38CrMoAl鋼中硅穩定控制工藝的研究

包石磊，白澈力格爾，劉曉軍，牟貝成，許明杰

（1．天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津 300352；2.鋼鐵研究總院華東分院江蘇 223000）

0 引言

38CrMoAl鋼是GB/T 3077《合金結構鋼》中專用于氮化處理鋼，屬于中碳高鋁合金結構鋼，鋼中標準Al含量達到0.70～1.10%。該鋼種在滲氮處理過程中，在鑄件表面形成氮化鋁（AlN）層，起到彌散強化作用，從而提高表面硬度、耐磨性及疲勞強度，并具有良好的耐熱性、耐腐蝕性以及尺寸精度較高等特點。因此，該鋼種主要應用于特殊用途的零部件，如：齒輪、氣缸套、高壓閥門、蝸桿以及磨床主軸等。

由于38CrMoAl鋼種Al含量較高，冶煉和澆注過程出現鋼液異常回硅現象，甚至超標準現象。因此，在保證該鋼穩定澆注的同時，如何控制成品鋼中硅含量也是該鋼種穩定生產的一個技術難點。本文闡述了該鋼種的生產工藝流程及成分組成，分析了出現鋼液異常回硅現象的原因，提出了控制鋼中硅含量的工藝操作要點，并對生產試煉實踐情況進行了分析。生產實踐表明，通過控硅操作要點的貫徹實施，可以實現38CrMoAl鋼轉爐連鑄工藝鋼中最終硅含量穩定控制在標準范圍內。

1 38CrMoAl鋼生產工藝流程及控制成分

鑒于該鋼種Al含量高的特有特性，經查閱相關資料和借鑒其他鋼廠生產實際經驗[1,2]，在綜合考慮各項技術難點情況下，確定了38CrMoAl生產工藝流程和控制成分。生產工藝流程：120噸頂底復吹轉爐→LF精煉爐→RH精煉爐→六機六流連鑄機。鋼水成分控制如表1所示。

表1 38CrMo Al鋼內控成分控制表

2 38CrMoAl鋼生產工藝難點及回硅原因分析

2.1 生產工藝難點分析

由于該鋼種屬于中碳高鋁合金結構鋼，鋼中的Al含量比普碳鋼高出30～50倍，過高的Al極易把爐渣和過程接觸物料中SiO2的氧奪去，形成Al2O3夾雜二次污染鋼水的同時，鋼水回硅現象較嚴重。如果在冶煉和澆注過程中操作控制不當，可能導致鋼水中Si含量超標而判廢。

2.2 回硅原因分析

根據氧與其他元素親和力排序，Al的與氧的親和力遠大于Si，因此當鋼水中Al的含量達到或超過鋁氧平衡狀態時，爐渣中SiO2的氧極易被鋁奪去，導致鋼水回硅現象[3]。其熱力學反應試為：

4[Al]+3（SiO2）=2（Al2O3）+3[Si]

ΔG0=-720680+133T J·mol-1

3 控制鋼中硅含量的工藝操作要點

為穩定控制鋼中硅含量，首先要從冶煉工藝和原材物料方面控制鋼中硅的來源，從根本上是降低后期鋼水回硅現象發生的可能。為此制定了相應的控制鋼中硅含量的工藝措施。

3.1 嚴格控制原輔料以及合金中的Si元素含量

在生產過程中原輔料和合金中的Si元素或化合物是渣中SiO2組元來源的主要途徑。在高鋁鋼生產過程中，爐渣中的SiO2組元極易被Al還原成鋼中Si含量，導致鋼中硅難以控制。因此對各工序原輔料要求如下：

化渣劑：轉爐吹煉過程中使用礦石作為化渣劑，不得使用含Si量高的鐵礬土等材料。

合金：對現場使用合金的硅元素進行隨機抽查，采用檢測結果中Si元素較穩定的金屬錳和高碳鉻鐵作為生產合金。這是因為在隨機抽取的合金試樣檢驗中，高碳錳鐵中Si含量不穩定，有時含量比較高，而金屬錳中Si含量比較低，為了保證第一次生產成功，在冶煉本鋼種時使用金屬錳；高碳鉻鐵的Si含量比較高，但由于噸鋼加入的量比較少，Si對鋼水成分影響比較小，為了降低成本，第一次生產采用高碳鉻鐵。

脫氧劑：使用2～3 kg/t電石作為脫氧劑，嚴禁使用鋼水促凈劑等含Si材料；加入3 kg/t左右的鋁餅脫氧，確保到LF爐[Al]≥0.015%。

精煉渣：LF爐使用5～6kg/t石灰，6～7 kg/t預熔精煉渣作為精煉渣，加入數量可以根據LF精煉爐的化渣情況調整，嚴禁加入含Si量高的普通螢石等材料。

3.2 嚴格控制鋼包渣中的SiO2含量

由于轉爐吹煉結束后，爐渣中的SiO2含量在15%左右。通過理論計算，轉爐出鋼過程中每下渣100 kg時，消耗9 kg鋁的同時回硅量為0.007%。因此轉爐渣對高鋁鋼冶煉過程中回硅現象的影響較大。

