氮化鋼38CrM oAl的冶煉工藝

田 豐 祁一星

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471000)

氮化鋼38CrM oAl的冶煉工藝

田 豐 祁一星

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471000)

研究了采用電弧爐冶煉→LF爐精煉→VD真空脫氣→靜吹→氬氣保護(hù)模鑄生產(chǎn)38CrMoAl鋼的工藝實(shí)踐。通過摸索各工序鋁和硅含量的變化規(guī)律，確定了電弧爐出鋼鋁含量的控制范圍，制定了相應(yīng)的工藝控制措施，使產(chǎn)品成分得到了有效控制，成功生產(chǎn)出38CrMoAl鋼，各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)要求。

滲氮鋼38CrMoAl;冶煉工藝;鋁含量;硅含量

38CrMoAl鋼系高級(jí)氮化鋼，該鋼具有很好的力學(xué)性能，經(jīng)氮化處理后具有較高的表面硬度和抗疲勞強(qiáng)度、較好的耐磨性、良好的耐熱性及耐腐蝕性能，被廣泛用來制造承受沖擊負(fù)荷和在往復(fù)磨損條件下工作的機(jī)械零件。該鋼種鋁含量極高，冶煉生產(chǎn)中容易產(chǎn)生高熔點(diǎn)的Al2O3夾雜，造成連鑄生產(chǎn)結(jié)水口。采用模鑄生產(chǎn)不存在結(jié)水口、非計(jì)劃停澆等問題，但由于冶煉過程中鋁極易氧化、且容易出現(xiàn)回硅現(xiàn)象，因此對(duì)電弧爐出鋼碳、鋁含量的控制及各工序鋁、硅變化規(guī)律的研究十分必要。

1 設(shè)備情況及工藝流程

1.1 主要生產(chǎn)設(shè)備

中信重工鑄鍛廠現(xiàn)有EBT超高功率電弧爐、LF精煉爐、VD真空設(shè)備和模鑄設(shè)備。

1.2 生產(chǎn)工藝流程

設(shè)計(jì)工藝流程為:EBT電弧爐初煉→LF爐精煉→VD真空脫氣→靜吹→氬氣保護(hù)模鑄。該工藝流程精煉還原時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)過真空處理，可以確保鋼中氣體、夾雜物含量保持在較低水平。

2 冶煉難點(diǎn)分析

化學(xué)成分的精確控制是冶煉精品鋼38CrMoAl的難點(diǎn)。表1所示為38CrMoAl鋼的化學(xué)成分，可見38CrMoAl鋼的含Al量高達(dá)0.7%～1.1%，超出了常規(guī)的脫氧和細(xì)化晶粒概念。尤其是在冶煉過程中，各元素在渣-鋼界面相互反應(yīng)。熔渣中的SiO2極易被還原，鋼中Al易氧化，硅、鋁成分波動(dòng)較大。

表1 38CrM oAl鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 1 Chem ical com position of 38CrM oAl Steel (m ass fraction，%)

38CrMoAl鋼生產(chǎn)過程中呈現(xiàn)增硅掉鋁的趨勢(shì)。鋼水增硅主要發(fā)生在兩個(gè)環(huán)節(jié):脫氧合金化過程和LF爐精煉過程。LF爐精煉過程中鋼水溫度一般為1 580～l 630℃，鋼中的Si、Al元素之間存在著下列反應(yīng)，反應(yīng)式及其在1 600℃時(shí)的吉布斯自由能如下:

得到鋁-硅之間的反應(yīng)式:

式(3)在1 600℃時(shí)的 ΔG =-22 317.33 cal·mol-1＜0，說明此反應(yīng)正向進(jìn)行，向增硅的趨勢(shì)發(fā)展。另一方面LF精煉過程中由于吹氬攪拌的作用，增加了鋼渣反應(yīng)界面積，為反應(yīng)提供良好的動(dòng)力學(xué)條件，加快了界面反應(yīng)的速率，使反應(yīng)更易向增硅方向進(jìn)行。

該鋼種化學(xué)成分中鋁高、硅低，使硅的還原在此鋼種生產(chǎn)中變得十分敏感。為了減少鋼水增硅，需要降低渣中SiO2的質(zhì)量百分比，即降低其活度，控制好渣中氧勢(shì)，盡量減少因渣中SiO2被還原而引起的鋼水增硅。

3 工序操作要點(diǎn)分析

通過對(duì)冶煉難點(diǎn)的分析、總結(jié)，生產(chǎn)中從原料的準(zhǔn)備、冶煉到澆注，整個(gè)工序需要注意以下幾點(diǎn)。

3.1 EBT電弧爐冶煉

(1)挑選優(yōu)質(zhì)廢鋼、料頭，并按工藝要求配入生鐵，保證熔清C含量≥0.70%，控制電弧爐碳氧槍吹氧強(qiáng)度，避免鋼液產(chǎn)生過度氧化進(jìn)而在二次精煉過程產(chǎn)生大量的內(nèi)生夾雜物，控制好終點(diǎn)目標(biāo)元素含量，終點(diǎn)C≥0.20%。

