鐵路搖枕和側(cè)架用鋼中氧的分析與控制

廖仲賓

(中車眉山車輛有限公司 四川 眉山 610020)

隨著中國鐵路運輸事業(yè)的高速發(fā)展，高速、重載成為鐵路貨運發(fā)展的主要方向，作為鐵路貨車生產(chǎn)的主要廠家之一，提高關(guān)鍵行走部件搖枕、側(cè)架的質(zhì)量是當務(wù)之急，鋼中的氧不僅會造成鑄件中夾雜物的增加，還會引起氣泡、疏松等缺陷，嚴重影響鑄件的最終使用性能，因此降低鋼水中總的氧質(zhì)量分數(shù)，提高鋼水的純凈度對于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，確保鐵路高速、重載的發(fā)展方向具有重要意義。

1 氧對鋼性能的影響

氧是煉鋼過程中最難控制的有害元素，氧化物不僅會影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且會造成水口節(jié)瘤，影響生產(chǎn)的順利進行，氧在鋼中的溶解度很小，主要是以各種合金元素氧化物的形式存在，鋼中非金屬夾雜物雖然數(shù)量不多，但對性能的影響卻不可忽視。夾雜物對鋼力學性能和工藝性能的影響，主要是降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，尤其當夾雜物以不利的形狀及分布特征存在時，對材料機械性能的影響更為嚴重。鋼中氧化夾雜物常常是材料點蝕和應(yīng)力破裂起源部位，它會破壞鋼基體的連續(xù)性，造成應(yīng)力集中，促進疲勞裂紋的產(chǎn)生，并在一定條件下加速裂紋的擴展，從而加速疲勞破壞的過程，尤其是大型夾雜物，造成的危害更大?？傊瑠A雜物尺寸越大，分布越集中，對鋼的質(zhì)量和性能的影響就越大。

眾所周知，隨著溫度的降低，氧在鋼中的溶解度逐漸降低，鋼中的氧質(zhì)量分數(shù)過高，在凝固過程中，固熔在鋼中的氧逐漸析出，析出的氧會同周圍的碳發(fā)生反應(yīng)生成CO,CO氣泡的總體積補償了鋼液凝固收縮體積，造成鑄件的疏松、氣孔、氣泡等缺陷，在缺陷處容易造成鑄件局部的應(yīng)力集中，在后續(xù)處理過程中易造成裂紋，增加了鑄件的工序，間接增加鑄件的生產(chǎn)成本，因此控制鋼水的總氧質(zhì)量分數(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

2 鋼中氧的來源及影響因素

與H、N相比，氧在鋼中的存在形式以各種合金元素的氧化物為主，因此，降低鋼水氧質(zhì)量分數(shù)的方法主要從盡可能降低鋼水中的夾雜物著手，氧化系夾雜物的來源主要如圖1所示。