（1）減少鐵水帶入渣量。調整生鐵和鐵水的配比，鐵水在入爐前必須進行扒渣。

（2）轉爐采用雙渣操作。轉爐吹煉前期采用雙渣操作，將爐內含SiO2較高的爐渣倒掉一半以上，再重新造渣冶煉。

（3）轉爐采用擋渣出鋼。要保證轉爐出鋼過程擋渣的效果，減少出鋼過程中下渣量；必須在轉爐出鋼口使用前期冶煉本鋼種，以保證出鋼擋渣效果，減少下渣量。

綜上所述，由于轉爐采用雙渣操作和擋渣出鋼，出鋼過程加入含Si少的原輔材料以及采用留渣操作等措施，在精煉末期加入鋁錠之前，全部按照常規操作，此時鋼包渣中SiO2含量控制在5～6%。

3.3 精煉過程調Al時機的選擇

38CrMoAl鋼鋁含量控制范圍為0.80%～1.00%，調鋁時機的選擇直接決定著鋼渣混合層中發生回硅反應的起始點。

（1）在轉爐出鋼過程加入鋁錠，在鋼包中鋼水以沉淀脫氧為主，減少出鋼過程回硅量。

（2）在LF精煉過程采用鋁粉和電石進行擴散脫氧，降低鋼水和爐渣中氧含量。

（3）在LF精煉中后期使用鋁錠一次性調整鋼中鋁含量至控制范圍內。由于鋼中的[Al]含量達到0.9%，鋼水還原能力很強，導致渣中的SiO2大部分被還原，增加了鋼中硅含量，經計算鋼中增硅量大約在0.10%～0.15%。

3.4 夾雜物的變性處理

高鋁鋼生產過程中形成夾雜物基本以Al2O3為主。目前普遍的Al2O3夾雜物變性方法為鈣處理[4]，即將Al2O3夾雜轉變為12CaO·7Al2O3，并通過鋼包底吹使夾雜物上浮被爐渣吸收，但鈣處理過程中鋼水翻動較嚴重，使鋼水裸露與空氣接觸幾率大。而該鋼種鋁含量較高，鋼水與空氣接觸極易產生二次氧化形成的Al2O3夾雜，因此采用硅鋇線代替鈣質芯線進行夾雜物變性處理。由于RH處理后喂入硅鋇線，導致渣中的（Si）含量增加。雖然在喂絲過程中鋼水出現回硅現象，回硅量為0.03%～0.05%，但在可控范圍之內。

3.5 其他工藝要點及注意事項

（1）控制到LF鋼水中的C≥0.08%，P≤0.018%；

（2）嚴格控制出鋼量及合金加入量，防止因出鋼量少導致合金成分偏高或因出鋼量多導致精煉爐調整成分任務重；

（3）LF要保持一定時間的白渣，以加強吸收鋼水中夾雜物的能力；

（4）連鑄車間要加強連鑄設備檢查，及時清理或更換堵塞噴嘴，保證鑄坯二冷冷卻效果良好，同時要加強結晶器振動系統維護；

（5）控制鋼水過熱度、拉速及二冷水量，從而控制連鑄坯低倍組織，使其符合要求；

（6）大包開澆后，根據中包渣面情況補加適量覆蓋劑，確保鋼水不裸露、渣面不發紅。

（7）由于高鋁鋼澆鑄過程中易產生水口結瘤甚至停澆等生產事故，故大包水口采用Ar氣密封，中包采用組合式水口，水口接縫采用密封材料密封處理。

4 生產試煉實踐情況分析

4.1 生產試煉結果

按照前述工藝要點和改進措施，在某鋼廠組織試煉了4爐38CrMoAl鋼，重點對該鋼種冶煉過程中各階段鋼中Si元素和渣中SiO2的變化情況進行了跟蹤和分析。具體各工序與操作點后鋼中Si含量以及渣中SiO2含量的變化見表2和表3。

表2 生產過程鋼中Si含量變化表

4.2 生產實踐結果分析

（1）從表2可以看出，在試生產過程中出現2次明顯回硅現象。第一次是LF爐處理后期，經過Al的合金化過程中發生明顯的回硅現象，平均增硅量為0.10～0.15%；第二次是RH處理結束后喂入硅鋇線后出現回硅現象，平均增硅量為0.05%。綜合試驗爐次Si的控制看，現行工藝設計與原料選擇是可以滿足Si的控制。后續可以適當采用錳鐵代替金屬錳進行試驗降低生產成本。

（2）因本鋼種是含鋁量較高的鋼種，為防止澆注時水口結瘤，本次試煉過程鋼水過熱度控制偏高，拉速、電磁攪拌與二冷參數嚴格執行工藝要求，連鑄生產過程基本正常。

（3）本次試中，連鑄使用的保護渣是與供應廠家聯合研制的高鋁鋼專用保護渣，經過對生產的連鑄坯檢查，沒有發現渣溝、裂紋等異常現象，只是生產過程中渣圈現象嚴重，可以同保護渣廠家的技術人員交流，加以改善。

5 結語

通過對38CrMoAl鋼生產工藝難點及冶煉和澆注過程中出現鋼液異常回硅原因的分析，提出了穩定控制鋼液中硅含量的工藝改進操作要點，并對生產試煉情況進行了分析總結。

（1）轉爐采用雙渣留渣操作、控制下渣量、嚴格把控原輔料以及合金中Si含量等操作，將冶煉過程渣中的SiO2含量控制在最低，從而可以降低回硅量。

（2）將調鋁時機選定在LF爐處理末期，縮短硅反應時間，可以減少回硅量。

（3）RH處理結束后采用硅鋇線進行夾雜物變性處理，雖然有回硅現象，但在可控范圍內。

（4）試煉生產過程中，鋼水在LF爐Al合金化前Si控制在0.13%～0.20%，爐渣中SiO2含量控制在8.00%以下，實現了38CrMoAl鋼中硅穩定控制在目標成分范圍內的目的。