提高含硫含鋁齒輪鋼鋼液潔凈度的實踐探討

亓福川

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

我國工業正處于高速發展的重要時期，現階段主要通過生產各類鋼鐵制品來推動各行業有序發展。在我國經濟快速崛起的影響下，汽車行業發展迅速，這讓作為傳動件的齒輪成為鋼鐵生產的重要內容。齒輪在使用時會受到應力變化影響，易與其他部件產生接觸磨損，這就要求齒輪用鋼具有較高質量。雖然增添了鋁細化晶粒、硫等物質，可以有效提高齒輪鋼品質，但是在實際生產中也還會產生例如Al2O3與CaS 等雜質，使鋼液潔凈度降低，從而影響齒輪生產品質。因此，為提高含硫含鋁齒輪鋼鋼液潔凈度而開展了相關的實踐探討。

1 生產工藝改進需求

某鋼鐵生產企業使用“50 t 電爐→精煉加真空脫氣→連續鑄造”的經典生產模式來生產高品質齒輪。但是，在探測軋材損傷時，發現軋材含有接近2.3%的夾雜物，而使用超聲波探測軋材，達到合格標準的僅有65%，相較于GB/T 4162 的100%探傷標準還存在很大差距[1]。雖然通過大量購置進口材料可以解決當前問題，但會降低齒輪生產利潤，降低企業市場競爭力。所以，需要對當前生產模式下的含硫含鋁鋼鋼液采取適當措施，以實現鋼液的有效凈化，提升鋼液品質，從而生產出高品質齒輪，提高市場經營能力。

2 優化生產工藝的具體方案

2.1 電爐終點控制

該鋼鐵生產企業的電爐使用集束氧槍吹氧，由于過去爐底較深，氧槍與鋼渣界面距離較大，吹出的氧氣氧化及攪拌能力較弱。后通過試驗，將爐底深度提升，并將對應氧槍高度提升90 mm，有效提升了冶煉能力。實施改造前，w（C）·w（O）達到33×10-6，也有比該數值更高的情況出現。如果w（C）為0.04%，鋼材的w（O）為0.0825%。實施改造后，電爐投入生產前的w（C）·w（O）數值可以降低至23×10-6，而在冶煉后,該值穩定維持在28×10-6之內。相同w（C）條件下，w（O）降低幅度在0.010%～0.025%。

以該鋼鐵生產企業的50 t 出鋼量為例，對鋼材進行脫氧處理，可以降低5.63～14.07 kg 的鋁材消耗，而Al2O3夾雜物的產生量則可以降低10.63～26.57 kg。使用原方法所出鋼擁有更低w（C），且鋼材擁有較高w（O），因此需要使用更多脫氧劑進行脫氧處理，這就會造成夾雜物生成量的提升，降低鋼液的潔凈度。鋼鐵生產企業需要劃分額外資金與時間，才能將夾雜物有效去除，縮減鋼材生產盈利空間。因此，在使用電爐對含硫含鋁鋼進行冶煉時，需要提升終點w（C），并把w（C）合理控制于0.06%～0.12%范圍內，這樣才能使制備的鋼材中的含氧量有效降低。為避免在使用鋁材進行脫氧處理時，鋼材產生過多Al2O3夾雜物，可以在鋼材增加增碳劑完畢后，再投放脫氧鋁材，并根據鋼材的w（C）合理確定添加量，從而在脫氧處理時，使Al2O3夾雜物產生量大大降低[2]。

