齒輪鋼鈣處理工藝研究與實踐

王 媛

（河鋼集團宣化鋼鐵公司，河北 075100）

0 引言

隨著國內汽車、機械制造行業的高速發展，齒輪用鋼需求大幅提升，齒輪作為傳遞機械動力的主要零部件，受著沖擊力、摩擦力等反復作用，導致其產生接觸性損壞[1，2]。鋼中夾雜物與這種損壞緊密相關，因此保證鋼水潔凈是提高齒輪鋼質量的重要措施[3-5]。河鋼集團宣鋼公司主要以生產軸承鋼、齒輪鋼等品種鋼為主，該鋼種對鋼水潔凈度要求很高。而LF 精煉中進行鋼水鈣處理是提高鋼材純凈度和可澆性的重要措施。鈣處理工藝可以使鋼中殘留的A12O3夾雜變性為液態鋁酸鈣，有利于夾雜物聚集和去除，提高鋼水潔凈度，同時可有效防止絮流及水口堵塞，改善鋼水可澆性。

本文以宣鋼20CrMnTi 齒輪鋼鈣處理工藝為研究對象，將Factsage 熱力學軟件計算結果與實驗過程數據相結合，研究影響鈣處理過程的主要因素，確定在實際工況下合理的添加鈣范圍，為企業的生產提供技術指導。

1 試驗材料與方法

宣鋼20CrMnTi 齒輪鋼的生產工藝流程為180t轉爐→LF精煉→連鑄。本實驗在LF精煉后期采用鈣處理工藝，將鋼液中高熔點類夾雜物變性為液態鋁酸鈣，改變夾雜物性質。由于宣鋼20CrMnTi 齒輪鋼中[S]含量能夠穩定控制在40～50ppm，本此實驗暫不考慮硫元素影響。

研究齒輪鋼精煉過程夾雜物的形成和轉變，首先使用Factsage7.1 熱力學軟件，計算在平衡模塊下鋼液中總[O]含量、[Al]含量、溫度對齒輪鋼鈣處理過程的影響，合理控制液態復合Al2O3夾雜物“液態窗口”范圍，確定在不同的條件下合理的鈣線喂入量。20CrMnTi齒輪鋼精煉過程煉鋼溫度大約為1600℃，故模型計算溫度選擇1600℃。

2 精煉過程研究試驗

2.1 總[O]含量對鈣處理過程的影響

根據現場精煉工序實際鋼中[O]控制情況，選擇在鋼中[S]含量50ppm、[Al]含量180ppm 時，分別計算[O]含量為9ppm、15ppm、20ppm 三個梯度下鈣處理過程中夾雜物隨著鈣含量的變化情況。不同氧含量下鈣變化趨勢及夾雜物液態區間如表1所示。

表1 不同氧含量下鈣變化趨勢及夾雜物液態區間

圖1 為不同氧含量條件下夾雜物成分隨鈣含量變化趨勢。從圖1（a）中可以看出：當總[O]含量為9ppm 時，隨著鈣含量的增加，夾雜物的轉變趨勢為A12O3→CaO·6 Al2O3→Liquid inclusions→CaS；當[Ca]＞4ppm時，夾雜物開始全部為液態；[Ca]＞12 ppm時，開始產生CaS，液態夾雜物含量降低。“液態窗口”區間為4～12ppm。從圖1（b）中看出：當總[O]含量為15ppm 時，隨著鈣含量的增加夾雜物的轉變趨勢為Al2O3→CaO·6A12O3→CaO·2A12O3→Liquid inclusions→CaS；[Ca]＞8ppm 時夾雜物開始全部為液態；當[Ca]＞18ppm時開始產生CaS，液態夾雜物含量小幅度降低。“液態窗口”區間為8～18ppm。從圖1（c）中看出：當氧含量為20ppm 時，隨著鈣含量的增加，夾雜物的轉變趨勢與氧含量為15ppm 時一致；[Ca]＞14ppm 時，夾雜物全部變為液態；[Ca]＞32ppm時，開始產生CaS 并逐漸增加；在[Ca]＜50ppm 的范圍內，無高熔點CaO 開始生成。“液態窗口”區間為14～32ppm。

