降低齒輪鋼氧含量的工藝研究

王俊國(guó)

齒輪鋼是汽車(chē)、鐵路、船舶、工程機(jī)械所使用特殊合金鋼中要求較高的關(guān)鍵材料之一，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，高端汽車(chē)齒輪零配件在逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的同時(shí)也對(duì)國(guó)內(nèi)齒輪鋼生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求。我國(guó)齒輪鋼經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套較完整的品種體系，其中以CrMnTi、MnCr5、CrMo系列為主導(dǎo)品種，其需求量約占齒輪鋼總用量的70%以上。

高質(zhì)量的齒輪要求具有良好的強(qiáng)韌性、抗沖擊性及抗疲勞點(diǎn)蝕性。大量研究表明，隨著O含量的降低，齒輪的疲勞壽命將大幅度提高。目前，我國(guó)齒輪鋼O含量標(biāo)準(zhǔn)要求小于20 ppm，而國(guó)外一般要求小于15 ppm，日本采用雙真空工藝可以達(dá)到小于10 ppm水平[1]。

本文著重從三大品種系列（見(jiàn)表1）的生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，探討控制齒輪鋼O含量的工藝設(shè)計(jì)合理性及高級(jí)別齒輪鋼在煉鋼過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1 工藝裝備

北滿(mǎn)特鋼現(xiàn)有兩條齒輪用鋼煉鋼生產(chǎn)線(xiàn)。其MnCr5系列齒輪鋼生產(chǎn)工藝流程：30 t交流電弧爐－40 t LF 爐－40 t VD 真空爐 －3．15 t錠模鑄；20CrMnTiH及20CrMoH齒輪鋼工藝流程：90 t交流電弧爐－90 tLF爐－90 tVD爐－四機(jī)四流大方坯連鑄。

2 降低O含量工藝設(shè)計(jì)

2.1 脫氧熱力學(xué)分析

鋁脫氧鎮(zhèn)靜鋼液中Al、O間的平衡反應(yīng)式為：

由反應(yīng)式可知，原始O含量、渣組成分及渣中Al2O3組元活度是脫氧反應(yīng)的限制性因素；而高堿度及低Al2O3活度的渣系為使反應(yīng)向降低鋼水中平衡O方向進(jìn)行創(chuàng)造了良好的熱力學(xué)條件[2]。

表1 齒輪鋼16～28MnCr5、20CrMnTi、20CrMoH主要化學(xué)成分 （%）

2.2 工藝路線(xiàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼種的成份特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩條工藝路線(xiàn)：（1） 對(duì)鋼中S成分無(wú)要求的鋼種，LF爐采用高堿度渣脫O脫S，并建立關(guān)鍵控制點(diǎn)。（2） 對(duì)S成分有要求的齒輪鋼，需設(shè)計(jì)新的煉鋼脫O工藝。

相比20CrMnTiH、20CrMoH兩鋼號(hào)，MnCr5系列鋼對(duì)S含量及Si具有的特殊的化學(xué)成分要求，冶煉脫O難度更大。

原工藝：EAF爐熔化－氧化－還原－調(diào)低堿度出鋼增S進(jìn)LF－調(diào)整成份到目標(biāo)－真空處理－模鑄。

新設(shè)計(jì)的再硫化工藝：EAF爐熔化－氧化－還原－高堿度出鋼－LF爐前期（繼續(xù)保持高堿度脫O脫S） －LF后期（調(diào)整渣系，同時(shí)配S） －真空處理－模鑄。

可見(jiàn)，新工藝通過(guò)在精煉前期保持高的爐渣堿度，能夠達(dá)到良好的脫O熱力學(xué)條件，使脫O元素在高堿度下的脫氧能力得到充分發(fā)揮，將鋼液中O的活度降到一個(gè)非常低的水平，同時(shí)通過(guò)調(diào)整渣系，提高了對(duì)S含量控制的穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)工藝，在熱力學(xué)條件上具有一定的先進(jìn)性。

3 降低齒輪鋼O含量工藝實(shí)踐

3.1 初煉爐工藝實(shí)踐

EAF電爐是齒輪鋼冶煉的第一道工序，在熔化廢鋼、降C、脫P(yáng)的基礎(chǔ)上，還能夠提供一個(gè)相對(duì)較低的原始O含量及較純凈的鋼水，對(duì)減輕后道工序操作壓力，最終達(dá)到純凈鋼要求具有非常重要的意義。

在EAF電爐氧化期具有一定的凈沸騰，通過(guò)大量的CO氣體上浮可去除大顆粒氧化物夾雜；同時(shí)在氧化末期清除氧化渣對(duì)降低O含量具有重要意義。反之，氧化渣的存在既提高了鋼液的原始O含量，也將阻礙精煉期高堿度渣的形成。

眾所周知，電爐氧化渣的存在會(huì)使鋼液產(chǎn)生回磷現(xiàn)象。在冶煉終點(diǎn)P含量均為0.008%的水平下出鋼時(shí)，帶出的氧化渣越多，到LF時(shí)回磷就越多，成品O含量也會(huì)越高。而如果氧化渣清除越徹底，或采取EBT無(wú)渣出鋼技術(shù)，所帶入氧化渣將減少，鋼液到LF爐時(shí)回磷也就越少，成品O含量也就越低（見(jiàn)圖1）。

圖1 LF磷與成品氧含量關(guān)系

因此，電爐出鋼前清除氧化渣，或EBT電爐的出鋼擋渣控制，即可減少氧化渣進(jìn)入到鋼包中。

3.2 LF爐工藝實(shí)踐

（1） 含S齒輪鋼 (MnCr5系列)