(2)出鋼過程Al按1.70%加入，出鋼前包內(nèi)加入1/3～2/3鋁塊，剩余鋁塊隨鋼流加入，出鋼結(jié)束前鋁塊必須加完。電弧爐出鋼一次將Al含量配到上限，可以使生成的Al2O3在整個(gè)精煉過程以及隨后的軟攪拌過程中有充分的上浮時(shí)間，對(duì)鋼液的凈化、Al2O3的降低有很好的效果。如果沒有一次配足Al，在隨后調(diào)配Al含量的過程中，會(huì)遇到增鋁困難的問題。使用精煉位喂絲機(jī)可以對(duì)Al成分進(jìn)行微調(diào)，而使用精煉位喂絲機(jī)大量調(diào)整Al成分則效果不好。

(3)出鋼采用留鋼留渣操作，嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入精煉包，為L(zhǎng)F精煉工序提供良好的條件。出鋼過程嚴(yán)禁向鋼液中加入含硅的合金和脫氧材料，避免增硅。

3.2 LF精煉爐冶煉

(1)精煉過程如果使用含硅材料，當(dāng)與鋼水接觸時(shí)，容易導(dǎo)致鋼水增硅。為此，LF工序脫氧及合金化過程要盡量避免加含硅的脫氧材料。

(2)增加石灰用量并保證熔渣堿度及良好的流動(dòng)性從而降低SiO2的活度。

(3)精煉過程避免氬氣大攪拌而導(dǎo)致卷渣或鋼液裸露，減少鋁燒損和回硅。

(4)精煉終點(diǎn)，如Al含量不足，應(yīng)在爐后喂入鋁線，按上線進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整結(jié)束后進(jìn)行VD處理。

(5)VD真空處理結(jié)束后，靜吹時(shí)間大于15 min，有效保證鋼中夾雜物上浮。

3.3 鋼錠澆注

(1)采取氬氣保護(hù)澆注，避免鋼水澆注過程氧化而導(dǎo)致鋼中Al含量降低。

(2)精煉包必須清理干凈，包襯無殘鋼、無粘渣，防止鋼包內(nèi)有殘余SiO2在精煉過程中被還原，導(dǎo)致鋼水增硅。

4 應(yīng)用效果

4.1 鋁的成分控制

表2所示為38CrMoAl鋼的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯鲆睙挔t次成品Al含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，Al收得率較為穩(wěn)定，保持在53%左右。

表2 電爐出鋼加鋁量及鋁收得率生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)Table 2 W eight of the Al added when tapping and the production statistic of A l yield

圖1 出鋼至澆注過程鋼液中Al含量變化Figure 1 Al content that varies from tapping to casting process

圖1所示為出鋼至澆注過程鋼液中Al含量變化情況?？梢钥闯?出鋼至精煉過程Al含量降幅較大，占冶煉過程降幅的25%左右;精煉過程前60 min鋼中Al含量降幅較大，60 min后Al含量基本穩(wěn)定，精煉過程Al含量降幅占冶煉過程降幅的10%左右;VD真空處理過程Al含量降幅占冶煉過程降幅的13%左右。Al損耗的主要原因是:首先在真空下Al有較高的蒸汽壓力，易蒸發(fā)，當(dāng)氬氣流量大時(shí)，蒸發(fā)速度相對(duì)增大;其次在VD處理過程中Al和O有進(jìn)一步反應(yīng)的可能。冶煉過程Al損耗在48%左右，Al成分目標(biāo)值按中線0.90%控制，可以推算出初煉Al按1.70%加入，與設(shè)定工藝相符。

圖2 出鋼至精煉過程硅含量變化Figure 2 Si content that varies from tappingto refining process

4.2 硅的成分控制

圖2所示為出鋼至澆注過程鋼液中硅含量變化情況?？梢钥闯?在精煉過程前60 min，盡管未向鋼中添加硅鐵合金，但鋼中的硅含量上升幅度較大;60min后鋼中硅含量基本穩(wěn)定，其中兩爐鋼Si含量未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，精煉后期加入硅鐵合金調(diào)整硅含量;真空處理過程Si含量略有變化。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)冶煉過程鋼液中Al含量的跟蹤分析，認(rèn)為電弧爐出鋼最佳鋁加入量為1.70%，且成品Al含量均滿足工藝要求。

(2)在高鋁鋼冶煉過程中，渣中SiO2易被還原至鋼液中而導(dǎo)致鋼水增硅，通過降低渣中SiO2質(zhì)量百分比、控制LF脫氧及合金化過程中含硅脫氧材料的加入等操作，可以有效控制鋼中的Si含量。

［1］ 蘇雄杰，王代洲，張?jiān)?電弧爐冶煉含鋁鋼的技術(shù)探討［J］.鋼管，2005.

［2］ 余國松.100tEBT電弧爐-LF-CC流程生產(chǎn)38CrMoAl鋼的工藝實(shí)踐［J］.特殊鋼，2008.

編輯 杜青泉

Smelting Process for 38CrMoAl Nitriding Steel

Tian Feng，Qi Yixing

The production practice of electric arc furnace→LF refining→VD vacuum degas→static blowing→argon shield die casting for the 38CrMoAl steel is researched.By studying the variation trend of Al＆contents in each process，the control range of electric arc furnace tapping Al content is determined，and process controlmeasures are established respectively，as a result，the product elements are effectively controlled and each mechanical property of 38CrMoAl canmeet technical requirements.

nitrided steel of38CrMoAl;melting process;Aluminum content;Silicon content

TF111

A

2013—05—31

田豐，男，工程師，主要從事電弧爐冶煉工藝研究。