齒輪鋼冶煉過程純凈度分析

李玉德，張相春，趙同濤，徐向陽，馬勇

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

齒輪鋼主要應用于汽車、工程機械等機械制造業的傳動部件。高質量的齒輪鋼不但要有良好的強韌性、耐磨性，能很好地承受沖擊、彎曲和接觸應力，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量的重要缺陷。氧含量對齒輪鋼的疲勞壽命影響很大，普遍認為，當氧含量從0.002 5%降到0.001 1%時，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程中產生的應力集中導致微孔的形成、長大和聚集，最后會導致穿晶斷裂［2-3］。鞍鋼生產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，但小顆粒夾雜數量較多，需要改善齒輪鋼生產工藝。因此，取樣分析了齒輪鋼冶煉過程中夾雜物和氧、氮含量，確定各工位氧、氮含量的變化、夾雜物的來源和成分變化，以便改進工藝，生產出高質量的齒輪鋼。

1 試驗對象及方法

1.1 試驗對象

齒輪鋼冶煉工藝路線為：鐵水預處理→轉爐煉鋼→LF爐處理→RH爐精煉→方坯連鑄。齒輪鋼的標準化學成分要求如表1所示。

1.2 試驗方法

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取樣。轉爐出鋼采用出鋼前加軟質擋渣，出鋼后期采用擋渣標擋渣出鋼。出鋼結束后到氬站進行喂線處理，然后凈吹氬3 min后取樣。鋼水進電爐先取樣后造渣，吹氬攪拌第一次升溫后取電爐第二個樣，第二次升溫后取電爐第三個樣，喂線后取電爐第四個樣。進真空取真空進站樣和真空搬出樣，連鑄上機澆注50 t后取中包樣。取樣工位和時機如表2所示。

1.2.2 試樣制備和試驗方法

鋼樣經磨樣機研磨后，送化驗室化驗成分，然后經線切割制樣，一部分進行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，選擇連續的16個視場，用圖像分析軟件統計夾雜物數量分布、夾雜物面積、大小等數據。然后在掃描電子顯微鏡下對夾雜物進行定性研究，確定夾雜物的成分。

圖1 鋼水取樣工具

表2 現場取樣工位和時機

2 試驗結果及分析

2.1 氧、氮含量結果及分析

2.1.1 氧含量

各工位鋼水T［O］含量的變化情況見圖2。

圖2 鋼水T［O］含量的變化情況

分析圖2認為：

（1）轉爐終點氧值是鋼水中氧含量的來源，是影響精煉過程脫氧制度及最終氧含量的重要參數。出鋼過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，避免鋼液過氧化的同時，建立出鋼氧與加鋁鈣鐵量的關系，保證出鋼過程脫氧良好，減輕精煉負擔。由圖2看出，隨著冶煉的進行，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，越有利于擴散脫氧。進入精煉后氧含量明顯降低。在LF精煉前期，氧含量降低較快，隨著精煉的進行，氧含量降低較慢。1#、2#試樣的鋼水由出鋼經過LF爐、RH爐到連鑄后，總氧含量分別降低了0.014 4%、0.008 8%。

（3）精煉過程中氧含量波動，說明有吸氧情況的發生。

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認為：

（1）精煉過程中，N含量波動很大，但總體呈上升趨勢。

（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象。

2.2 夾雜物定量結果及分析

采用圖像分析儀將各工位鋼樣放大200倍后分析，夾雜物數量和尺寸分布結果如表3、4所示。由表3、4看出，隨著精煉的進行，夾雜物數量逐漸減少,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 各工位夾雜物數量分布測試結果 個/mm2

表4 各工位夾雜物尺寸分布測試結果 %

2.3 夾雜物形貌、成分結果及分析

鋼水由鋼包經過LF爐、RH爐精煉到連鑄過程中，夾雜物的性質和形狀發生了一定的變化。鋼包、LF爐、RH爐以及連鑄中間包的夾雜物形貌見圖4，成分見表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夾雜物，小尺寸的尖角狀夾雜物較多。

經過LF的精煉及Ca處理，夾雜物的形貌和成分都發生了很大的變化。樣品存在一些大尺寸夾雜物，小尺寸的球狀夾雜物較多，個別存在尖角狀夾雜物；很少看見單一的Al2O3夾雜。由表5中可以看出，鋼中出現了硅鋁酸鈣復合夾雜。

經過RH處理的鋼水中出現Al2O3夾雜物，其尺寸通常較小。連鑄過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，鋼水由鋼包經過LF爐、RH爐精煉到連鑄過程中，夾雜物由最初的SiO2、Al2O3夾雜逐漸轉變為球狀的鋁酸鈣夾雜；從形狀看，夾雜物由不規則形狀逐漸轉化為球狀夾雜物；從數量看，夾雜物由大顆粒夾雜轉變為數量更多的小顆粒夾雜。整個工序大顆粒夾雜物出現的幾率很少，最后在連鑄過程中鋼水沒有大顆粒夾雜物的出現，但在連鑄工序上，夾雜物有上升的趨勢，連鑄應加強保護澆鑄措施。

因此，應重點改進LF精煉工藝，優化LF脫氧工藝、造渣工藝、吹氬攪拌工藝，以提高精煉過程鋼水的純凈度。

3 結論

通過對齒輪鋼冶煉過程中的LF精煉、RH精煉和連鑄過程取樣，分析鋼水氧、氮含量，在實驗室應用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對所取的鋼樣進行夾雜物分析，結果認為：

（1）降低轉爐出鋼氧值，加強轉爐出鋼過程中的脫氧強度，有利于從源頭上降低鋼水中氧含量，減少夾雜物的數量。精煉過程氧含量仍偏高，需要進一步優化工藝，降低氧含量，促進夾雜物上浮，同時做好保護澆鑄，避免鋼水二次氧化；

（2）隨著精煉的進行，各工序鋼水中的氮含量波動較大，而且在LF精煉過程中存在一定的增氮現象，需加強對鋼水的保護措施；

（3）鋼水由鋼包經過LF爐、RH爐精煉到連鑄過程中，夾雜物的數量、性質和形狀發生了一定的變化，說明精煉過程對夾雜物的處理有良好的效果，但需加強中間包的保護澆鑄，防止鋼水因吸氣而被氧化。