用钡合金对齿轮钢脱氧的工艺研究

kunlei

影响齿轮钢质量的主要因素有氧含量、晶粒度和淬透性带宽度及其稳定性3个指标，这3个指标也是衡量齿轮钢内部质量的最主要标准。高质量齿轮钢的突出特点是：钢中氧含量低(≤0.0015)、洁净度高；淬透性带的宽度窄(一般在HRC6以内)及稳定性高(同批钢材的波动范围≤HRC3，对热处理温度的敏感度小)；晶粒度细小(6级以上)且具有较高的抗弯曲冲击力。为提高齿轮钢的质量，冶炼工序的主要任务是：优化脱氧工艺、提高钢液的洁净度；精确地控制成分以保证窄淬透性带；采用合适的铝含量及后续轧制和控制冷却工艺，以便细化钢材晶粒度。

1试验设备及条件
　　试验在西宁特钢第三炼钢厂50tEAF一60tLF—模铸(235mm×265mm大方坯连铸)生产线上进行。基于钡合金在轴承钢方面的应用经验，考虑到齿轮钢碳含量低、钢中残余铝含量高的特点，分别采用硅钡和硅钙钡合金进行脱氧和夹杂物变性试验。同时，考虑到VD(真空脱气)处理对铝充分预脱氧钢的氧含量影响不明显，只采用LF精炼和钡合金处理。
2影响齿轮钢氧含量的因素及试验方案
　　由于齿轮钢的碳含量较低，为保证加入较多的高碳铬铁以降低成本时成品钢的碳含量不会超限，必须降低电炉出钢碳含量。但碳含量过低极易导致钢液过氧化。因此，齿轮钢脱氧的第一步是精确控制电炉出钢碳含量，以降低和稳定初始氧含量；第二步是根据初始溶解氧含量，加入足够的预脱氧剂铝，使钢中的溶解氧尽可能转变为氧化物夹杂态的氧；第三步是添加钡合金使Al2O3夹杂物变性并采用合理的搅拌工艺促使氧化物夹杂上浮排除；第四步是根据脱氧工艺的特点对埋弧渣进行优化，吸附上浮的夹杂物。
　　根据以上分析，制订出以下试验方案。
①由于电炉出钢碳含量直接影响到钢液初始氧含量，因此，必须控制电炉出钢碳含量≥0.08%试验中，为比较不同出钢碳含量对氧含量的影响，将碳含量控制在≤0.06，0.07～0.09和≥0.103%个范围内。
②根据电炉出钢碳含量调整预脱氧铝含量，即当出钢碳含量分别为小于0.06%、在0.07～0.09范围内和大于等于0.1时，相对应的吨钢预脱氧铝含量分别为2.5kg、2.0kg和1.5kg，并根据一次铝含量的高低，将吊包时的铝含量调整到0.025～O.035范围内。
③试验中精炼渣配比为：石灰：萤石：耐火砖块一800：100：100，并根据精炼过程中的渣况及时进行调整。
④精炼后期进行合金微调或吊包时，吨钢钡合金加入量为1.O～1.5kg。
⑤精炼过程中分析每个试样的铝含量，以便及时调整钢中的残余铝含量。
⑥精炼过程中，氩气压力在0.25～0.50MPa范围内，氩气流量为60～180L/min，吹氩搅拌时间超过40min，并根据情况进行软吹氩。
3试验结果及分析
　　影响钢液初始氧含量的因素主要有两个：一是出钢温度，二是出钢碳含量。由于出钢温度的可控性较小，在此主要讨论出钢碳含量对脱氧的影响。电炉出钢碳含量直接影响着钢液的初始氧含量，由C—O平衡曲线可知，当钢中碳含量为0.06%时，氧含量为0.04%；当钢中碳含量≤0.05%时，氧含量急剧上升，导致钢液过氧化，加大预脱氧剂铝及其它合金的消耗量，并显著增加钢中Al2O3量，使夹杂物的组成发生变化。为此，生产中要求电炉出钢碳含量应大于0.08%。
　　试验过程中，在不同出钢碳含量及不同预脱氧剂铝加入量的情况下，钢中铝含量的变化可看出：当出钢碳含量降低时，为保证钢中溶解氧转变为夹杂物，相应增加了预脱氧剂铝的加入量，从而导致钢中初始残余铝含量较高。但随着精炼的进行，钢中残余铝含量逐渐降低，吊包前钢中残余铝含量降至0.020～0.035%。为保证铝起到细化晶粒的作用，通常要求控制成品钢中残余铝含量在0.020～O.045%范围内。在出钢碳含量较高且预脱氧剂铝加入量较小的情况下，吊包时钢中残余铝含量已接近成品钢控制的下限，为达到最终氧含量和防止成品钢中残余铝含量过低影响晶粒度，须喂入部分铝线进行终脱氧和调整铝含量。
　　分析不同预脱氧铝加入量和不同出钢碳含量炉次在精炼过程中钢液铝含量的变化，并与吊包前钢液铝含量进行对比后发现：精炼过程中和吊包前钢液的铝含量与预脱氧剂铝的加入量成正比。尽管随着精炼进行，钢液的残余铝含量和全氧含量下降，但是预脱氧铝加入量大的炉次，其钢液中残余铝含量及全氧含量的降低速度明显高于预脱氧剂铝加入量小的炉次，即预脱氧铝加入量大的炉次其脱氧速度快。对吊包前钢液和成品钢中的残余铝含量以及成品钢中的氧含量进行统计发现：成品钢氧含量随吊包前钢液中铝含量的增加而降低，但与成品钢中的残余铝含量无对应关系，典型的变化情况。
　　不同脱氧工艺条件下钢中残余铝含量和氧含量。采用铝预脱氧、钡合金终脱氧和夹杂物变性处理钢的氧含量比铝终脱氧及喂硅钙线的钢低。其原因是：在用铝充分预脱氧的情况下，钢中的溶解氧绝大部分转化为Al203夹杂物，生成的大颗粒Al203夹杂物在LF吹氩精炼过程中逐渐上浮排除，残余的Al203夹杂物可被钡合金变性成大颗粒液态夹杂物而上浮排除，最终使钢中的全氧含量显著降低。
　　由于钡合金独特的性能，采用钡合金处理钢液时，宜采用硅、铝预脱氧，钡合金深度脱氧和夹杂物变性的工艺。考虑到含钡夹杂物比含钙夹杂物易于上浮排除，而且钙具有比钡更强的使夹杂物变性的能力，在此进行了用硅钙钡合金和硅钡合金处理齿轮钢的对比试验。可见：硅钙钡合金处理钢的平均氧含量和夹杂物级别均比硅钡合金处理钢低。
4结论
在50tEAF一60tLF流程中采用钡合金对铬钼系SCM822H齿轮钢进行脱氧。在控制电炉出钢碳含量≥O.08%、充分地铝预脱氧(吨钢预脱氧剂铝的加入量为1.8kg)及采用钡合金进行终脱氧和夹杂物变性处理、并采用低Al2O3含量(≤1O)精炼渣的情况下，可使该钢的氧含量降到0.0015%以下。