齒輪鋼冶煉過(guò)程純凈度分析

李玉德，張相春，趙同濤，徐向陽(yáng)，馬勇

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

齒輪鋼主要應(yīng)用于汽車(chē)、工程機(jī)械等機(jī)械制造業(yè)的傳動(dòng)部件。高質(zhì)量的齒輪鋼不但要有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性，能很好地承受沖擊、彎曲和接觸應(yīng)力，而且還要求變形小、精度高和噪聲低［1］。氧化物夾雜是影響齒輪鋼質(zhì)量的重要缺陷。氧含量對(duì)齒輪鋼的疲勞壽命影響很大，普遍認(rèn)為，當(dāng)氧含量從0.002 5%降到0.001 1%時(shí)，其疲勞壽命可提高4倍。另外，齒輪鋼中的非金屬夾雜物在加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致微孔的形成、長(zhǎng)大和聚集，最后會(huì)導(dǎo)致穿晶斷裂［2-3］。鞍鋼生產(chǎn)的齒輪鋼氧含量約為0.001 8%，氮含量為0.003 8%，大顆粒夾雜較少，但小顆粒夾雜數(shù)量較多，需要改善齒輪鋼生產(chǎn)工藝。因此，取樣分析了齒輪鋼冶煉過(guò)程中夾雜物和氧、氮含量，確定各工位氧、氮含量的變化、夾雜物的來(lái)源和成分變化，以便改進(jìn)工藝，生產(chǎn)出高質(zhì)量的齒輪鋼。

1 試驗(yàn)對(duì)象及方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

齒輪鋼冶煉工藝路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF爐處理→RH爐精煉→方坯連鑄。齒輪鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分要求如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣

采用圖1所示的專用取樣工具，分兩次從不同工位的鋼水內(nèi)取樣。轉(zhuǎn)爐出鋼采用出鋼前加軟質(zhì)擋渣，出鋼后期采用擋渣標(biāo)擋渣出鋼。出鋼結(jié)束后到氬站進(jìn)行喂線處理，然后凈吹氬3 min后取樣。鋼水進(jìn)電爐先取樣后造渣，吹氬攪拌第一次升溫后取電爐第二個(gè)樣，第二次升溫后取電爐第三個(gè)樣，喂線后取電爐第四個(gè)樣。進(jìn)真空取真空進(jìn)站樣和真空搬出樣，連鑄上機(jī)澆注50 t后取中包樣。取樣工位和時(shí)機(jī)如表2所示。

1.2.2 試樣制備和試驗(yàn)方法

鋼樣經(jīng)磨樣機(jī)研磨后，送化驗(yàn)室化驗(yàn)成分，然后經(jīng)線切割制樣，一部分進(jìn)行N、O成分分析，另一部分拋光后在金相顯微鏡下查找典型夾雜。在圖像分析儀放大200倍的情況下，選擇連續(xù)的16個(gè)視場(chǎng)，用圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)夾雜物數(shù)量分布、夾雜物面積、大小等數(shù)據(jù)。然后在掃描電子顯微鏡下對(duì)夾雜物進(jìn)行定性研究，確定夾雜物的成分。

圖1 鋼水取樣工具

表2 現(xiàn)場(chǎng)取樣工位和時(shí)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氧、氮含量結(jié)果及分析

2.1.1 氧含量

各工位鋼水T［O］含量的變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 鋼水T［O］含量的變化情況

分析圖2認(rèn)為：

（1）轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧值是鋼水中氧含量的來(lái)源，是影響精煉過(guò)程脫氧制度及最終氧含量的重要參數(shù)。出鋼過(guò)程加脫氧合金鋁鈣鐵去除鋼水中的溶解氧及降低渣中FeO的含量，同時(shí)形成有利于吸收夾雜物及脫硫的頂渣。控制好出鋼碳含量，避免鋼液過(guò)氧化的同時(shí)，建立出鋼氧與加鋁鈣鐵量的關(guān)系，保證出鋼過(guò)程脫氧良好，減輕精煉負(fù)擔(dān)。由圖2看出，隨著冶煉的進(jìn)行，氧含量逐漸降低。

（2）鋼渣中的氧化鐵含量影響鋼液的氧含量，氧化鐵含量越低，越有利于擴(kuò)散脫氧。進(jìn)入精煉后氧含量明顯降低。在LF精煉前期，氧含量降低較快，隨著精煉的進(jìn)行，氧含量降低較慢。1#、2#試樣的鋼水由出鋼經(jīng)過(guò)LF爐、RH爐到連鑄后，總氧含量分別降低了0.014 4%、0.008 8%。

