BOF-LF-VD-CC生產(chǎn)20CrMnTi齒輪鋼的夾雜物行為研究

蔣芳杰 吳華杰 張永超

(1. 北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院; 2. 北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心)

BOF-LF-VD-CC生產(chǎn)20CrMnTi齒輪鋼的夾雜物行為研究

蔣芳杰1吳華杰2張永超1

(1. 北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院; 2. 北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心)

通過氬站、LF、VD、中間包、及鑄坯的系統(tǒng)取樣，采用掃描電鏡(SEM)結(jié)合能譜(DES)自動(dòng)掃描分析功能(可獲取試樣大面積范圍內(nèi)的夾雜物信息)，對(duì)某鋼廠BOF-Argon station-LF-VD-CC工藝生產(chǎn)20CrMnTi鋼中夾雜物在各工序的種類、數(shù)量、化學(xué)成分進(jìn)行研究。結(jié)果表明: 隨著工藝的進(jìn)行，夾雜物在氬站出站時(shí)以Al2O3為主；LF精煉后，夾雜物轉(zhuǎn)變成熔點(diǎn)較低、易于上浮的MgO-Al2O3、MgO-Al2O3-CaO；VD結(jié)束后，主要有MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、 CaO-MgO-Al2O3三大類夾雜物；夾雜物數(shù)量在氬站結(jié)束時(shí)最多，中間包和鑄坯中夾雜物數(shù)量最少，同時(shí)夾雜物狀變也由不規(guī)則變?yōu)榍蛐危f明LF、VD有著較好的精煉效果。通過對(duì)該廠夾雜物隨冶煉工藝演變的研究發(fā)現(xiàn)：該廠夾雜物控制水平能夠滿足一般齒輪鋼的質(zhì)量要求，并為將來冶煉高品質(zhì)齒輪鋼打好基礎(chǔ)。

齒輪鋼 夾雜物 VD

AbstractBy using the thermodynamic calculation systematic sampling from argon station, LF, VD, tundish, casting billets combined with SEM and energy spectrum (DES) automatic scanning analysis function which can obtain inclusion information in a large area of the sample, the type, amount and chemical composition of inclusions in 20CrMnTi steel which produced by BOF-Argon station-LF-VD-CC process have been investigated and measured at various production steps. The results show that the type of inclusions at the end of argon station is mainly Al2O3. After LF treatment, the inclusions translates into spherical MgO-Al2O3or MgO-Al2O3-CaO particles which have a low melting point and easily floating up. After VD treatment, The main component of inclusion is MgO-Al2O3,MgO-Al2O3-CaO and Al2O3-CaO. The amount of inclusions is the highest at the end of the argon station and the minimum in tundish and casting billets which show that LF and VD have very good refining effect. The inclusion control level of the plant can meet the quality requirements of general gear steel that lay a good foundation for smelting high quality gear steel in the future.

KEYWORDSgear steel inclusion VD

0 前言

20CrMnTi鋼作為目前國內(nèi)用于制造各種工程機(jī)械、汽車、農(nóng)用車等傳動(dòng)齒輪、齒輪軸材料中使用量最大的一種齒輪鋼，具有巨大的潛在市場(chǎng)，是許多鋼鐵企業(yè)優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)的主導(dǎo)產(chǎn)品。齒輪鋼在工作過程中要承受交變載荷、沖擊載荷、磨損等作用,因此其對(duì)鋼的性能要求高、質(zhì)量要求嚴(yán)。就齒輪的使用而言,齒輪失效大部分是由疲勞引起[1]。齒輪鋼中存在的難以變形的氧化物夾雜是齒輪鋼使用過程中疲勞損壞的主要原因。要冶煉齒輪鋼首要目標(biāo)是有效控制夾雜物的大小和類型，但這一直都是冶金企業(yè)的難題，而且不同的企業(yè)在夾雜物控制方面的限制性環(huán)節(jié)各不相同，因?yàn)閵A雜物的來源與冶煉的工藝流程、脫氧制度等息息相關(guān)，因此，研究夾雜物隨冶煉工藝的演變規(guī)律尤為重要。

某鋼廠為開拓市場(chǎng)，在齒輪鋼生產(chǎn)方面開展了20CrMnTi的試制研究，但是試制生產(chǎn)過程中存在夾雜物控制不到位的問題，因此，筆者針對(duì)該鋼廠生產(chǎn)20CrMnTi鋼工藝過程中夾雜物的演變規(guī)律進(jìn)行研究，從而為該廠降低和改善鋼中非金屬夾雜物，優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高鋼質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 工藝流程

