齒輪鋼鈣處理工藝研究與實(shí)踐

王 媛

（河鋼集團(tuán)宣化鋼鐵公司，河北 075100）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車、機(jī)械制造行業(yè)的高速發(fā)展，齒輪用鋼需求大幅提升，齒輪作為傳遞機(jī)械動(dòng)力的主要零部件，受著沖擊力、摩擦力等反復(fù)作用，導(dǎo)致其產(chǎn)生接觸性損壞[1，2]。鋼中夾雜物與這種損壞緊密相關(guān)，因此保證鋼水潔凈是提高齒輪鋼質(zhì)量的重要措施[3-5]。河鋼集團(tuán)宣鋼公司主要以生產(chǎn)軸承鋼、齒輪鋼等品種鋼為主，該鋼種對(duì)鋼水潔凈度要求很高。而LF 精煉中進(jìn)行鋼水鈣處理是提高鋼材純凈度和可澆性的重要措施。鈣處理工藝可以使鋼中殘留的A12O3夾雜變性為液態(tài)鋁酸鈣，有利于夾雜物聚集和去除，提高鋼水潔凈度，同時(shí)可有效防止絮流及水口堵塞，改善鋼水可澆性。

本文以宣鋼20CrMnTi 齒輪鋼鈣處理工藝為研究對(duì)象，將Factsage 熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究影響鈣處理過(guò)程的主要因素，確定在實(shí)際工況下合理的添加鈣范圍，為企業(yè)的生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

宣鋼20CrMnTi 齒輪鋼的生產(chǎn)工藝流程為180t轉(zhuǎn)爐→LF精煉→連鑄。本實(shí)驗(yàn)在LF精煉后期采用鈣處理工藝，將鋼液中高熔點(diǎn)類夾雜物變性為液態(tài)鋁酸鈣，改變夾雜物性質(zhì)。由于宣鋼20CrMnTi 齒輪鋼中[S]含量能夠穩(wěn)定控制在40～50ppm，本此實(shí)驗(yàn)暫不考慮硫元素影響。

研究齒輪鋼精煉過(guò)程夾雜物的形成和轉(zhuǎn)變，首先使用Factsage7.1 熱力學(xué)軟件，計(jì)算在平衡模塊下鋼液中總[O]含量、[Al]含量、溫度對(duì)齒輪鋼鈣處理過(guò)程的影響，合理控制液態(tài)復(fù)合Al2O3夾雜物“液態(tài)窗口”范圍，確定在不同的條件下合理的鈣線喂入量。20CrMnTi齒輪鋼精煉過(guò)程煉鋼溫度大約為1600℃，故模型計(jì)算溫度選擇1600℃。

2 精煉過(guò)程研究試驗(yàn)

2.1 總[O]含量對(duì)鈣處理過(guò)程的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)精煉工序?qū)嶋H鋼中[O]控制情況，選擇在鋼中[S]含量50ppm、[Al]含量180ppm 時(shí)，分別計(jì)算[O]含量為9ppm、15ppm、20ppm 三個(gè)梯度下鈣處理過(guò)程中夾雜物隨著鈣含量的變化情況。不同氧含量下鈣變化趨勢(shì)及夾雜物液態(tài)區(qū)間如表1所示。

表1 不同氧含量下鈣變化趨勢(shì)及夾雜物液態(tài)區(qū)間

圖1 為不同氧含量條件下夾雜物成分隨鈣含量變化趨勢(shì)。從圖1（a）中可以看出：當(dāng)總[O]含量為9ppm 時(shí)，隨著鈣含量的增加，夾雜物的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)為A12O3→CaO·6 Al2O3→Liquid inclusions→CaS；當(dāng)[Ca]＞4ppm時(shí)，夾雜物開始全部為液態(tài)；[Ca]＞12 ppm時(shí)，開始產(chǎn)生CaS，液態(tài)夾雜物含量降低?！耙簯B(tài)窗口”區(qū)間為4～12ppm。從圖1（b）中看出：當(dāng)總[O]含量為15ppm 時(shí)，隨著鈣含量的增加夾雜物的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)為Al2O3→CaO·6A12O3→CaO·2A12O3→Liquid inclusions→CaS；[Ca]＞8ppm 時(shí)夾雜物開始全部為液態(tài)；當(dāng)[Ca]＞18ppm時(shí)開始產(chǎn)生CaS，液態(tài)夾雜物含量小幅度降低?！耙簯B(tài)窗口”區(qū)間為8～18ppm。從圖1（c）中看出：當(dāng)氧含量為20ppm 時(shí)，隨著鈣含量的增加，夾雜物的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)與氧含量為15ppm 時(shí)一致；[Ca]＞14ppm 時(shí)，夾雜物全部變?yōu)橐簯B(tài)；[Ca]＞32ppm時(shí)，開始產(chǎn)生CaS 并逐漸增加；在[Ca]＜50ppm 的范圍內(nèi)，無(wú)高熔點(diǎn)CaO 開始生成?！耙簯B(tài)窗口”區(qū)間為14～32ppm。