圖1 鋼中氧化系夾雜物的來源

減少鋼水中的夾雜物要從兩個方面入手：一是減少鋼水的外來夾雜物；二是盡可能地除去脫氧產(chǎn)物和減少二次氧化生成的夾雜物。根據(jù)氧化物的來源分析，影響最終鋼中氧質(zhì)量分數(shù)的因素為原材料。原材料中帶入的夾雜在氧化期經(jīng)過激烈沸騰后大部分會上浮到渣中，通過扒渣可以將原材料帶入的夾雜物的影響降到較低水平，但是原材料中帶入的夾雜過多，會增大氧化期的壓力，使氧化期任務(wù)不能很好地完成，氧化期操作的好壞影響著氧化末期夾雜物質(zhì)量分數(shù)的高低，通過良好的氧化期操作，能將原材料中帶入的夾雜物的影響降到最低，還原期是一個脫氧的過程，能將鋼水中的自由氧降低到一個很低的水平，因此還原期操作的好壞直接決定著最終氧質(zhì)量分數(shù)的高低，出鋼過程以及澆注過程對鋼中氧質(zhì)量分數(shù)的影響同樣重要。使鋼液二次氧化的氧，主要來自以下幾個方面：(1)鋼液卷入的空氣。出鋼和澆注時，鋼液暴露于空氣中，而且紊亂的鋼液會卷入數(shù)量可觀的空氣，這是鋼液被二次氧化的主要原因，根據(jù)模擬研究的結(jié)果，僅就澆注而言，每澆注1 t鋼液，就可卷入空氣0.007 m3。(2)鋼渣。如果煉鋼后期脫氧不好，鋼渣中含F(xiàn)eO量太高，出鋼時鋼和渣發(fā)生強烈的混拌，使鋼液二次氧化。如修筑鋼槽和澆包的耐火材料品質(zhì)不好，其中一些氧化物可能被鋼液中某元素還原，使鋼液氧化?；蛘撸突鸩牧现械哪承┭趸锟赡芘c鋼液中已形成的氧化物結(jié)合，從而使宏觀夾雜物增多。(3)氧化性氣氛。澆注充型過程中，型內(nèi)氣氛為氧化性氣氛，也會使型內(nèi)的金屬氧化。如果鑄型中含氧物料多，會使氧化過程加劇。綜上所述，氧質(zhì)量分數(shù)的控制貫穿冶煉操作的整個過程，每一步的操作都是為下一步做好準備，因此降低鋼水中的總氧質(zhì)量分數(shù)在冶煉操作全程都需要嚴格控制，并不僅僅是脫氧操作就能完成任務(wù)的。

3 實際生產(chǎn)過程中的控制

3.1 預(yù)防措施

(1)新包要徹底烘烤48 h以上。

(2)新爐體用電極烘烤8 h。

(3)對爐料進行除銹去污、烘烤處理，減少帶入氣體源。

(4)對造渣材料及合金嚴格按工藝要求烘烤。

(5)提前造渣，防止減少鋼液吸氣。

通過以上措施可以將外來因素對鋼中氧質(zhì)量分數(shù)的影響降到最低。

3.2 分析與控制

3.2.1原材料

(1)造渣材料和合金要嚴格按工藝進行烘烤，還原所用合金即調(diào)即用。

(2)干燥脫氧劑。

3.2.2氧化期

氧化期對降低鋼水中的氧化系夾雜物，減小外來夾雜物對鋼中氧質(zhì)量分數(shù)的影響作用非常大，良好的氧化期操作，可以使夾雜物充分上浮，減少因夾雜物而造成的鋼中氧質(zhì)量分數(shù)的增加。

分析：礦石氧化主要在鋼渣界面反應(yīng)，通過FeO的擴散來達到脫碳沸騰的目的，而吹氧氧化通過吹氧管直接給鋼液內(nèi)部提供氧，因此通過礦氧結(jié)合氧化操作，控制合理的氧化溫度和脫碳速度，可以使整個熔池均勻沸騰，達到凈化鋼液的目的。

控制：

(1)礦氧結(jié)合，做到激烈均勻沸騰，脫碳量不小于0.30%，冶煉過程中合理控制溫度，礦石氧化溫度不小于1 570 ℃，氧氣氧化溫度不小于1 550 ℃；脫碳速度為0.01%/min～0.03%/min，使鋼中氣體、夾雜物降到較低的質(zhì)量分數(shù)。

(2)預(yù)脫氧錳不小于0.20%，定碳防止鋼液過氧化，靜沸騰時不少于10 min，使鋼中殘余氧量降低，并使氣體和非金屬夾雜物充分上浮。

(3)扒渣溫度不低于1 620 ℃，防止還原后期升溫，影響精煉效果。

(4)快速干凈徹底扒除氧化渣，迅速造稀薄渣覆蓋鋼液表面，減少和防止鋼液吸氣。

(5)預(yù)脫氧用Al量為0.5 kg/t，減輕還原其脫氧負擔。

3.3.3還原期控制

還原期的主要目的是盡可能地去除鋼水中的氧，將鋼中的氧質(zhì)量分數(shù)降低到規(guī)定范圍，因此還原期操作的好壞直接決定著最終氧質(zhì)量分數(shù)的高低。