（3）精煉過(guò)程中氧含量波動(dòng)，說(shuō)明有吸氧情況的發(fā)生。

2.1.2 氮含量

各工位鋼水氮含量的變化情況如圖3所示。

圖3 鋼水氮含量的變化情況

分析圖3認(rèn)為：

（1）精煉過(guò)程中，N含量波動(dòng)很大，但總體呈上升趨勢(shì)。

（2）LF處理前，鋼水中N含量較低，約為0.003%，但LF處理后，鋼水有明顯的增氮現(xiàn)象。

2.2 夾雜物定量結(jié)果及分析

采用圖像分析儀將各工位鋼樣放大200倍后分析，夾雜物數(shù)量和尺寸分布結(jié)果如表3、4所示。由表3、4看出，隨著精煉的進(jìn)行，夾雜物數(shù)量逐漸減少,各工位夾雜物尺寸變化很小，但小顆粒夾雜所占比例逐漸上升，大顆粒夾雜比例有所下降；中間包的夾雜物數(shù)量有所增加，直徑在1～3 μm的夾雜物顯著增加。

表3 各工位夾雜物數(shù)量分布測(cè)試結(jié)果 個(gè)/mm2

表4 各工位夾雜物尺寸分布測(cè)試結(jié)果 %

2.3 夾雜物形貌、成分結(jié)果及分析

鋼水由鋼包經(jīng)過(guò)LF爐、RH爐精煉到連鑄過(guò)程中，夾雜物的性質(zhì)和形狀發(fā)生了一定的變化。鋼包、LF爐、RH爐以及連鑄中間包的夾雜物形貌見(jiàn)圖4，成分見(jiàn)表5。

圖4 鋼包、LF爐、RH爐以及連鑄中間包的夾雜物形貌

表5 鋼包、LF爐、RH爐以及連鑄中間包的夾雜物成分 %

由圖4、表5看出，鋼包中的夾雜物基本上以Al2O3和SiO2為主，鋼包樣品存在一些大尺寸球狀?yuàn)A雜物，小尺寸的尖角狀?yuàn)A雜物較多。

經(jīng)過(guò)LF的精煉及Ca處理，夾雜物的形貌和成分都發(fā)生了很大的變化。樣品存在一些大尺寸夾雜物，小尺寸的球狀?yuàn)A雜物較多，個(gè)別存在尖角狀?yuàn)A雜物；很少看見(jiàn)單一的Al2O3夾雜。由表5中可以看出，鋼中出現(xiàn)了硅鋁酸鈣復(fù)合夾雜。

經(jīng)過(guò)RH處理的鋼水中出現(xiàn)Al2O3夾雜物，其尺寸通常較小。連鑄過(guò)程中的夾雜物基本上以鋁酸鈣夾雜為主，夾雜物大部分呈球狀且尺寸較小，尺寸都在10 μm以下。

綜上所述，鋼水由鋼包經(jīng)過(guò)LF爐、RH爐精煉到連鑄過(guò)程中，夾雜物由最初的SiO2、Al2O3夾雜逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙畹匿X酸鈣夾雜；從形狀看，夾雜物由不規(guī)則形狀逐漸轉(zhuǎn)化為球狀?yuàn)A雜物；從數(shù)量看，夾雜物由大顆粒夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)量更多的小顆粒夾雜。整個(gè)工序大顆粒夾雜物出現(xiàn)的幾率很少，最后在連鑄過(guò)程中鋼水沒(méi)有大顆粒夾雜物的出現(xiàn)，但在連鑄工序上，夾雜物有上升的趨勢(shì)，連鑄應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)澆鑄措施。

因此，應(yīng)重點(diǎn)改進(jìn)LF精煉工藝，優(yōu)化LF脫氧工藝、造渣工藝、吹氬攪拌工藝，以提高精煉過(guò)程鋼水的純凈度。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)齒輪鋼冶煉過(guò)程中的LF精煉、RH精煉和連鑄過(guò)程取樣，分析鋼水氧、氮含量，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)所取的鋼樣進(jìn)行夾雜物分析，結(jié)果認(rèn)為：

（1）降低轉(zhuǎn)爐出鋼氧值，加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中的脫氧強(qiáng)度，有利于從源頭上降低鋼水中氧含量，減少夾雜物的數(shù)量。精煉過(guò)程氧含量仍偏高，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝，降低氧含量，促進(jìn)夾雜物上浮，同時(shí)做好保護(hù)澆鑄，避免鋼水二次氧化；

（2）隨著精煉的進(jìn)行，各工序鋼水中的氮含量波動(dòng)較大，而且在LF精煉過(guò)程中存在一定的增氮現(xiàn)象，需加強(qiáng)對(duì)鋼水的保護(hù)措施；

（3）鋼水由鋼包經(jīng)過(guò)LF爐、RH爐精煉到連鑄過(guò)程中，夾雜物的數(shù)量、性質(zhì)和形狀發(fā)生了一定的變化，說(shuō)明精煉過(guò)程對(duì)夾雜物的處理有良好的效果，但需加強(qiáng)中間包的保護(hù)澆鑄，防止鋼水因吸氣而被氧化。