由圖1 對(duì)比可以看出，當(dāng)[O]含量為15ppm 和20ppm 時(shí)，夾雜物變化趨勢(shì)和[O]含量為9ppm 時(shí)接近，最終夾雜物為液態(tài)鈣鋁酸鹽和CaS。氧含量越高，在同等鈣含量下液態(tài)夾雜物的數(shù)量越多。隨著[O]含量的增加，生成高熔點(diǎn)CaS 所需的最低[Ca]含量越來(lái)越高，液態(tài)夾雜物的含量越來(lái)越多。當(dāng)[O]含量為9ppm、15ppm 和20ppm 時(shí)，在[Ca]含量小 于50ppm 的范圍內(nèi)看不到高熔點(diǎn)CaO 生成。當(dāng)[O]含量為9ppm 時(shí)，夾雜物“液態(tài)窗口”為4～12ppm；當(dāng)[O]含量為15ppm 時(shí)，夾雜物“液態(tài)窗口”為8～18ppm；當(dāng)[O]含量為20ppm 時(shí)，夾雜物“液態(tài)窗口”為14～32ppm。

圖1 不同氧含量條件下夾雜物成分隨鈣含量變化

圖2 為夾雜物“液態(tài)窗口”隨全氧含量變化情況。由圖2 可知，隨著[O]含量的增加，“液態(tài)窗口”下限范圍上升，上限范圍上升，控制范圍越來(lái)越寬，但此時(shí)夾雜物也會(huì)越來(lái)越多。

圖2 夾雜物“液態(tài)窗口”隨全氧含量變化

2.2 鋁含量對(duì)鈣處理過(guò)程的影響

結(jié)合實(shí)際鋼中[Al]含量控制情況，選擇在鋼中[S]含量為50ppm、總[O]含量為15ppm 時(shí)，當(dāng)[Al]含量分別為130ppm、180ppm、300ppm、500ppm 四個(gè)梯度下，夾雜物隨著[Ca]含量的變化情況。不同[Al]含量下[Ca]變化趨勢(shì)及夾雜物液態(tài)區(qū)間見表2。

表2 不同[Al]含量下[Ca]變化趨勢(shì)及夾雜物液態(tài)區(qū)間

圖3 為不同[Al]含量條件下夾雜物成分隨[Ca]含量變化。從圖3（a）可以看出：當(dāng)[Al]含量為130ppm 時(shí)，隨著[Ca]含量的增加，夾雜物的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)為Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→Liquid inclusions→CaS；當(dāng)[Ca]＞6ppm 時(shí)夾雜物全部為液態(tài)；[Ca]＞20ppm 時(shí)開 始 產(chǎn)生CaS 并逐漸 增 加，“液態(tài) 窗口”為6～20ppm；[Ca]＞48ppm 時(shí)，液態(tài)夾雜物消失，夾雜物全部為CaS-CaO。從圖3（b）中看出：當(dāng)[Al]含量為180ppm 時(shí)，隨著[Ca]含量的增加，夾雜物的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)同[Al]含量130ppm 變化一致；當(dāng)[Ca]＞8ppm 時(shí)夾雜物開始全部為液態(tài)；當(dāng)[Ca]＞18ppm 時(shí)開始產(chǎn)生CaS 并逐漸增加，液態(tài)夾雜物含量小幅度降低，“液態(tài)窗口”為8～18ppm。從圖3（c）、（d）中看出：[Al]含量為300ppm、500ppm時(shí)，夾雜物變化趨勢(shì)和[Al]含量130ppm 時(shí)接近，區(qū)別為生成CaS 所需的[Ca]含量越來(lái)越低。

圖3 不同[Al]含量條件下夾雜物成分隨[Ca]含量變化

隨著[Al]含量的增加，生成高熔點(diǎn)CaS 所需的最低[Ca]含量越來(lái)越高，在[Ca]＜50ppm 的范圍內(nèi)看不到高熔點(diǎn)的CaO 生成。[Al]含量為130ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～20ppm；[Al]含量為180ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～18 ppm；[Al]含量為300ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～16ppm；[Al]含量為500ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～14ppm。

