含鋁鋼冶煉工藝的改進

湯仕洋

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司，遼寧110142)

常見的含鋁鋼有NAK80、38CrMoAl，是高級滲氮鋼，用于制造高耐磨性、高疲勞強度的滲氮零件或各種受沖擊載荷不大而耐磨性高的滲氮零件，如仿模、汽缸套、齒輪、滾子、檢規(guī)、樣板、高壓閥門、閥桿、塑料及橡膠擠壓機、搪床的搪桿、蝸桿、磨床和自動車的主軸等。但含鋁鋼因其成分的特殊性，經常產生化學成分不合格、鋼錠無損檢測不合格等質量問題。

為解決此類問題，須改進原有的冶煉工藝，改進后的冶煉工藝采用氧化法冶煉，其工藝流程為：40 t偏心底出鋼電弧爐內進行初煉鋼水，精煉爐內調整化學成分，抽真空返回后鎮(zhèn)靜，直至成品出鋼，澆注出成品鋼錠。

1 40 t電弧爐操作

38CrMoAl化學成分要求見表1。

1.1 補爐與封堵出鋼口

首先，清凈爐內殘鋼、殘渣，用搗打料將爐底凹陷處及爐坡侵蝕嚴重處進行堆補。其次，將渣線、操作口兩側及假門坎等部位采用鹵水、鎂砂補爐，補爐做到高溫、薄補、快補；其厚度為20～40 mm，有利于鎂砂燒結，保證爐體各部位次寸的正常形狀。

封堵出鋼口時，應先清凈出鋼口內外殘鋼、殘渣，保證出鋼口的通徑，然后關閉出鋼口托盤，托盤與出鋼口磚間隙用石棉繩堵嚴。在偏心蓋加料處加入充填料，使出鋼口爐內上方略呈凸起狀。充填料需經100～300℃的溫度烘干2 h后才可以使用；加完充填料后，蓋好加料口，避免氧化期噴濺時，鋼渣燙壞偏心蓋。

1.2 裝料

裝料前應先在爐底裝入鋼水量2%～3%的石灰，以減輕鋼鐵料對爐底的沖撞；在電極穿井到底時可以保護爐底，減輕電弧的侵蝕作用；還可以提早形成爐渣，覆蓋在鋼水面上，防止鋼水增碳、吸氣以及保溫、穩(wěn)定電弧、去磷等作用。

根據(jù)目前生產情況，一般分三次裝料，第一次料應不低于總料量的55%，盡量第一次多裝；布料應合理，上松下緊呈饅頭形。大料靠下裝成放射狀，避免塌料或搭橋砸斷電極和影響正常熔化，不易導電的爐料(渣鐵、石灰、鐵合金)不應裝在電極下方，生鐵不要裝在爐門口，因為生鐵不易被氧氣切割熔化，妨礙吹氧助熔。

當爐內爐料基本化開，形成的熔池面積不超過30%，爐膛內的容積足夠時，可以加入第二次料。如果熔池面積過大，可以加入500 kg石灰后再裝料，能夠減輕噴濺；同時有利于提前造渣，有利于去磷、硫。

1.3 熔化期

因為熔化期占冶煉時間的一半以上，能耗占60%～70%，所以，早期脫磷為氧化期創(chuàng)造良好條件，對保證質量、降低能耗有重要意義。裝料結束后，熔化達50%～80%時，可以吹氧助熔，加入適量的氧化鐵皮或礦石、石灰有利于提前去磷，保護鋼液，避免吸氣。

1.4 氧化期

氧化期的目的是去除鋼水中的磷、氣體、夾雜物等有害物質。采用提前吹氧、熔氧結合的操作方式。

表1 38CrMoAl化學成分要求(質量分數(shù)，%)Table1 Chemical composition requirement of 38CrMoAl(mass fraction, %)

熔畢如果磷過高，可以適當扒渣并補造新渣；渣況、溫度適宜才可以進行氧化，吹氧氧化的溫度不限；要求熔池均勻活躍沸騰，氧氣壓力0.8～1.5 MPa，吹氧深度為鋼水面下200～300 mm，加礦石氧化時，每批礦石的加入量不應大于200 kg，氧化期脫碳量為0.40%，脫碳速度>0.01%min。如果發(fā)現(xiàn)有浮起的補爐料及電極塊等應及時扒出，以便去除雜質及防止增碳。當鋼水中碳、磷符合初煉鋼水要求時，可以扒出70%～90%的氧化渣；扒渣溫度大于1620℃。如果鋼水中的磷、碳符合初煉鋼水要求，溫度大于1630℃，可以從40 t電爐中出鋼，進行倒包操作，按1 kgt的加鋁量進行預脫氧。倒包時，嚴禁氧化物進入LF包中，避免精煉爐回磷。

