高強度懸架簧夾雜物控制研究

丁世磊，劉天強

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

彈簧鋼中的非金屬夾雜物的數量、尺寸及距離表面位置對彈簧鋼的疲勞壽命有著重要影響。距離表面位置對于內生夾雜來說，其控制難度非常大，目前尚無明顯有效的控制手段?？刂茒A雜物的數量、尺寸相對來說比較可行，數量上主要從潔凈度方面開展研究工作，尺寸上主要從塑性化方面開展研究，利于軋制變形細化尺寸是一重要方向。但如何實現大生產中穩定對夾雜物進行有效的控制，一直是彈簧鋼生產的行業難題。南鋼在前期批量穩定生產55SiCrA-M 的基礎上，為了開發高強度懸架簧54SiCr6，重點開展了一系列控制夾雜物夾雜物組成（塑性化）、數量方面的研究并采取了相應的對策，開發出2000MPa 級懸架簧產品，夾雜物控制水平滿足行業內高端用戶要求[1]。

1 鋼中夾雜物組成研究及控制

鋼中夾雜物不同的組成對夾雜物塑性化的影響有著顯著的影響，要實現夾雜物1400℃塑性化區間最大，需要對夾雜物組成進行研究與控制。

（1）在CaO-Al2O3-SiO2-MnO 四元系中：①圖1 所示，A12O3含量從0 變化到20%的過程中低熔點區域迅速增加，在20%變化到30%過程中低熔點區域略有下降；②如圖2 所示，隨著MnO含量的增加，低熔點區域面積比例一直增加，且含有MnO 的低熔點區域面積比例比不含MnO 的比例大；③如圖3 所示，隨著CaO 含量的增加，低熔點區域是先增加后減少，CaO 質量分數在25%左右時低熔點區域最大；④如圖4 所示，隨著SiO2含量增加，低熔點區域一直增加，說明增加SiO2含量有利于降低夾雜物熔點，同時在整個變化過程中，二元堿度比也相應地越來越小。

圖1 低于1400℃區域面積比例與Al2O3 含量的關

圖2 低于1400℃區域面積比例與MnO 含量的關系

圖3 低于1400℃區域面積比例與CaO 含量的關系

圖4 低于1400℃區域面積比例與SiO2 含量的關系

（2）在CaO-Al2O3-SiO2-MgO 四元系中：①如圖5 所示，MgO含量從0 變化超過25%以后低熔點區域迅速下降，10%～25%區間低熔點區域較大；②如圖6 所示，CaO 含量從0 變化到45%的過程中，低熔點區域呈直線增加，可見提高夾雜物CaO 含量有利于夾雜物低熔點化；③如圖7 所示，Al2O3含量從0 變化到20%的過程中，低熔點區域顯著增加，當CaO 含量為20%時達到最大，20%升高到25%過程中，低熔點區稍有下降，超過25%之后低熔點區域迅速下降；④如圖8 所示，SiO2含量從0 變化到30%對低熔點區域大小幾乎沒有影響。

表1 CaO-Al2O3-SiO2-MnO 和CaO-Al2O3-SiO2-MgO 四元系各組元最佳成分

圖5 低熔點區域所占面積隨MgO 含量的變化

圖6 低熔點區域所占面積隨CaO 含量的變化

圖7 低熔點區域所占面積隨Al2O3 含量的變化

圖8 低熔點區域所占面積隨SiO2 含量的變化

（3）結合CaO-Al2O3-SiO2-MnO 和CaO-Al2O3-SiO2-MgO 兩個四元系，最佳成分如表1 所匯總，欲控制夾雜物1400℃塑性化區間最大，期望夾雜物：CaO 含量20%～35%目標30%，SiO2含量越高越好，Al2O3含量15%～25%目標20%，MnO 含量越高越好，MgO 含量10%～25%目標15%。

實際控制中，結合各組份來源及其可能帶來的危害，制定夾雜物組成實際控制目標如下：CaO/SiO2目標0.9，Al2O3在CaOAl2O3-SiO2中目標占比20%，MgO 目標≤10%，MnO 目標10%。

2 精煉渣系對夾雜物影響及控制

俗話說“煉鋼先煉渣”，鋼中夾雜物的影響與精煉渣的控制關系重大，如何通過對精煉渣系的控制成為控制鋼中夾雜物的關鍵。

2.1 精煉渣中Al2O3 含量對夾雜物影響分析

鋼渣中的Al2O3會通過鋼渣反應向鋼液傳遞，渣中Al2O3的含量對夾雜物中Al2O3含量的影響。隨著渣中Al2O3含量的升高，夾雜物中的Al2O3含量呈現明顯的上升趨勢。因此如圖9 所示，如果要控制夾雜物中Al2O3成分不超過25%，則需將渣中Al2O3含量要控制在4%以下。

圖9 渣中Al2O3 含量對夾雜物中Al2O3 含量的影響

2.2 精煉渣堿度對夾雜物影響分析

提高爐渣堿度，可以增加渣中CaO 活度，從而促進了渣中CaO 與鋼液的反應，為保證夾雜物中含有一定量CaO，渣堿度不能控制過低。當堿度大于1.0 時，可明顯增加鋼中[Al]s，存在夾雜物中Al2O3含量升高的風險同時（見圖10），因此綜合考慮，爐渣堿度控制在0.9 左右最佳