分析：目前脫氧操作主要是沉淀脫氧和擴散脫氧，在還原期由于沒有沸騰，沉淀脫氧產(chǎn)物上浮比較困難，通過合理的脫氧加入順序，可以將脫氧產(chǎn)物控制為比較容易上浮的復(fù)合型脫氧產(chǎn)物；擴散脫氧是一個擴散平衡的過程，因此在還原操作過程中必須在白渣狀態(tài)下保持一定時間，以利于夾雜物的上浮和鋼中氧的去除。

控制：

(1)加入沉淀脫氧劑：Mn、Si、Cr，嚴禁先加Si后加Mn。

(2)加入合金后5～10 min勤加攪拌，加速鋼液合金化，促使脫氧產(chǎn)物易聚合而上浮，加速白渣快速形成。

(3)白渣保持時間不少于20 min，流動性要好，F(xiàn)eO質(zhì)量分數(shù)要低，堿度在R3左右，呈泡沫狀。

(4)終脫氧：用Al量為1.5 kg/t，保證鋼液殘鋁量在0.02%～0.08%范圍內(nèi)。

3.3.4出鋼控制

分析：良好的出鋼溫度和出鋼方式，可以將出鋼過程中二次氧化的影響降到最低。

控制：

(1)出鋼溫度為1 600 ℃～1 630 ℃，可根據(jù)鑄型大小、質(zhì)量、數(shù)量，決定出鋼溫度上、中、下限。

(2)出鋼口大口深坑，出鋼槽光潔平整。

(3)搖爐速度不能過快以防先出鋼后出渣。

(4)鋼渣混出減少二次氧化。

(5)防止出鋼散流與細流，嚴禁電石渣出鋼。

3.3.5鋼包精煉：喂線+包底吹氬工藝

(1)喂鋁線脫氧時，降低鋼中氧質(zhì)量分數(shù)關(guān)鍵是去除Al2O3，合理的渣量及吹氬攪拌工藝能有效去除Al2O3。

(2)包內(nèi)精煉喂入硅鈣線可改變Al2O3形態(tài)。

(3)通過包底吹氬氣泡上浮，帶動鋼水沸騰，促使鋼水中碳與氧化亞鐵進行反應(yīng)，從而起到脫氧的作用[1-2]。

3.3.6減少和防止鋼液二次氧化

(1)保證鋼液脫氧良好，鋼液中FeO質(zhì)量分數(shù)不大于0.5%，因為鋼渣中FeO質(zhì)量分數(shù)高，出鋼時鋼和渣發(fā)生強烈攪拌，使鋼液二次氧化。

(2)嚴格控制碳鋼和低合金鋼中Si質(zhì)量分數(shù)在0.3%～0.5%的范圍，以保證鋼液有防止二次氧化的脫氧余力。

(3)整流澆注，可以減少鋼流表面積，減少二次氧化。

(4)干燥鑄型，鑄型內(nèi)氧化物料要少，減少氧化機率。

4 效果論證

通過以上分析，在現(xiàn)有工藝設(shè)備條件下，有效地控制鋼中氧質(zhì)量分數(shù)主要有以下幾個方面：(1)氧化期：采用正確的礦氧結(jié)合操作。(2)還原期控制：保證合理的白渣制度。(3)出鋼控制和鋼包精煉。(4)減少和防止鋼液二次氧化。

采取以上措施后，近年來抽樣對所煉鋼種的氧質(zhì)量分數(shù)進行分析，均沒有超標的爐次。實施效果證明，只要在操作過程中嚴抓細管，認真做好每個細節(jié)工作，鑄件氧質(zhì)量分數(shù)指標完全可以達到工藝要求的不大于0.006%的標準。