2.2 出鋼脫氧

該鋼鐵生產企業在進行脫氧處理時，使用經典的Al-Si 脫氧工藝，其脫氧反應可以整理成以下式子：

以純物質為標準，aAl2O3為1，則平衡常數為：

經過整理可得：

以公式（3）為理論基礎，將鋼材內a[O]作為縱坐標、w（Al）作為橫坐標，T=1 873 K 時，對齒輪鋼內鋁氧平衡進行描述，具體情況如圖1 所示。

圖1 在1 873 K 下的鋁氧平衡

從圖1 中可以發現，使用鋁材進行脫氧處理可以有效降低氧活度。鋼材中w（Al）=0.025%，a[O]=3.6×10-6；如果w（Al）＞0.06%，則a[O]＜2×10-6。因此在冶煉鋼材時，使鋼材的鋁含量維持在較高水平，則會降低氧活度。但是，也需要看到，在a[O]下降至2×10-6時，鋼材獲得更高鋁含量，實際脫氧效果明顯降低。

根據圖1 信息，可以對鋁材脫氧處理工藝中產生Al2O3的條件進行合理預測：在T=1 873 K 時，[%Al]2·a3[O]超過2.92×10-14，鋼材內部就會產生超過10 μm的Al2O3。但是該鋼鐵生產企業使用Al-Si 脫氧模式，會造成鋼液產生純Al2O3的夾雜物，難以進行多爐連澆。因此，現優化初煉爐的出鋼脫氧模式，將脫氧方法更新成Al-Si-Al，并輔助鈣處理，讓夾雜物轉變成規格低于5 μm 的MgO·Al2O3-CaS 夾雜物，以提升鋼液可澆能力。

2.3 變流量底吹氬

鋼液產生夾雜物后，需與相應的攪拌條件相配合，才可以使夾雜物規格不斷增大，從而將其從鋼液中排出。而該鋼鐵生產企業在精煉時，使用恒壓力控制，并將壓力調節在0.4～0.6 MPa，而真空脫氣時間為8～15 min，難以將夾雜物充分去除，且極易造成水口結瘤。因此，要對吹氬工藝展開研究。在精煉時，以30～200 L/min 的吹壓氣量進行底吹氬，在氣量提升的同時，會使夾雜物混勻時間快速縮短。以200～400 L/min 的流量進行底吹氬時，隨著吹氬量的提高，混勻時間會逐漸趨于穩定。當流量大于400 L/min 時，夾雜物混勻時間則會保持不變。針對底吹氬效果進一步研究發現，在前期的0～4 min 內，夾雜物可以得到有效去除，但在24～28 min 內，夾雜物去除率則會大幅度下降；以20～40 L/min 的底吹氬氣量測試，發現過程中產生許多有效去除夾雜物的小氣泡[3]。隨著吹氣量的提升，鋼液流動速度加快，這會使更多夾雜物上浮至鋼液表面，從而提高夾雜物去除效果。因此，在40 L/min 的吹氬速度下，可以獲得最佳去除夾雜效果。超過該值將會產生大氣泡，降低氣泡數量，反而影響到夾雜物去除效果。底吹氬氣量在50 L/min 時，夾雜物的去除質量將明顯下降。所以現將原本恒流量吹氬模式更新成變流量吹氬方式，以40 L/min 的氬氣量軟吹25 min 以上，可以達到高效去除夾雜物效果。

3 生產工藝改進效果

應用本文設計的改進工藝后，對現有軋材進行檢測，結果表明，軋材的夾雜物含量大幅度降低，從未改進工藝的2.3%降低至0.6%，有效提升了軋材品質。使用超聲波對軋材探傷檢測，軋材合格率從原來的65%提升至93.5%，獲得了更高潔凈度的鋼液，在穩定提升軋材品質的同時，其余各類指標也有穩定提升。該鋼鐵生產企業借助這種改進工藝，為汽車制造商提供高品質齒輪鋼，從而提升了該齒輪鋼在高端市場的競爭能力。

4 結論

對現有含硫含鋁齒輪鋼冶煉技術進行有效改進，將鋼液中Al2O3雜質轉變成MgO·Al2O3-CaS 復合物，將軋材全氧含量（質量分數）控制在12×10-6以內，并使夾雜物獲得更低缺陷率，有效提升了鋼液潔凈度。