提高含硫含鋁齒輪鋼鋼液潔凈度的實(shí)踐探討

亓福川

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

我國(guó)工業(yè)正處于高速發(fā)展的重要時(shí)期，現(xiàn)階段主要通過(guò)生產(chǎn)各類(lèi)鋼鐵制品來(lái)推動(dòng)各行業(yè)有序發(fā)展。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速崛起的影響下，汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，這讓作為傳動(dòng)件的齒輪成為鋼鐵生產(chǎn)的重要內(nèi)容。齒輪在使用時(shí)會(huì)受到應(yīng)力變化影響，易與其他部件產(chǎn)生接觸磨損，這就要求齒輪用鋼具有較高質(zhì)量。雖然增添了鋁細(xì)化晶粒、硫等物質(zhì)，可以有效提高齒輪鋼品質(zhì)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中也還會(huì)產(chǎn)生例如Al2O3與CaS 等雜質(zhì)，使鋼液潔凈度降低，從而影響齒輪生產(chǎn)品質(zhì)。因此，為提高含硫含鋁齒輪鋼鋼液潔凈度而開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)踐探討。

1 生產(chǎn)工藝改進(jìn)需求

某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)使用“50 t 電爐→精煉加真空脫氣→連續(xù)鑄造”的經(jīng)典生產(chǎn)模式來(lái)生產(chǎn)高品質(zhì)齒輪。但是，在探測(cè)軋材損傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)軋材含有接近2.3%的夾雜物，而使用超聲波探測(cè)軋材，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)的僅有65%，相較于GB/T 4162 的100%探傷標(biāo)準(zhǔn)還存在很大差距[1]。雖然通過(guò)大量購(gòu)置進(jìn)口材料可以解決當(dāng)前問(wèn)題，但會(huì)降低齒輪生產(chǎn)利潤(rùn)，降低企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。所以，需要對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)模式下的含硫含鋁鋼鋼液采取適當(dāng)措施，以實(shí)現(xiàn)鋼液的有效凈化，提升鋼液品質(zhì)，從而生產(chǎn)出高品質(zhì)齒輪，提高市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)能力。

2 優(yōu)化生產(chǎn)工藝的具體方案

2.1 電爐終點(diǎn)控制

該鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的電爐使用集束氧槍吹氧，由于過(guò)去爐底較深，氧槍與鋼渣界面距離較大，吹出的氧氣氧化及攪拌能力較弱。后通過(guò)試驗(yàn)，將爐底深度提升，并將對(duì)應(yīng)氧槍高度提升90 mm，有效提升了冶煉能力。實(shí)施改造前，w（C）·w（O）達(dá)到33×10-6，也有比該數(shù)值更高的情況出現(xiàn)。如果w（C）為0.04%，鋼材的w（O）為0.0825%。實(shí)施改造后，電爐投入生產(chǎn)前的w（C）·w（O）數(shù)值可以降低至23×10-6，而在冶煉后,該值穩(wěn)定維持在28×10-6之內(nèi)。相同w（C）條件下，w（O）降低幅度在0.010%～0.025%。

以該鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的50 t 出鋼量為例，對(duì)鋼材進(jìn)行脫氧處理，可以降低5.63～14.07 kg 的鋁材消耗，而Al2O3夾雜物的產(chǎn)生量則可以降低10.63～26.57 kg。使用原方法所出鋼擁有更低w（C），且鋼材擁有較高w（O），因此需要使用更多脫氧劑進(jìn)行脫氧處理，這就會(huì)造成夾雜物生成量的提升，降低鋼液的潔凈度。鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)需要?jiǎng)澐诸~外資金與時(shí)間，才能將夾雜物有效去除，縮減鋼材生產(chǎn)盈利空間。因此，在使用電爐對(duì)含硫含鋁鋼進(jìn)行冶煉時(shí)，需要提升終點(diǎn)w（C），并把w（C）合理控制于0.06%～0.12%范圍內(nèi)，這樣才能使制備的鋼材中的含氧量有效降低。為避免在使用鋁材進(jìn)行脫氧處理時(shí)，鋼材產(chǎn)生過(guò)多Al2O3夾雜物，可以在鋼材增加增碳劑完畢后，再投放脫氧鋁材，并根據(jù)鋼材的w（C）合理確定添加量，從而在脫氧處理時(shí)，使Al2O3夾雜物產(chǎn)生量大大降低[2]。

2.2 出鋼脫氧

該鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行脫氧處理時(shí)，使用經(jīng)典的Al-Si 脫氧工藝，其脫氧反應(yīng)可以整理成以下式子：

以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)，aAl2O3為1，則平衡常數(shù)為：

經(jīng)過(guò)整理可得：

以公式（3）為理論基礎(chǔ)，將鋼材內(nèi)a[O]作為縱坐標(biāo)、w（Al）作為橫坐標(biāo)，T=1 873 K 時(shí)，對(duì)齒輪鋼內(nèi)鋁氧平衡進(jìn)行描述，具體情況如圖1 所示。