2 40 t精煉爐操作

2.1 原材料的準備

含鋁鋼所需的合金及還原劑等要求烘烤良好，精煉鋼包需烘烤到900℃以上(包壁呈暗紅色)。

還原劑：鋁粉、碳粉。視鋼水中的硅含量，盡量少用或不用硅鈣粉等含硅還原劑。

造渣材料：石灰，要求干燥、塊度適中，將石灰中生燒、過燒及碳塊等篩選出去；螢石，需要選用優(yōu)質螢石，達到國家標準Ⅰ級或Ⅱ級標準。如果螢石中SiO2含量超標，則會影響鋼水中硅的含量，可能造成化學成分超標。例如：冶煉NAK80時，因為沒有控制螢石、石灰的加入量，造成鋼水中渣量過多，因鋼渣中含有大量SiO2，抽真空前Si為0.16%，加鋁抽真空后Si為0.54%，澆注時取樣Si為0.62%，致使此爐鋼全爐報廢。所以，選用優(yōu)質的螢石和控制加入量是重中之重。

2.2 精煉爐的操作

含鋁鋼在精煉爐冶煉過程中，最重要的是控制加鋁前鋼中的硅含量，控制精煉爐中硅含量的方法主要有：

(1)渣量的控制

精煉爐中渣量是鋼水重量的1%～1.5%，渣量控制在1%最佳，造渣材料選用低硅含量的造渣材料為宜。

(2)選用合適的還原劑

在精煉爐還原、合金化過程中，所用還原劑最好使用鋁粉、碳粉做還原劑，鋁粉用量3～5 kgt，碳粉用量1～2 kgt。

(3)選用合適的合金

在精煉爐合金化、微調合金過程中，適宜選用低硅合金，例如：低硅錳鐵和低硅鉻鐵。

綜合以上3點，基本上可以控制住鋼中硅含量。硅含量在加鋁抽真空前必須控制在0.07%～0.10%，以保證加鋁后硅含量不超標。其中，如果渣量偏大，加鋁前應適當降低鋼水中硅的控制量。

2.3 精煉爐加鋁過程的控制

當精煉爐鋼水中其它合金基本符合要求，溫度達到抽真空要求時，可以進行加鋁操作。

加鋁時，可以分為二批加入。第一批鋁塊加入后，無鋁焰冒出時，可以加入第二批鋁塊。第二批鋁塊加入15 min后，無鋁焰冒出、溫度合適(例如：NAK80的鋼熔點是1495℃，抽真空溫度是1640℃)，可以進行抽真空操作。如果加鋁后發(fā)現(xiàn)鋼液面上有渣蓋，可以適當給電打渣蓋，然后再進行抽真空操作。其中，加鋁后必須保證大于15 min的反應時間，否則，因為渣中還有部分鋁未熔化進鋼水中，造成抽真空時，鋁焰在真空管道繼續(xù)燃燒，損壞真空設備。

一般而言，為提高鋁的利用率，以選擇真空后加鋁為宜，但對鋼中的氣體含量影響很大，所以，為保證質量，公司選擇了真空前加鋁的方法。真空后加鋁的利用率為80%～90%，而真空前加鋁的利用率為70%～85%。

2.4 抽真空操作

抽真空過程中，應控制氬氣流量，緩慢進行抽真空，避免鋼包中鋼水劇烈反應，使真空蓋粘上，造成設備損壞。當真空度達到66.5 Pa時，保持15 min后方可破空。破空后，應在加熱工位停留8～10 min，進行清潔沸騰，有利于鋼水中的夾雜及爐渣上浮；在此過程中，可以取樣、分析，可以補加少量的合金，進行合金微調，使鋼水的成分、溫度符合出鋼條件。在此過程中，盡量避免給電提溫，造成鋁合金的燒損和鋼水吸氣。

3 澆注過程的控制

因為含鋁鋼中的鋁含量高，使鋼液變得很粘，澆注時很容易在鋼錠頭部產生點狀偏析，鋼錠表面由于鋁的氧化造成嚴重的翻皮，所以澆注時必須認真控制。

首先，在鋼錠錠身部位應大流快速澆注，避免鋼水吸氣造成氧化，在冒口部分應緩慢填充，細流澆注。冒口放置優(yōu)質保護渣及保溫劑，避免冒口產生縮孔和偏析。澆注時間可以比同錠型延長90 s。其次，鋼錠脫模后應及時退火，避免鋼錠產生裂紋。

4 總結

含鋁鋼因其含易氧化的金屬鋁，鋼中鋁與硅比較難控制，冶煉時必須控制好幾個技術要點，這便需要從以下幾個方面來改變以往的冶煉工藝：

(1)氧化期必須高溫良好沸騰，氣體和夾雜的去除要徹底；

(2)還原溫度須比平時高一些；

(3)脫氧一定要好，加鋁前嚴格控制鋼水中的硅含量；

(4)保證合適的渣量。渣量少會造成鋼水吸氣、氧化；渣量多會造成加鋁后回硅；

(5)澆注時應先快后慢，選用優(yōu)質的保護渣和保溫劑，更換為大口徑的水口磚；

在長期的摸索與實踐后，改進的冶煉工藝逐漸趨于完善，我公司生產的NAK80、38CrMoAl等含鋁鋼化學成分趨于穩(wěn)定，鋼錠質量問題有所減少，驗證了改進后的冶煉工藝的可靠性。