某鋼廠生產(chǎn)20CrMnTi鋼工藝流程是BOF→ Argon Station → LF→ VD→ CC。轉(zhuǎn)爐為100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，采用預(yù)處理深脫硫的鐵水，入爐廢鋼采用優(yōu)質(zhì)廢鋼，配比為10%；出鋼3 min之前加入合金和部分渣料，在氬站加入鋁線初步脫氧；LF精煉時(shí)，加入石灰和精煉渣，調(diào)整鋼液的流動(dòng)性和堿度，目標(biāo)堿度R=7，爐渣FeO+MnO≤1.5%，加鋁脫氧后，加入鈦鐵合金；VD精煉過程的真空度為67 Pa，真空處理時(shí)間大于15 min，真空結(jié)束后喂入鈣鐵線，然后軟吹攪拌15 min以上；鋼包爐襯采用Mg-C質(zhì)耐材；連鑄全程保護(hù)澆注，小方坯(160 mm×160 mm)采用結(jié)晶器電磁攪拌，拉速175 m/min。20CrMnTi鋼化學(xué)成分見表1。

表1 20CrMnTi鋼化學(xué)成分

2 研究方法及方案

為得出該鋼廠生產(chǎn)20CrMnTi鋼工藝過程中夾雜物的演變規(guī)律，找到該廠在夾雜物控制方面的限制性環(huán)節(jié)，本試驗(yàn)分別在氬站、LF精煉、VD結(jié)束時(shí)期、中包及鑄坯中系統(tǒng)取樣。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(ZEISS ULTRA55)觀察夾雜物的典型形貌和成分。并且，為了保證夾雜物統(tǒng)計(jì)分析的代表性，采用INCA Feature自動(dòng)掃描分析功能，在200倍下，對(duì)所取的每個(gè)金相樣隨機(jī)掃描約100個(gè)視場(chǎng)(總面積50 mm2)，統(tǒng)計(jì)夾雜物的數(shù)量、尺寸和成分信息。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 各工序典型夾雜物的形貌及成分

3.1.1 氬站夾雜物形貌及成分研究

氬站結(jié)束時(shí)典型的夾雜形狀如圖1所示，其化學(xué)成分見表2。 夾雜物主要為形狀不規(guī)則的Al2O3，還有少量的CaO-MgO-Al2O3、CaO-Al2O3或MgO-Al2O3類夾雜，尺寸主要在10 μm以下。

(a) CaO-MgO-Al2O3 (b) Al2O3圖1 氬站結(jié)束鋼液中典型夾雜物形貌 表2 氬站結(jié)束鋼液中典型夾雜物的能譜成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和當(dāng)量直徑

項(xiàng)目Mg/%Al/%Ca/%當(dāng)量直徑/μmCaO-MgO-Al2O30．8440．620．988．0Al2O3041．0204．0

3.1.2 LF夾雜物形貌及成分研究

LF結(jié)束時(shí)典型的夾雜形狀如圖2所示，其化學(xué)成分見表3。夾雜物由Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO-Al2O3或MgO-Al2O3-CaO兩類夾雜物，形狀也由不規(guī)則開始向球形轉(zhuǎn)變，Mg、Ca含量明顯升高。

(a) MgO-Al2O3-CaO (b) MgO-Al2O3-CaO (c) MgO-Al2O3

圖2 LF結(jié)束時(shí)典型夾雜物形貌

3.1.3 VD夾雜物形貌及成分研究

VD結(jié)束時(shí)，典型的夾雜形狀如圖3所示，其化學(xué)成分見表4。VD結(jié)束后，鋼中主要有MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3三大類夾雜物，夾雜物的形狀基本為球形，復(fù)合夾雜中總Mg含量降低很多。

(a) CaO-MgO-Al2O3(b) CaO-Al2O3(c) MgO-Al2O3

圖3 VD結(jié)束時(shí)典型夾雜物形貌

3.1.4 中包夾雜物形貌及成分研究

中包中典型的夾雜物形狀如圖4所示，其化學(xué)成分見表5。中包大尺寸夾雜物的數(shù)量較少，尺寸基本在30 μm以下，主要為MgO-Al2O3-CaO和CaO-Al2O3兩類夾雜物，其中MgO含量很少。

(a) CaO-Al2O3(b) MgO-Al2O3-CaO圖4 中包中典型夾雜物形貌 表5 中包中典型夾雜物的能譜成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 和當(dāng)量直徑

項(xiàng)目Mg/%Al/%Ca/%當(dāng)量直徑/μmCaO-Al2O307．560．6324．1MgO-Al2O3-CaO1．0425．4723．814．8

3.1.5 鑄坯中夾雜物形貌及成分研究

鑄坯中的夾雜形狀如圖5所示，其化學(xué)成分見表6。鑄坯中的夾雜物尺寸較小，主要在5 μm以下，主要為MgO-Al2O3-CaO和Al2O3-CaO兩類夾雜物，其中CaO含量主要在20%～55%之間。

