隨著我國(guó)機(jī)械工業(yè)特別是汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)齒輪鋼的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，高品質(zhì)齒輪鋼不但要具有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性，還需要有良好的抗沖擊、抗裂紋擴(kuò)展和抗疲勞性能。SAE8620H 是我國(guó)引進(jìn)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中的鋼種，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 ASTM A304，屬于 Cr、Ni – Mo 系齒輪鋼，具有良好的使用和加工性能，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。由于鋼中非金屬夾雜物的存在破壞了鋼基體連續(xù)性，容易成為齒輪鋼疲勞破壞的起源點(diǎn)，降低鋼材的使用壽命，因此降低鋼中非金屬夾雜物數(shù)量和尺寸，提高鋼材純凈度是生產(chǎn)高品質(zhì)齒輪鋼的主要任務(wù)之一。
某特鋼企業(yè)齒輪鋼 SAE8620H 冶煉生產(chǎn)流程: 100 t BOF-LF-RH-4 機(jī) 4 流 200 mm 方坯連鑄機(jī)。通過(guò)合理的冶煉工藝設(shè)計(jì)和對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉、LF 精煉、RH 真空處理和連鑄等關(guān)鍵生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制，有效降低鋼中 P、S、O、N、H 等有害元素含量和非金屬夾雜物評(píng)定級(jí)別，提高了齒輪鋼產(chǎn)品質(zhì)量，形成具備 18 萬(wàn) t /a SAE8620H、20CrMnTi 等高品質(zhì)齒輪鋼生產(chǎn)能力，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
1、工序質(zhì)量控制關(guān)鍵
轉(zhuǎn)爐冶煉控制
以脫硫鐵水[%S]≤0.005 和優(yōu)質(zhì)廢鋼為原料，爐料結(jié)構(gòu)為 80%鐵水+20%廢鋼。根據(jù)碳氧反應(yīng)平衡原理，在一定出鋼溫度條件下，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量越高，鋼水初始溶解氧含量越低。為有效降低鋼中初始溶解氧和 P 含量，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制在 1 600 ～ 1 630 ℃，[%C]0.06～0.10，[%P]≤0.013。轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程根據(jù)鋼水初始溶解氧含量隨鋼流加入1.0～ 1.3 kg /t 鋁餅脫氧，活性石灰 4.5 kg /t 和預(yù)熔型合成精煉渣 3.0～4.0 kg /t 渣洗出鋼，合成精煉渣化學(xué)成分見表 1，出鋼后期使用擋渣錐防止下渣，控制鋼水回[%P]≤0.002。
LF 精煉脫氧工藝
采用鋼水沉淀脫氧和渣面擴(kuò)散脫氧相結(jié)合的方式降低鋼中氧含量，達(dá)到降低鋼中非金屬夾雜物總量目的。鋁脫氧化學(xué)反應(yīng)式:
式中，ΔGθ 、K 值分別代表吉布斯自由能和化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù); αAl2O3代表 Al2O3 活度。
