%的工藝要求,需從降低電弧爐配料硫含量和保證爐后預(yù)脫氧時的脫硫率兩方面入手,為LF爐脫硫創(chuàng)造良好的初始條件。LF爐精煉過程一旦出現(xiàn)硫含量偏高的問題,補加石灰脫硫操作會改變頂渣成分,渣中氧化鈣含量增加,使精煉渣堿度增加,促進(jìn)易被爐渣捕獲的Al-O或Al-Mg-O型夾雜物向不易與爐渣熔合的Al-Mg-Ca-O型夾雜物轉(zhuǎn)變,極不利于鋼液潔凈度控制。

電弧爐爐后至精煉過程采用弱鋁脫氧工藝,LF爐進(jìn)站后按Al0.04%喂入鋁線,即為整個冶煉過程鋼液鋁含量最高點,后續(xù)精煉過程除VD真空處理后微調(diào)鋁含量外,不再進(jìn)行Al合金化操作。精煉過程鋼液鋁含量控制偏高極易引起連鑄水口結(jié)瘤,嚴(yán)重時會導(dǎo)致水口堵死,影響生產(chǎn)順行。

LF爐精煉過程使用碳化硅和鋁粒按4∶1的比例進(jìn)行擴散脫氧。LF爐采取合理的擴散脫氧操作,保持良好的還原氣氛、白渣狀態(tài)和爐渣流動性,能夠提高脫氧和去除夾雜物效果。

LF爐出鋼鋼液成分控制要求w(C)=0.17%～0.18%、w(Si)=0.08%～0.10%、w(S)≤0.008%、w(Al)=0.025%～0.030%。

VD真空處理過程渣鋼得到充分?jǐn)嚢杌鞗_,爐渣進(jìn)入鋼液中。VD之后的軟吹工藝是爐渣與夾雜物集中上浮的最有效措施,生產(chǎn)上在喂入硫線和鋁線最終完成合金化操作之后,必須保證20 min以上的軟吹操作,方能達(dá)到夾雜物充分上浮去除的效果[10]。

2.3 方坯連鑄

特鋼廠1999年從意大利達(dá)涅利公司引進(jìn)了四機四流方坯連鑄機。低硅20MnCr5(S)鋼使用240 mm×240 mm和200 mm×200 mm兩個斷面規(guī)格,過熱度控制25～35 ℃。為保證連鑄穩(wěn)定性,工藝要求控制恒定拉速澆鑄,澆鑄速度見表5。

表5 連鑄拉速控制 m/min

另外,為避免連鑄過程鋼液被二次氧化,連鑄生產(chǎn)時必須采取全封閉式氬氣保護(hù)澆注方式,尤其是大包與長水口連接處、中包內(nèi)等關(guān)鍵部位。

2.4 工藝實施效果

經(jīng)過上述冶煉工藝的優(yōu)化與實踐,最終成品成分控制滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,并穩(wěn)定控制冶煉過程的氧含量,同時徹底解決了連鑄水口結(jié)瘤問題,連澆爐數(shù)增加至8連澆,見表6、圖2和圖3。

圖2 冶煉過程氧含量變化趨勢

圖3 連鑄塞棒曲線

表6 低硅20MnCr5(S)鋼的成品成分 %

3 檢驗結(jié)果

低硅20MnCr5(S)鋼連鑄坯經(jīng)軋制成棒材后,檢測氧含量結(jié)果(10～12)×10-6。棒材檢測B類夾雜物控制水平,見表7。氧含量和夾雜物檢驗均達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。

表7 B類夾雜物控制水平

4 結(jié) 語

撫順特鋼第一煉鋼廠采用EAF-LF-VD-CC流程生產(chǎn)低硅20MnCr5(S)汽車齒輪鋼,通過廢鋼各種料型分區(qū)域堆放、降低電弧爐出鋼鋼液氧化性、解決電弧爐出鋼下渣、優(yōu)化爐后和LF爐精煉期脫氧方式、精煉采用鈣鋁渣系、各工序精準(zhǔn)控制成分等等一系列措施,成功控制鋼液硅含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,解決了連鑄結(jié)瘤問題,同時氧含量和夾雜物兩個潔凈度指標(biāo)得到改進(jìn)。最終形成了一套完備的短流程冶煉低硅20MnCr5(S)汽車齒輪鋼生產(chǎn)工藝。