S和O是同族元素，具有類(lèi)似的特性，在脫O的過(guò)程中即可連帶實(shí)現(xiàn)脫S，因此如何降低含S齒輪鋼的O含量是一個(gè)新課題。在傳統(tǒng)工藝中LF爐整個(gè)冶煉過(guò)程中采用低堿度渣系，追求在保住S的前提下適度脫O，無(wú)法徹底解決只脫O不脫S的矛盾，致使含S齒輪鋼中O含量相對(duì)較高，很難達(dá)到用戶(hù)對(duì)齒輪鋼性能的要求。針對(duì)這一難題，我們改用在LF爐前期實(shí)行高堿度渣進(jìn)行深度脫O脫S，先使鋼中的O含量達(dá)到一個(gè)較低的水平（S也連帶達(dá)到一個(gè)較低的水平），而在LF爐精煉后期，在低氧勢(shì)下改變?cè)?，在增S的同時(shí)控制鋼水不被再次氧化,最終將含S齒輪鋼中的O含量保持在較低水平。

含S齒輪鋼（MnCr5）新工藝實(shí)際上是在一個(gè)工位實(shí)施兩個(gè)操作工序，由S含量的高低來(lái)衡量LF前期高堿度渣下脫O水平。在脫O過(guò)程中脫S越徹底，相應(yīng)脫O水平也越高，則成品O含量也相應(yīng)越低（見(jiàn)圖2）。

含S齒輪鋼（MnCr5）采用的再硫化工藝解決了含S鋼種的脫O難題，達(dá)到降低含S齒輪鋼成品中O含量的理想效果，并且LF爐后期采用低堿度渣有利于提高S的收得率。

（2） 非含S齒輪鋼 (20CrMnTi、20CrMo)

圖2 含S齒輪鋼（MnCr5）脫硫深度與成品氧含量關(guān)系

非含S齒輪鋼（20CrMnTi、20CrMoH等） 在LF全程采用高堿度渣精煉，控制脫O脫S水平，其脫S深度與O含量沒(méi)有嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系。但是脫S越低，特別是當(dāng)脫S到0.005%以下時(shí)，同樣能達(dá)到降低O含量的效果,而0.010%左右的S含量水平與成品O含量的高低沒(méi)有明顯關(guān)系（見(jiàn)圖3）。

圖3 LF脫硫深度與成品氧含量關(guān)系

3.3 真空爐工藝實(shí)踐

由于鋼液在真空條件下有較好的動(dòng)力學(xué)條件，會(huì)使脫O反應(yīng)更加徹底。因此精煉鋼液中Al含量就成為控制鋼液O含量水平的一個(gè)最重要指標(biāo)。真空后殘余Al越高，則鋼水中的溶解O越低；同時(shí)，鋼中的氧化物夾雜經(jīng)真空強(qiáng)攪拌，容易聚合上浮，使鋼水總O量較低。另一方面，由于絮狀的二次氧化產(chǎn)物難以上浮，若真空后殘余Al高，需要補(bǔ)加的Al就相對(duì)減少，所產(chǎn)生的氧化物也相應(yīng)減少，因此減少二次氧化夾雜對(duì)控制總O量也具有較明顯的作用。

真空后殘余Al的高低與成品中O含量有明顯的關(guān)系，而采用LF精煉可有效控制真空后殘余Al含量，對(duì)降低O含量有積極的效果（見(jiàn)圖4）。

與此相反，在成品中Al的高低與O含量沒(méi)有多大的關(guān)系。這也從另一方面驗(yàn)證了脫氧產(chǎn)物Al2O3在一般攪拌條件下難以上浮的特性。因此真空處理后通過(guò)增Al特別是澆注前增Al對(duì)于減少鋼液的總O量沒(méi)有意義（見(jiàn)圖5）。

總之，建立合理的LF脫O制度，在真空前脫O到一個(gè)較低的水平，利用真空良好的動(dòng)力學(xué)條件去除鋼水中的氧化物夾雜，可以將齒輪鋼中總O量控制在一個(gè)較低的水平。

4 工藝評(píng)價(jià)

含S齒輪鋼的再硫化工藝經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、改進(jìn)及固化后取得明顯效果，MnCr5系列齒輪鋼的平均O含量從原工藝的17.26 ppm下降到13.84 ppm，并且還具備進(jìn)一步下降的潛力（見(jiàn)圖6）。

經(jīng)過(guò)一系列的改進(jìn)，CrMo、CrMnTi、MnCr5系列鋼的O含量也同樣達(dá)到一個(gè)較好的水平（見(jiàn)表 2、表 3）。

圖4 真空Al含量與成品氧關(guān)系

圖5 成品Al含量與成品氧含量關(guān)系（殘余Al均為0.002%）

圖6 控制效果（MnCr5成品氧含量）

表2 20CrMnTi各爐座氧含量對(duì)比

表3 重點(diǎn)鋼種氧含量對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

目前，北滿(mǎn)特鋼公司CrMo、CrMnTi、MnCr5系列鋼中O含量已達(dá)到或接近≤14ppm，特別是具有特殊成分要求的MnCr5系列鋼種，隨著新工藝的進(jìn)一步深化完善，將會(huì)使氧含量達(dá)到更理想的水平。

[1]吳樹(shù)飄等我國(guó)特殊鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用，特殊鋼，2003，24（5）：30.

[2]F.oeters著，倪瑞明等譯 鋼冶金學(xué)，冶金工業(yè)出版社，1997.