由式 (4) 可知，當(dāng)鋼中[% Al]= 0.010 時(shí)，α[%O]= 0.000 7; 當(dāng)[% Al]= 0.020 時(shí)，α[% O]< 0.000 5; 當(dāng)[%Al]≥0.050 時(shí)，鋼中活性氧含量已降低到 2.5 ppm 以下。轉(zhuǎn)爐出鋼使用強(qiáng)還原劑鋁脫氧，盡可能使鋼水中的活性氧轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)夾雜物 Al2O3，形成大尺寸簇群狀?yuàn)A雜物，通過(guò)底吹氬氣攪拌上浮排除。為充分降低鋼中氧含量，還需要強(qiáng)化精煉過(guò)程鋼中酸熔鋁[%Al]控制，保持鋼中較低的 α[% O ]。控制 LF 精煉進(jìn)站[% Al]為 0. 015 ～ 0.040，電極加熱升溫化渣，精煉第 2 樣通過(guò)喂鋁線方式調(diào)整[%Al]為 0.035 ～ 0.040，合理控制底吹氬氣攪拌強(qiáng)度，防止鋼水二次氧化，減少精煉過(guò)程鋁成分質(zhì)量損失，LF 精煉結(jié)束或RH 真空處理前根據(jù)鋼水鋁損情況適當(dāng)補(bǔ)鋁，控制成品[% Al]為 0.015 ～ 0.025。
精煉渣中 FeO 和 MnO 性質(zhì)接近均為非穩(wěn)態(tài)氧化物，具有較強(qiáng)氧化性。當(dāng)爐渣中 FeO 和 MnO 含量較多，爐渣氧勢(shì)高于與其接觸的鋼水時(shí)，爐渣中的氧元素將通過(guò)渣鋼界面反應(yīng)( FeO) =[Fe]+[O]向鋼中擴(kuò)散，對(duì)鋼水造成二次氧化; 相反，當(dāng)爐渣氧勢(shì)低于與其接觸的鋼水氧勢(shì)時(shí)，鋼中的氧元素將向爐渣中擴(kuò)散，發(fā)生擴(kuò)散脫氧反應(yīng)。為了更好降低鋼中氧含量，在對(duì)鋼水進(jìn)行沉淀脫氧的同時(shí)對(duì)渣面進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，通過(guò)將強(qiáng)還原劑 CaC2、鋁丸、SiC 等撒在渣面還原渣中 FeO 和 MnO，降低爐渣氧化性，形成具有較低氧化性 ω( FeO+MnO) ≤1.0%的白渣并且保持 15 min 以上的精煉時(shí)間，促使鋼水中的氧向爐渣充分?jǐn)U散，達(dá)到降低鋼中氧含量目的。
選擇高堿度爐渣精煉
精煉爐渣除要求具備完全吸收由脫氧產(chǎn)生的夾雜物能力外，還要求有較高的脫硫能力。對(duì)于鋁鎮(zhèn)靜鋼而言，由于用 Al 脫氧產(chǎn)生的夾雜物主要為 Al2O3，為了更好吸收脫氧產(chǎn)生的 Al2O3 夾雜物和降低鋼中硫含量，LF 精煉爐渣需要保持較高的堿度 R = 5.0～8.0 以及合適的 CaO /Al2O3，保證熔渣流動(dòng)性，選擇具有較高堿度的 CaO﹣Al2O3精煉渣系。從圖 1可以看出，在 CaO ﹣ SiO2 ﹣ Al2O3 三元渣系 ω( Al2O3 ) 接近 30%，ω( SiO2 ) ≤10%時(shí)具有較高的硫分配比 Ls = ( %S) /[%S]，在該區(qū)域范圍內(nèi)爐渣的主要組成為 3CaO·Al2O3和 12CaO·7Al2O3，具有較低的熔點(diǎn)，因此將精煉終渣成分選在該區(qū)域范圍之內(nèi)。設(shè)計(jì)精煉終渣組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) : CaO 52% ～ 56%，SiO2 6% ～ 10%，MgO 3% ～ 8%，Al2O3 26% ～ 33%，F(xiàn)eO+MnO≤0.8%。為獲得以上精煉爐渣成分，需要對(duì)煉鋼過(guò)程使用的主要原輔材料脫氧劑、渣料石灰、合成精煉渣等用量精準(zhǔn)控制。根據(jù)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水溶解氧含量估算得出的脫氧產(chǎn)物 Al2O3 夾雜總量，計(jì)算轉(zhuǎn)爐出鋼渣料石灰和合成精煉渣加入量和比例，并在精煉過(guò)程根據(jù)脫硫需要對(duì)渣量和成分進(jìn)行微調(diào)，控制 LF 精煉終渣成分在目標(biāo)設(shè)計(jì)成分范圍之內(nèi)，表 2 給出 SAE8620H 齒輪鋼 LF 精煉終渣成分。
RH 真空處理
為提高鋼水純凈度和可澆性，降低鋼中非金屬夾雜物和有害氣體 N、H 含量。通過(guò)高真空條件下的鋼水循環(huán)，真空度≤67 Pa 保持時(shí)間 15 min 以上，將鋼中[N]、[H]分別降低到 45 × 10-6 、1.3 × 10-6 以下。
鈣處理