由圖1 對比可以看出，當[O]含量為15ppm 和20ppm 時，夾雜物變化趨勢和[O]含量為9ppm 時接近，最終夾雜物為液態鈣鋁酸鹽和CaS。氧含量越高，在同等鈣含量下液態夾雜物的數量越多。隨著[O]含量的增加，生成高熔點CaS 所需的最低[Ca]含量越來越高，液態夾雜物的含量越來越多。當[O]含量為9ppm、15ppm 和20ppm 時，在[Ca]含量小 于50ppm 的范圍內看不到高熔點CaO 生成。當[O]含量為9ppm 時，夾雜物“液態窗口”為4～12ppm；當[O]含量為15ppm 時，夾雜物“液態窗口”為8～18ppm；當[O]含量為20ppm 時，夾雜物“液態窗口”為14～32ppm。

圖1 不同氧含量條件下夾雜物成分隨鈣含量變化

圖2 為夾雜物“液態窗口”隨全氧含量變化情況。由圖2 可知，隨著[O]含量的增加，“液態窗口”下限范圍上升，上限范圍上升，控制范圍越來越寬，但此時夾雜物也會越來越多。

圖2 夾雜物“液態窗口”隨全氧含量變化

2.2 鋁含量對鈣處理過程的影響

結合實際鋼中[Al]含量控制情況，選擇在鋼中[S]含量為50ppm、總[O]含量為15ppm 時，當[Al]含量分別為130ppm、180ppm、300ppm、500ppm 四個梯度下，夾雜物隨著[Ca]含量的變化情況。不同[Al]含量下[Ca]變化趨勢及夾雜物液態區間見表2。

表2 不同[Al]含量下[Ca]變化趨勢及夾雜物液態區間

圖3 為不同[Al]含量條件下夾雜物成分隨[Ca]含量變化。從圖3（a）可以看出：當[Al]含量為130ppm 時，隨著[Ca]含量的增加，夾雜物的轉變趨勢為Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→Liquid inclusions→CaS；當[Ca]＞6ppm 時夾雜物全部為液態；[Ca]＞20ppm 時開 始 產生CaS 并逐漸 增 加，“液態 窗口”為6～20ppm；[Ca]＞48ppm 時，液態夾雜物消失，夾雜物全部為CaS-CaO。從圖3（b）中看出：當[Al]含量為180ppm 時，隨著[Ca]含量的增加，夾雜物的轉變趨勢同[Al]含量130ppm 變化一致；當[Ca]＞8ppm 時夾雜物開始全部為液態；當[Ca]＞18ppm 時開始產生CaS 并逐漸增加，液態夾雜物含量小幅度降低，“液態窗口”為8～18ppm。從圖3（c）、（d）中看出：[Al]含量為300ppm、500ppm時，夾雜物變化趨勢和[Al]含量130ppm 時接近，區別為生成CaS 所需的[Ca]含量越來越低。

圖3 不同[Al]含量條件下夾雜物成分隨[Ca]含量變化

隨著[Al]含量的增加，生成高熔點CaS 所需的最低[Ca]含量越來越高，在[Ca]＜50ppm 的范圍內看不到高熔點的CaO 生成。[Al]含量為130ppm 時，“液態窗口”為6～20ppm；[Al]含量為180ppm 時，“液態窗口”為6～18 ppm；[Al]含量為300ppm 時，“液態窗口”為6～16ppm；[Al]含量為500ppm 時，“液態窗口”為6～14ppm。