圖1 在1 873 K 下的鋁氧平衡

從圖1 中可以發(fā)現(xiàn)，使用鋁材進(jìn)行脫氧處理可以有效降低氧活度。鋼材中w（Al）=0.025%，a[O]=3.6×10-6；如果w（Al）＞0.06%，則a[O]＜2×10-6。因此在冶煉鋼材時(shí)，使鋼材的鋁含量維持在較高水平，則會(huì)降低氧活度。但是，也需要看到，在a[O]下降至2×10-6時(shí)，鋼材獲得更高鋁含量，實(shí)際脫氧效果明顯降低。

根據(jù)圖1 信息，可以對(duì)鋁材脫氧處理工藝中產(chǎn)生Al2O3的條件進(jìn)行合理預(yù)測(cè)：在T=1 873 K 時(shí)，[%Al]2·a3[O]超過(guò)2.92×10-14，鋼材內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生超過(guò)10 μm的Al2O3。但是該鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)使用Al-Si 脫氧模式，會(huì)造成鋼液產(chǎn)生純Al2O3的夾雜物，難以進(jìn)行多爐連澆。因此，現(xiàn)優(yōu)化初煉爐的出鋼脫氧模式，將脫氧方法更新成Al-Si-Al，并輔助鈣處理，讓夾雜物轉(zhuǎn)變成規(guī)格低于5 μm 的MgO·Al2O3-CaS 夾雜物，以提升鋼液可澆能力。

2.3 變流量底吹氬

鋼液產(chǎn)生夾雜物后，需與相應(yīng)的攪拌條件相配合，才可以使夾雜物規(guī)格不斷增大，從而將其從鋼液中排出。而該鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在精煉時(shí)，使用恒壓力控制，并將壓力調(diào)節(jié)在0.4～0.6 MPa，而真空脫氣時(shí)間為8～15 min，難以將夾雜物充分去除，且極易造成水口結(jié)瘤。因此，要對(duì)吹氬工藝展開(kāi)研究。在精煉時(shí)，以30～200 L/min 的吹壓氣量進(jìn)行底吹氬，在氣量提升的同時(shí)，會(huì)使夾雜物混勻時(shí)間快速縮短。以200～400 L/min 的流量進(jìn)行底吹氬時(shí)，隨著吹氬量的提高，混勻時(shí)間會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)流量大于400 L/min 時(shí)，夾雜物混勻時(shí)間則會(huì)保持不變。針對(duì)底吹氬效果進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在前期的0～4 min 內(nèi)，夾雜物可以得到有效去除，但在24～28 min 內(nèi)，夾雜物去除率則會(huì)大幅度下降；以20～40 L/min 的底吹氬氣量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)過(guò)程中產(chǎn)生許多有效去除夾雜物的小氣泡[3]。隨著吹氣量的提升，鋼液流動(dòng)速度加快，這會(huì)使更多夾雜物上浮至鋼液表面，從而提高夾雜物去除效果。因此，在40 L/min 的吹氬速度下，可以獲得最佳去除夾雜效果。超過(guò)該值將會(huì)產(chǎn)生大氣泡，降低氣泡數(shù)量，反而影響到夾雜物去除效果。底吹氬氣量在50 L/min 時(shí)，夾雜物的去除質(zhì)量將明顯下降。所以現(xiàn)將原本恒流量吹氬模式更新成變流量吹氬方式，以40 L/min 的氬氣量軟吹25 min 以上，可以達(dá)到高效去除夾雜物效果。

3 生產(chǎn)工藝改進(jìn)效果

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)工藝后，對(duì)現(xiàn)有軋材進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，軋材的夾雜物含量大幅度降低，從未改進(jìn)工藝的2.3%降低至0.6%，有效提升了軋材品質(zhì)。使用超聲波對(duì)軋材探傷檢測(cè)，軋材合格率從原來(lái)的65%提升至93.5%，獲得了更高潔凈度的鋼液，在穩(wěn)定提升軋材品質(zhì)的同時(shí)，其余各類(lèi)指標(biāo)也有穩(wěn)定提升。該鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)借助這種改進(jìn)工藝，為汽車(chē)制造商提供高品質(zhì)齒輪鋼，從而提升了該齒輪鋼在高端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

4 結(jié)論

對(duì)現(xiàn)有含硫含鋁齒輪鋼冶煉技術(shù)進(jìn)行有效改進(jìn)，將鋼液中Al2O3雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成MgO·Al2O3-CaS 復(fù)合物，將軋材全氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制在12×10-6以?xún)?nèi)，并使夾雜物獲得更低缺陷率，有效提升了鋼液潔凈度。