鋼水經(jīng)過(guò)真空處理后，為改善鋼水可澆性向鋼中喂入適量硅鈣線，變性鋼中殘留的細(xì)小 Al2O3 夾雜物生成低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽 mCaO·nAl2O3，并通過(guò)軟吹攪拌上浮排除。中間包第 1 爐由于開澆過(guò)程鋼水二次氧化，鋼中[O]一般要比連澆爐次高 ( 4～7) ×10-6 ，硅鈣線喂入量可以適當(dāng)增加，連澆爐次硅鈣線喂入量小于 100 m。鈣處理后保持10 min 以上的鋼水軟吹凈化時(shí)間，底吹氬氣流量控制在 30 ～60 NL /min 為宜，以渣面輕微波動(dòng)不漏出鋼液面為標(biāo)準(zhǔn)。
連鑄過(guò)程控制
連鑄采用 26T 大容量中間包，鋼水在中間包停留時(shí)間為 16～ 20 min，結(jié)合中間包內(nèi)部合理的檔渣結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)設(shè)計(jì)，促進(jìn)鋼中非金屬夾雜物充分上浮和化學(xué)成分均勻化。澆注過(guò)熱度控制在 15 ～ 25 ℃，目標(biāo)拉速 1.3 m /min，使用結(jié)晶器液面自動(dòng)控制系統(tǒng)( 結(jié)晶器液面波動(dòng)幅度 ± 3 mm ) ，M + F 電磁攪拌，二冷氣霧冷卻，凝固末端智能輕壓下等控制技術(shù)。
為減少澆注過(guò)程鋼水二次氧化，開澆前用氬氣吹掃中間包排出包內(nèi)空氣，大包長(zhǎng)水口使用密封墊和氬封保護(hù)，為強(qiáng)化吸收 Al2O3 夾雜物，中間包采用堿性覆蓋劑(理化指標(biāo)見表 3) ，整體浸入式內(nèi)裝水口和齒輪鋼結(jié)晶器預(yù)熔型顆粒保護(hù)渣(理化指標(biāo)見表 4) 保護(hù)澆注，防止空氣中的氧與鋼水接觸生成 Al2O3 夾雜物。
2、產(chǎn)品質(zhì)量
通過(guò)采取以上工藝措施，鋼中有害元素得到有效控制，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果顯示，成品[%P] ≤0.015，[%S]≤0.003，[N]≤45×10-6，[H]≤1.3× 10-6 ，T[O]≤12×10-6 、平均值 7.6×10-6，鋼中有害元素[P]+[S]+[N]+[H]+[O]≤260×10-6 ，具有較高潔凈度。
連鑄坯低倍檢驗(yàn)顯示，中心疏松小于 1.5 級(jí)。連鑄坯軋制成 Φ 45 ～ 70 mm棒材，軋材檢驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼中各類非金屬夾雜物小于 1.0 級(jí)，均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) ASTMA304 控制要求，非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果見表 5。
3、結(jié)論
(1) 通過(guò)控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)[% C]0. 06 ～ 0. 10、[%P]≤0.013，出鋼加 1.0～ 1.3 kg /t Al 脫氧以及合成精煉渣渣洗出鋼，LF 造高堿度爐渣( /%，52 ～ 56 CaO，6 ～ 10 SiO2，3 ～ 8 MgO，26 ～ 33 Al2O3，≤0.8 FeO+MnO) 精煉，RH 高真空≤67 Pa 保持時(shí)間 15 min 以上，喂硅鈣線≤100 m，連鑄全程保護(hù)澆注，齒輪鋼 SAE8620H 的成品鋼[% P]≤ 0.015，[%S]≤0.003，[N]≤45 × 10-6 ，[H]≤1.3 × 10-6，T[O]≤12×10-6 、平均值 7.6×10-6 ，鋼中有害元素[P]+[S]+[N]+[H]+[O]≤260 × 10-6 ，具有較高潔凈度。
(2) 連鑄坯低倍檢測(cè)顯示，中心疏松小于 1.5 級(jí)，軋材檢驗(yàn)檢測(cè)顯示，鋼中 A、B、C、D、Ds 類非金屬夾雜物小于1.0 級(jí)，均符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) ASTMA304 控制要求。
參考文獻(xiàn)略.