38CrMoAl鋼中硅穩(wěn)定控制工藝的研究

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(tuán)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(jié)構(gòu)鋼》中專用于氮化處理鋼，屬于中碳高鋁合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼中標(biāo)準(zhǔn)Al含量達(dá)到0.70～1.10%。該鋼種在滲氮處理過(guò)程中，在鑄件表面形成氮化鋁（AlN）層，起到彌散強(qiáng)化作用，從而提高表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)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(diǎn)。因此，該鋼種主要應(yīng)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(guò)程出現(xiàn)鋼液異常回硅現(xiàn)象，甚至超標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象。因此，在保證該鋼穩(wěn)定澆注的同時(shí)，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(gè)技術(shù)難點(diǎn)。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)鋼液異常回硅現(xiàn)象的原因，提出了控制鋼中硅含量的工藝操作要點(diǎn)，并對(duì)生產(chǎn)試煉實(shí)踐情況進(jìn)行了分析。生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過(guò)控硅操作要點(diǎn)的貫徹實(shí)施，可以實(shí)現(xiàn)38CrMoAl鋼轉(zhuǎn)爐連鑄工藝鋼中最終硅含量穩(wěn)定控制在標(biāo)準(zhǔn)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(guān)資料和借鑒其他鋼廠生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[1,2]，在綜合考慮各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)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?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→RH精煉爐→六機(jī)六流連鑄機(jī)。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(diǎn)及回硅原因分析

2.1 生產(chǎn)工藝難點(diǎn)分析

由于該鋼種屬于中碳高鋁合金結(jié)構(gòu)鋼，鋼中的Al含量比普碳鋼高出30～50倍，過(guò)高的Al極易把爐渣和過(guò)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(shí)，鋼水回硅現(xiàn)象較嚴(yán)重。如果在冶煉和澆注過(guò)程中操作控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致鋼水中Si含量超標(biāo)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(yuǎn)大于Si，因此當(dāng)鋼水中Al的含量達(dá)到或超過(guò)鋁氧平衡狀態(tài)時(shí)，爐渣中SiO2的氧極易被鋁奪去，導(dǎo)致鋼水回硅現(xiàn)象[3]。其熱力學(xué)反應(yīng)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(diǎn)

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(lái)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(yīng)的控制鋼中硅含量的工藝措施。

3.1 嚴(yán)格控制原輔料以及合金中的Si元素含量

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

化渣劑：轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用合金的硅元素進(jìn)行隨機(jī)抽查，采用檢測(cè)結(jié)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?yàn)樵陔S機(jī)抽取的合金試樣檢驗(yàn)中，高碳錳鐵中Si含量不穩(wěn)定，有時(shí)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(shí)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(duì)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(yán)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(yù)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(yán)禁加入含Si量高的普通螢石等材料。

3.2 嚴(yán)格控制鋼包渣中的SiO2含量

由于轉(zhuǎn)爐吹煉結(jié)束后，爐渣中的SiO2含量在15%左右。通過(guò)理論計(jì)算，轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中每下渣100 kg時(shí)，消耗9 kg鋁的同時(shí)回硅量為0.007%。因此轉(zhuǎn)爐渣對(duì)高鋁鋼冶煉過(guò)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(jìn)行扒渣。

（2）轉(zhuǎn)爐采用雙渣操作。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐采用擋渣出鋼。要保證轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程擋渣的效果，減少出鋼過(guò)程中下渣量；必須在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐采用雙渣操作和擋渣出鋼，出鋼過(guò)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(shí)鋼包渣中SiO2含量控制在5～6%。

3.3 精煉過(guò)程調(diào)Al時(shí)機(jī)的選擇

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

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

（2）在LF精煉過(guò)程采用鋁粉和電石進(jìn)行擴(kuò)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(dá)到0.9%，鋼水還原能力很強(qiáng)，導(dǎo)致渣中的SiO2大部分被還原，增加了鋼中硅含量，經(jīng)計(jì)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(guò)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(zhuǎn)變?yōu)?2CaO·7Al2O3，并通過(guò)鋼包底吹使夾雜物上浮被爐渣吸收，但鈣處理過(guò)程中鋼水翻動(dòng)較嚴(yán)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(jìn)行夾雜物變性處理。由于RH處理后喂入硅鋇線，導(dǎo)致渣中的（Si）含量增加。雖然在喂絲過(guò)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(diǎn)及注意事項(xiàng)

（1）控制到LF鋼水中的C≥0.08%，P≤0.018%；

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

（3）LF要保持一定時(shí)間的白渣，以加強(qiáng)吸收鋼水中夾雜物的能力；

（4）連鑄車間要加強(qiáng)連鑄設(shè)備檢查，及時(shí)清理或更換堵塞噴嘴，保證鑄坯二冷冷卻效果良好，同時(shí)要加強(qiáng)結(jié)晶器振動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)；

（5）控制鋼水過(guò)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(kāi)澆后，根據(jù)中包渣面情況補(bǔ)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(guò)程中易產(chǎn)生水口結(jié)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(shí)踐情況分析

4.1 生產(chǎn)試煉結(jié)果

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

表2 生產(chǎn)過(guò)程鋼中Si含量變化表

4.2 生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果分析

（1）從表2可以看出，在試生產(chǎn)過(guò)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(guò)Al的合金化過(guò)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(jié)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(yàn)爐次Si的控制看，現(xiàn)行工藝設(shè)計(jì)與原料選擇是可以滿足Si的控制。后續(xù)可以適當(dāng)采用錳鐵代替金屬錳進(jìn)行試驗(yàn)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(shí)水口結(jié)瘤，本次試煉過(guò)程鋼水過(guò)熱度控制偏高，拉速、電磁攪拌與二冷參數(shù)嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，連鑄生產(chǎn)過(guò)程基本正常。

（3）本次試中，連鑄使用的保護(hù)渣是與供應(yīng)廠家聯(lián)合研制的高鋁鋼專用保護(hù)渣，經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)的連鑄坯檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)渣溝、裂紋等異常現(xiàn)象，只是生產(chǎn)過(guò)程中渣圈現(xiàn)象嚴(yán)重，可以同保護(hù)渣廠家的技術(shù)人員交流，加以改善。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)38CrMoAl鋼生產(chǎn)工藝難點(diǎn)及冶煉和澆注過(guò)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(jìn)操作要點(diǎn)，并對(duì)生產(chǎn)試煉情況進(jìn)行了分析總結(jié)。

（1）轉(zhuǎn)爐采用雙渣留渣操作、控制下渣量、嚴(yán)格把控原輔料以及合金中Si含量等操作，將冶煉過(guò)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(shí)機(jī)選定在LF爐處理末期，縮短硅反應(yīng)時(shí)間，可以減少回硅量。

（3）RH處理結(jié)束后采用硅鋇線進(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)了38CrMoAl鋼中硅穩(wěn)定控制在目標(biāo)成分范圍內(nèi)的目的。