浮筒，主要為浮盤提供浮力。浮筒鑲嵌于浮盤的鋼梁上，對浮盤形成足夠的浮力來達到覆蓋油面，并隨液位變化自由運動。

圖4 為夾雜物“液態窗口”隨[Al]含量的變化情況。由圖4 可知隨著[Al]含量的增加，“液態窗口”范圍區間變小。

圖4 夾雜物“液態窗口”隨[Al]含量的變化情況

2.3 溫度對鈣處理過程的影響

溫度的高低對鈣處理影響較大，研究[O]含量為15ppm，[S]含量在50ppm 以及[Al]含量在180ppm 時不同溫度下夾雜物隨[Ca]含量變化情況，見圖5。

由圖5（a）可以看出：溫度在1550℃時，當[Ca]＞10ppm 時，夾雜物開始全部為液態；[Ca]＞14ppm 時開始產生CaS 并逐漸增加，液態夾雜物含量變化趨勢不大，“液態窗口”為10～14ppm。由圖5（b）、（c）看出，溫度在1600℃和1650℃時，夾雜物隨[Ca]含量變化趨勢與溫度為1550℃時變化趨勢類似；溫度在1600℃時，當[Ca]＞8ppm 時，夾雜物開始全部為液態；[Ca]＞18ppm 時，開始產生CaS，液態夾雜物含量小幅度降低，“液態窗口”為8～18ppm；溫度在1650℃時，當[Ca]＞6ppm 時，夾雜物開始全部為液態；[Ca]＞26ppm 時，開始產生CaS，液態夾雜物含量變化趨勢逐漸降低，“液態窗口”為6～26 ppm。

圖5 不同溫度下夾雜物隨[Ca]含量變化

圖6 為夾雜物“液態窗口”隨溫度的變化情況。由圖6 可以看出：隨著溫度的增加，生成高熔點CaS所需的最低[Ca]含量越來越高，液態夾雜物的含量越來越多。表3 為溫度對夾雜物“液態窗口”的影響情況，由表3 可以看出見，“液態窗口”下限范圍下降，上限范圍上升，控制范圍越來越寬。

圖6 夾雜物“液態窗口”隨溫度的變化情況

表3 溫度對夾雜物“液態窗口”的影響

3 結語

本文以河鋼宣鋼公司生產的齒輪鋼鈣處理工藝為例，對影響鈣處理工藝效果的因素進行了研究，確定了在不同[O]含量、[Al]含量、溫度等條件下合理的鈣添加范圍，并在實際生產中進行了應用，有效控制了鋼中高熔點夾雜物生成，提高了鋼水的純凈度，對生產具有重大指導意義。

（1）隨著鋼中[O]含量的增加，夾雜物“液態窗口”下限范圍上升，上限范圍上升，控制范圍越來越寬。當[O]含量為9ppm 時，“液態窗口”為4～12ppm；當[O]含量為15ppm 時，“液態窗口”為8～18ppm；當[O]含量為20ppm 時，“液態窗口”為14～32ppm。

（2）隨著鋼中[Al]含量的增加，夾雜物“液態窗口”范圍區間變小。當[Al]含量為130ppm 時，“液態窗口”為6～20ppm；[Al]含量為180ppm 時，“液態窗口”為6～18ppm；[Al]含量為300ppm 時，“液態窗口”為6～16ppm；[Al]含量為500ppm 時，“液態窗口”為6～14ppm。

（3）隨著溫度的增加，夾雜物“液態窗口”下限范圍下降，上限范圍上升，控制范圍越來越寬。當溫度在1550℃時，“液態窗口”為10～14ppm；溫度在1600℃時，“液態窗口”為8～18ppm；溫度在1650℃時，“液態窗口”為6～26ppm。

（4）將鋼中總[O]含量、[Al]含量、溫度等因素對鈣處理過程影響的研究結果應用于齒輪鋼鈣處理生產實踐，結果顯示連鑄澆注過程中鋼水絮流現象消失，終端客戶反饋質量提升效果顯著。