浮筒，主要為浮盤提供浮力。浮筒鑲嵌于浮盤的鋼梁上，對(duì)浮盤形成足夠的浮力來(lái)達(dá)到覆蓋油面，并隨液位變化自由運(yùn)動(dòng)。

圖4 為夾雜物“液態(tài)窗口”隨[Al]含量的變化情況。由圖4 可知隨著[Al]含量的增加，“液態(tài)窗口”范圍區(qū)間變小。

圖4 夾雜物“液態(tài)窗口”隨[Al]含量的變化情況

2.3 溫度對(duì)鈣處理過(guò)程的影響

溫度的高低對(duì)鈣處理影響較大，研究[O]含量為15ppm，[S]含量在50ppm 以及[Al]含量在180ppm 時(shí)不同溫度下夾雜物隨[Ca]含量變化情況，見圖5。

由圖5（a）可以看出：溫度在1550℃時(shí)，當(dāng)[Ca]＞10ppm 時(shí)，夾雜物開始全部為液態(tài)；[Ca]＞14ppm 時(shí)開始產(chǎn)生CaS 并逐漸增加，液態(tài)夾雜物含量變化趨勢(shì)不大，“液態(tài)窗口”為10～14ppm。由圖5（b）、（c）看出，溫度在1600℃和1650℃時(shí)，夾雜物隨[Ca]含量變化趨勢(shì)與溫度為1550℃時(shí)變化趨勢(shì)類似；溫度在1600℃時(shí)，當(dāng)[Ca]＞8ppm 時(shí)，夾雜物開始全部為液態(tài)；[Ca]＞18ppm 時(shí)，開始產(chǎn)生CaS，液態(tài)夾雜物含量小幅度降低，“液態(tài)窗口”為8～18ppm；溫度在1650℃時(shí)，當(dāng)[Ca]＞6ppm 時(shí)，夾雜物開始全部為液態(tài)；[Ca]＞26ppm 時(shí)，開始產(chǎn)生CaS，液態(tài)夾雜物含量變化趨勢(shì)逐漸降低，“液態(tài)窗口”為6～26 ppm。

圖5 不同溫度下夾雜物隨[Ca]含量變化

圖6 為夾雜物“液態(tài)窗口”隨溫度的變化情況。由圖6 可以看出：隨著溫度的增加，生成高熔點(diǎn)CaS所需的最低[Ca]含量越來(lái)越高，液態(tài)夾雜物的含量越來(lái)越多。表3 為溫度對(duì)夾雜物“液態(tài)窗口”的影響情況，由表3 可以看出見，“液態(tài)窗口”下限范圍下降，上限范圍上升，控制范圍越來(lái)越寬。

圖6 夾雜物“液態(tài)窗口”隨溫度的變化情況

表3 溫度對(duì)夾雜物“液態(tài)窗口”的影響

3 結(jié)語(yǔ)

本文以河鋼宣鋼公司生產(chǎn)的齒輪鋼鈣處理工藝為例，對(duì)影響鈣處理工藝效果的因素進(jìn)行了研究，確定了在不同[O]含量、[Al]含量、溫度等條件下合理的鈣添加范圍，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用，有效控制了鋼中高熔點(diǎn)夾雜物生成，提高了鋼水的純凈度，對(duì)生產(chǎn)具有重大指導(dǎo)意義。

（1）隨著鋼中[O]含量的增加，夾雜物“液態(tài)窗口”下限范圍上升，上限范圍上升，控制范圍越來(lái)越寬。當(dāng)[O]含量為9ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為4～12ppm；當(dāng)[O]含量為15ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為8～18ppm；當(dāng)[O]含量為20ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為14～32ppm。

（2）隨著鋼中[Al]含量的增加，夾雜物“液態(tài)窗口”范圍區(qū)間變小。當(dāng)[Al]含量為130ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～20ppm；[Al]含量為180ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～18ppm；[Al]含量為300ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～16ppm；[Al]含量為500ppm 時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～14ppm。

（3）隨著溫度的增加，夾雜物“液態(tài)窗口”下限范圍下降，上限范圍上升，控制范圍越來(lái)越寬。當(dāng)溫度在1550℃時(shí)，“液態(tài)窗口”為10～14ppm；溫度在1600℃時(shí)，“液態(tài)窗口”為8～18ppm；溫度在1650℃時(shí)，“液態(tài)窗口”為6～26ppm。

（4）將鋼中總[O]含量、[Al]含量、溫度等因素對(duì)鈣處理過(guò)程影響的研究結(jié)果應(yīng)用于齒輪鋼鈣處理生產(chǎn)實(shí)踐，結(jié)果顯示連鑄澆注過(guò)程中鋼水絮流現(xiàn)象消失，終端客戶反饋質(zhì)量提升效果顯著。