轉爐生產20CrMnTiH鋼全氧含量的控制

謝興軍

（山鋼股份萊蕪分公司特鋼事業部，山東 濟南271104）

齒輪鋼的發展趨勢要向高純凈度和高使用壽命的方向發展，其中鋼中全氧含量是反映鋼材純凈度的重要指標［1］。為降低20CrMnTiH鋼的全氧含量，某廠采取了轉爐高拉碳、鋁脫氧工藝、精煉渣洗工藝、鈣處理工藝、弱攪拌工藝、連鑄全保護澆注工藝，實現鋼中全氧含量≤15×10-6。

1 全氧含量影響因素分析

20CrMnTiH鋼生產工藝流程為：120 t頂底復吹轉爐→90 t LF精煉爐→180 mm×220 mm、260 mm×300 mm方坯連鑄機。

全氧含量影響因素分析。鋼中氧主要以夾雜物形式存在，主要來源有脫氧產物、二次氧化產物和外來夾雜物。影響氧含量的因素主要有：1）轉爐過氧化程度影響鋼水中的總氧含量。2）鋁脫氧工藝的酸溶鋁含量，通過高Als氧平衡關系影響鋼中的游離氧含量來保證低氧。3）精煉渣的影響。為達到控制全氧含量的目的，精煉渣系的選擇是其中最重要的內容之一。以CaO-SiO2-Al2O3渣系為主，要控制在其三元相圖的低熔點區。4）鋼包軟吹效果，影響夾雜物的上浮與去除。5）鈣化處理脫氧產物，影響夾雜物的變性，從而影響夾雜物的吸附與去除。6）連鑄保護澆注狀況，影響鋼水的二次氧化程度。必須全流程、全系統控制，才能降低全氧含量［2］。

2 生產實踐與試驗分析

單渣法高碳出鋼，提高脫磷率的關鍵在于加快前期化渣速度，保持渣中高的（FeO）含量，杜絕過程“返干”。同時維持平穩的碳氧反應速率，避免過程噴濺。前期提高成渣速度，高效脫磷；中期平穩快速脫碳，保持渣中全鐵含量；后期“上下調槍”調渣，避免爐渣返干。

2.2 優化鋁脫氧工藝

在脫氧合金化階段，除加入Al外，還加入Si、Mn等合金元素，各種合金元素與氧反應，生成相應化合物。相關的反應式如下：

在溫度T為1 873 K時，上述反應都將正向進行。在鋼水中一并加入的脫氧劑、合金元素中，Al元素先與氧結合形成Al2O3。同期加入較多Si、Mn合金時，可能有部分SiO2、MnO化合物出現，但在過量Al條件下，產物將被Al還原，最終生成Al2O3夾雜物。根據轉爐終點碳情況，一次性足夠加入鋁脫氧劑，避免后期補加形成細顆粒夾雜物難以去除。

為試驗合適的脫氧劑加入量，開展工藝試驗與檢測，轉爐終點碳與終點氧曲線圖見圖1，脫氧劑加入量與進精煉Alt曲線見圖2。

圖1 轉爐終點碳與終點定氧曲線

在采用全鋁脫氧工藝的情況下，脫氧產物主要是Al2O3，在脫氧完畢后，剩余的鋁才能以Als的形式存在于鋼中。用鋁進行完全脫氧，鋼液中的Als達到0.03%～0.05%時，鋼液脫氧完全。

2.3 LF精煉工序夾雜物控制

2.3.1 精煉工藝試驗

基于2SFCA的養老服務設施可達性分級結果如圖4所示，步行、公交和私家車3種交通方式下分別有55個、6個、3個街道超出30 min可達范圍閾值.

圖2 鋁脫氧劑加入量與進精煉Alt曲線

LF渣系主要成分是CaO－Al2O3－SiO2三元系。取樣對比鋼種Alt與鋼中游離氧含量變化規律見圖3、圖4。保持鋼中一定的A1s含量，可以使鋼中的氧進一步降低并防止在澆注過程中吸氧造成鋼液二次氧化。當 A1s≥0.02% 時，T［O］≤20×10-6；當A1s＜O.020%時，T［O］明顯增加。將Alt減去Als作為Al夾雜物來分析，如圖5所示。

圖3 鋼水中Alt含量變化

圖4 鋼水中Als含量變化

圖5 鋼水中Al夾雜物含量變化

綜合以上Alt、Als、Al夾雜物分析，從進站到出站，Alt、Als減少，而Al夾雜物未明顯增加，說明有夾雜物從鋼水中去除進入爐渣中，檢測爐渣中Al2O3含量，分析結果如圖6所示。可以看出精煉渣中Al2O3在LF進站時為5.0%，但在攪拌5 min后，迅速上升至19.8%，說明在進站氬氣攪拌后，有大量的Al2O3進入爐渣中。在白渣保持時間段，穩定在20%左右，終點結束時為22.0%。