(a) MgO-Al2O3-CaO(b) Al2O3-CaO圖5 鑄坯中典型夾雜物形貌 表6 鑄坯中典型夾雜物的能譜成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和當(dāng)量直徑

項(xiàng)目Mg/%Al/%Ca/%當(dāng)量直徑/μmMgO-Al2O3-CaO1．550．7827．523．9Al2O3-CaO05．4936．014．2

3.2 各工序夾雜物演變規(guī)律研究

3.2.1 各工序中夾雜物數(shù)量和尺寸研究

各工序的夾雜物數(shù)量和尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 各工序夾雜物數(shù)量變化情況

從圖6可以看出，隨著冶煉工序的進(jìn)行，夾雜物的總體數(shù)量在減少，整體尺寸減小，各個(gè)工序夾雜物尺寸主要在10 μm以下。氬站時(shí)，夾雜物數(shù)量最多(約1 500 個(gè)/mm2)，沒有尺寸大于13 μm的夾雜物；LF中夾雜物數(shù)量急劇下降，從氬站的約1 500 個(gè)/mm2下降至約900 個(gè)/mm2，降幅40%，但LF精煉過程產(chǎn)生了一定數(shù)量(約200 個(gè)/mm2)的大尺寸夾雜物，當(dāng)量直徑在80 μm～150 μm；VD和鑄坯中雜物數(shù)量最少(約800 個(gè)/mm2)。

3.2.2 各工序中夾雜物轉(zhuǎn)變機(jī)理研究

將掃描電鏡INCA Feature自動(dòng)掃描得到的不同尺寸夾雜物的成分匯總?cè)鐖D7所示。

(a) 氬站(b) LF(c) VD

(d) 中包 (e) 鑄坯

圖7同工序夾雜物在CaO-MgO-Al2O3三元系中的分布

從圖7可以看出：當(dāng)Al加入鋼中以后，鋼液中的[Al]與[O]迅速發(fā)生反應(yīng)(1)[2]生成大量Al2O3夾雜，導(dǎo)致出氬站時(shí)鋼液中主要是Al2O3夾雜物。到了LF精煉時(shí)期，夾雜物開始由Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO-Al2O3或CaO-MgO-Al2O3兩類夾雜物，其中CaO的含量在0～30%之間，MgO的含量在10%～30%之間，Al2O3含量在50%～75%之間，夾雜物的平均成分是ωCaO=18.6%、ωMgO=20.8%、ωAl2O3=60.6%。精煉溫度下，LF精煉渣和耐火材料中的MgO易與鋼液中[Al]發(fā)生反應(yīng)(2)[3]，反應(yīng)生成的溶解態(tài)的[Mg]進(jìn)入鋼液，鋼液中少量的[Mg]就能與Al2O3發(fā)生(3)反應(yīng)生成MgO-Al2O3類夾雜。

2[Al]+3[O]=(Al2O3)

(1)

3(MgO)+2[Al]=(Al2O3)+3[Mg]

(2)

[Mg]+4/3[Al2O3]=[MgO·Al2O3]+2/3[Al]

(3)

當(dāng)鋼渣反應(yīng)達(dá)到一定程度以后，渣中的CaO也會(huì)和鋼液中的[Al]發(fā)生反應(yīng)(4)生成[Ca]進(jìn)入鋼液。鋼液中的[Ca]會(huì)促使反應(yīng)向著MgO-Al2O3-CaO類夾雜物生成的方向進(jìn)行[4-6]。夾雜物熔點(diǎn)開始降低，由于表面張力的作用，不規(guī)則形貌的Al2O3開始向球形轉(zhuǎn)變。

在VD精煉后，夾雜物成分分布范圍比較散，主要有MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3三大類夾雜物。真空劇烈攪拌加劇了鋼液與耐材的反應(yīng)導(dǎo)致鋼中繼續(xù)有MgO-Al2O3類夾雜物生成；VD真空精煉結(jié)束后，鈣處理加入的鈣會(huì)發(fā)生反應(yīng)(5)，置換出MgO-Al2O3-CaO類夾雜物中的Mg，使得LF精煉生成的MgO-Al2O3-CaO類夾雜物開始向CaO·Al2O3類夾雜轉(zhuǎn)變。過量的鈣讓反應(yīng)(5)沒有達(dá)到平衡，導(dǎo)致CaO-Al2O3和MgO-Al2O3-CaO兩類夾雜物的成分并不穩(wěn)定，這種成分并不穩(wěn)定現(xiàn)象說明VD工序沒有達(dá)到理想的精煉效果，應(yīng)適當(dāng)降低喂鈣量和優(yōu)化喂鈣方式，減少二次氧化，并延長(zhǎng)VD軟吹時(shí)間，充分發(fā)揮鈣處理的效果。