圖10 堿度對鋼中[Al]s 含量的影響

2.3 預熔渣選型及終渣控制

渣堿度控制適宜后，關鍵在于控制夾雜物中Al2O3含量在15%～25%之間。在不采取特殊措施控制合金和耐材情況下，夾雜物成分控制問題往往表現為Al2O3高，即使進行專門控制也不能完全避免夾雜物中Al2O3升高，因此預熔渣中Al2O3含量一般越低越好，終渣一般控制在5%以下。渣中MnO 含量高能夠促進夾雜物中MnO 增加，但MnO 高不利于鋼水脫氧反應進行，造成夾雜物數量增加，因此將預熔渣中MnO 含量控制在0.5%以下，終渣一般控制在10%以下即可。渣中MgO 還會促進尖晶石夾雜的生成，終渣MgO 過高意謂著鋼包侵蝕嚴重，因此控制預熔渣中MgO 含量≤1%，終渣控制在5%～15%相對較好。

通過以上分析，為更好地實現終渣控制目標，選擇預熔渣 型 如 下：CaO/SiO2：0.9 ～1.2，Al2O3≤1%、MgO ≤1%，MnO ≤0.5%。終渣目標范圍CaO/SiO2值0.8 ～1.0，MgO 含量5%～15%，MnO ≤10%表2 為預熔渣及終渣設計和實際成份。

表4 非金屬夾雜物檢測數據

表2 精煉渣成分（質量分數）

3 降低夾雜物數量研究及控制

因為冶煉生產中，鋼水冶煉初期通常都是氧化反應，主要依靠氧化反應提供化學熱和去除一些有害元素，鋼水初期通常都是過氧化的，氧含量達到幾百甚至上千PPM，因此必須采用一些脫氧劑中進行脫氧處理，必然會在鋼液中帶來夾雜物。近些年來，眾多學者對煉鋼及冶金容器中夾雜物的去除進行了大量研究。歸納鋼水中出夾雜物的去除方式主要有以下幾種：①夾雜物上浮至鋼水頂部被渣層吸收：利用湍流的作用，夾雜物相互接觸、碰撞而聚合成大顆粒夾雜物，這對夾雜物的去除主要有兩方面的作用，一是碰撞后小顆粒夾雜減少，大顆粒夾雜物增多；二是碰撞聚合成大顆粒夾雜物，體積大、密度小，上浮速度增大，更易于從系統中去除。利用氣泡對夾雜物進行吸附，使夾雜物上浮去除。②夾雜物與耐火材料內襯表面及流動控制裝置固體表面相接觸，夾雜物易粘附于固體表面上，從而從系統中去除。③采用電磁裝置，利用電磁力的驅動對夾雜物的去除起到促進作用。在實際冶煉生產控制中，上述控制方法可在精煉后靜攪、中間包流場優化、中包容量增大和采用結晶器電磁攪拌中得到實現。

3.1 弱攪時間對夾雜物數量的影響

有研究表明：采用小流量吹氬操作，鋼中氬氣泡呈均勻細小分散的穩定氣泡流，小氣泡要俘獲夾雜物概率比大氣泡的高。因此，采用小流量吹氬，并且適當延長靜攪處理時間也去除夾雜，降低鋼水中全氧含量的手段之一。根據固相氧化物夾雜物的上浮速度相關的Stocks 定律，夾雜物的上浮速度為：

不同靜置時間可以去除的夾雜物尺寸如圖11 所示。

同時由于長時間靜攪易造成鋼液溫降過大、鋼包侵蝕加大、鋼包周轉等問題加大，一般處理將靜攪時間控制在60min 以內，轉爐廠目前最長靜攪時間要求為不小于30min。典型時間靜置可去除雜物尺寸如表3 所示。

表3 典型時間靜置可去除雜物尺寸

3.2 連鑄過程控制研究

（1）為保證連鑄過程夾雜物在鋼水中間包中有足夠的上浮時間，一般采用大容量中間包，目前眾多特殊鋼澆注時中間包容量大于40t，并輔助有加熱裝置。

（2）為了防止鋼水短流，在中間包增加一些控制流場的方法（如堰、壩等）。例如采用四流專用中間包進行澆注，改進鋼水流線方向，防止短路流產生，增加鋼液的停留時間。

（3）采用大斷面澆注，通常斷面越大拉速越低，以較低的拉速能增加夾雜物在結晶器內的上浮時間，達到去除夾雜的目的。

（4）采用結晶器電磁攪拌，提高低倍質量同時增加鋼液流動。

4 成品夾雜物實際水平

行業內高端用戶對原材料及淬回火鋼絲進行相關夾雜物檢測，夾雜物評級結果見表4；旋轉彎曲試驗后檢測夾雜物尺寸和距離表面位置，夾雜物尺寸19μm ～47μm，距離表面位置297μm ～796μm；檢驗結果均滿足該高端用戶要求。

5 結論

（1）實際控制中，高強度彈簧夾雜物組成實際控制目標如下：CaO/SiO2目 標0.9，Al2O3在CaO-Al2O3-SiO2中目標占比20%，MgO 目標≤10%，MnO 目標10%。

（2）為更好地實現終渣控制目標，選擇預熔渣型如下：CaO/SiO2：0.9 ～1.2，Al2O3≤1%、MgO ≤1%，MnO ≤0.5%。終 渣 目 標 范 圍CaO/SiO2值0.8 ～1.0，MgO 含 量5% ～15%，MnO ≤10%。

（3）將靜攪時間控制在30min ～60min；采用33t 大容量中間包；采用大斷面澆注，以較低拉速增加結晶器內夾雜物上浮時間；采用結晶器電磁攪拌，提高低倍質量同時增加鋼液流動。

（4）按照上述方法控制，成品夾雜物尺寸19μm ～47μm，距離表面位置297μm ～796μm，夾雜物組成處于1400℃塑性化區間，檢驗結果均滿足該高端用戶要求。