圖6 精煉爐渣中Al2O3含量變化

全氧含量變化趨勢如圖7所示。全氧含量同樣的在進站5 min后，迅速降低，并在白渣保持階段進入20×10-6以內，并保持至終點時14.8×10-6。說明夾雜物在早期的大顆粒狀態下上浮去除效率更高，同時后期進一步降低難度大。

圖7 全氧含量變化趨勢

2.3.2 精煉工藝優化

1）采用預熔精煉渣吸附夾雜物。結合試驗結果，說明需要在前期重點創造良好的爐渣條件，來充分吸附夾雜物。轉爐鋁脫氧的產物主要為簇狀夾雜物，隨著鋼水攪拌逐漸上浮到達鋼-渣界面后，需要及時被爐渣吸附［3］。根據SiO2-CaO-Al2O3三元相圖，兼顧爐渣吸附夾雜物的熱力學和動力學條件，以高Al2O3含量來降低爐渣熔點，保留高堿度特性，并提前爐渣形成時期，具體成分見表1。

表1 精煉預熔渣主要成分 %

2）脫氧產物鈣化處理。鋁脫氧產物后的鋼液中最終會有一些細小的Al2O3夾雜物很難去除。為了克服這些缺陷，鋁脫氧后的鋼水需用鈣進行夾雜物變性處理［4］。鈣處理通常分為兩步：第一步鈣進入鋼液，鋼液中的氧氣向鈣氣泡中擴散，脫氧；第二步是Ca與Al2O3反應。隨著鈣的擴散，Al2O3顆粒表面Ca含量升高。當超過25%時，出現液態或全部液態鈣鋁酸鹽。反應式分為兩步：

采用喂鈣線處理的方法可生成12CaO·7Al2O3、CaO·Al2O3等低熔點夾雜物，但同時會生成許多高熔點夾雜物（CaO·7Al2O3，CaO·2Al2O3）和少量大尺寸的CaO-Al2O3系夾雜物。采用高Al2O3含量、高堿度的精煉渣來控制鋼液成分，可促使夾雜物低熔點轉變和吸附，最終促進生成液態的12CaO·7Al2O3，有利于液滴化上浮去除和避免連鑄絮流。

3）如果用鋁進行完全脫氧，鋼液中的Als達到0.03%～0.05%時，鋼液脫氧完全，這時溶解氧幾乎全部變成Al2O3，夾雜物的去除成為鋼液脫氧的瓶頸問題。特別是形成的細小夾雜物的上浮去除，對于降低齒輪鋼全氧含量至關重要。結合現場條件，確定最佳軟吹流量為20 NL/min，最佳軟吹時間12 min。

2.4 連鑄保護澆注

2.4.1 采用高堿度中間包堿性覆蓋劑

澆鑄鋁鎮靜鋼時，中間包覆蓋劑中含有SiO2在鋼/渣界面發生［Al］＋（SiO2）→（Al2O3）＋［Si］反應，使鋼水中T［O］增加，渣中（SiO2）是有效的氧源，渣中（SiO2）含量應盡可能低。中間包堿性覆蓋劑的堿度越高，渣中FeO、SiO2活度系數越低，越能減少渣對鋼水二次氧化的污染，同時高堿度堿性覆蓋劑吸附鋼水中夾雜能力強。但堿度高的覆蓋劑往往造成中間包結殼嚴重。

采用CaO-SiO2-MgO作為基本渣系，因該渣系恰好有在中間包鋼水溫度下呈液態渣的成分范圍，而且SiO2活性最小。具體成分見表2。

表2 連鑄中間包覆蓋劑主要成分

2.4.2 連鑄全保護澆注工藝

以鋼包長水口保護、水口碗氬氣密封保護、中間包浸入式水口保護、結晶器保護渣保護等全保護澆注工藝，控制連鑄工序增氮量≤4×10-6，進而減少連鑄二次氧化，降低鋼中全氧含量。

3 實施效果

綜合采取以上措施后，檢測了5爐的出站LF全氧含量和鑄坯全氧含量，結果見表3。

表3 出站LF和成材氣體含量 10-6

4 結論

4.1 通過轉爐高拉碳和強脫氧工藝，減少夾雜物總量和促進早期夾雜物長大去除。

4.2 通過控制Als為0.02%～0.04%，采用堿性精煉渣，鋼中氧含量低于15×10-6，大量Al2O3吸附進入爐渣。

4.3 連鑄工序采取堿性覆蓋劑和全保護澆注，有利于去除夾雜物。