2[Al]+3(CaO)=3[Ca]+(Al2O3)

(4)

[Ca]+MgO·Al2O3=CaO·Al2O3+[Mg]

(5)

從圖7(d)可以看出，中包中含有少量的Al2O3，這可能是由于中包發(fā)生二次氧化造成，結(jié)合圖7(c)可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：由鈣處理加入的過量鈣會(huì)在中包和連鑄過程中繼續(xù)與MgO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3兩類夾雜物反應(yīng)，使得MgO-Al2O3類夾雜物數(shù)量在減少，同時(shí)CaO-MgO-Al2O3類夾雜物中夾雜物的Ca含量會(huì)增加。鑄坯中的夾雜物情況與中包基本類似。

從圖7還可以看出，各個(gè)工序DS類夾雜物(>13 μm)的成分并不相同，說明各個(gè)工序DS類夾雜物來源并不相同，具有一定的隨機(jī)性。

綜上所述，某廠生產(chǎn)20CrMnTi鋼工藝流程有一定的夾雜物去除和變性效果。隨著冶煉工序的進(jìn)行，夾雜物總體變化規(guī)律為：由Al2O3→MgO-Al2O3→CaO-MgO-Al2O3或CaO-Al2O3類夾雜物進(jìn)行轉(zhuǎn)變，如圖8所示。

圖8 不同工序各類夾雜物演變情況

結(jié)合圖7和圖8可以看出，VD和鈣處理過程為該廠齒輪鋼中夾雜物控制的限制性環(huán)節(jié)，為了進(jìn)一步提高齒輪鋼夾雜物控制水平，建議調(diào)整VD攪拌程度、喂鈣量和喂鈣方式，使夾雜物大部分控制在低熔點(diǎn)區(qū)，利于上浮去除和穩(wěn)定性控制。

4 結(jié)論

通過對(duì)各工序樣品中夾雜物的電鏡統(tǒng)計(jì)觀察和熱力學(xué)分析得出如下結(jié)論:

(1)數(shù)量和尺寸變化規(guī)律：夾雜物數(shù)量在氬站結(jié)束時(shí)最多，經(jīng)過LF、VD后，中間包和鑄坯中夾雜物數(shù)量達(dá)到最少，同時(shí)夾雜物形狀也由不規(guī)則變?yōu)榍蛐巍８鱾€(gè)工序夾雜物尺寸主要在1 μm～3 μm，LF精煉過程會(huì)產(chǎn)生部分當(dāng)量直徑在80 μm～150 μm的大尺寸夾雜物?？傮w來說，該廠整個(gè)工藝流程的夾雜物控制水平能夠滿足普通齒輪鋼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)夾雜物的要求。

(2)成分和類型變化規(guī)律：在氬站中夾雜物主要為Al2O3，LF結(jié)束主要為MgO-Al2O3和CaO-MgO-Al2O3兩類夾雜物，VD結(jié)束后夾雜物主要為MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3三類夾雜物，中包和鑄坯的夾雜物主要為CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3兩類夾雜物。

(3)夾雜物演變過程：鋼液中Al的加入使得氬站產(chǎn)生大量的Al2O3夾雜物， LF精煉時(shí)期、鋼液中的鋁會(huì)與爐襯和精煉渣反應(yīng)生[Mg]和[Ca], [Mg]和[Ca]會(huì)繼續(xù)與Al2O3反應(yīng)使得Al2O3夾雜向CaO-MgO-Al2O3類轉(zhuǎn)變，鈣處理后，鋼液中的[Ca]會(huì)置換出MgO-Al2O3-CaO中的Mg，使得夾雜物中的Ca含量增加，甚至轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO-Al2O3類夾雜物。

(4)通過對(duì)鋼中夾雜物隨工藝流程演變規(guī)律的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)：鈣處理過程中加入的過量鈣使得 MgO-Al2O3-CaO向CaO-Al2O3類夾雜物的轉(zhuǎn)變沒有達(dá)到平衡，鈣處理效果不理想，因此，該廠在夾雜物控制方面的限制性環(huán)節(jié)是VD精煉工序，建議調(diào)整VD攪拌程度、喂鈣量和喂鈣方式，充分發(fā)揮鈣處理的效果，為生產(chǎn)高檔次齒輪鋼打下基礎(chǔ)。

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STUDYONINCLUSIONBEHAVIOROF20CrMnTiGEARSTEELPRODUCEDBYBOF-LF-VD-CC

Jiang Fangjie1Wu Huajie2Zhang Yongchao1

(1. Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing;2. Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing)

2017—5—7