BOF-LF-VD-CC生产20CrMnTi齿轮钢的夹杂物行为研究

蒋芳杰 吴华杰 张永超

(1. 北京科技大学工程技术研究院; 2. 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心)

BOF-LF-VD-CC生产20CrMnTi齿轮钢的夹杂物行为研究

蒋芳杰1吴华杰2张永超1

(1. 北京科技大学工程技术研究院; 2. 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心)

通过氩站、LF、VD、中间包、及铸坯的系统取样，采用扫描电镜(SEM)结合能谱(DES)自动扫描分析功能(可获取试样大面积范围内的夹杂物信息)，对某钢厂BOF-Argon station-LF-VD-CC工艺生产20CrMnTi钢中夹杂物在各工序的种类、数量、化学成分进行研究。结果表明: 随着工艺的进行，夹杂物在氩站出站时以Al2O3为主；LF精炼后，夹杂物转变成熔点较低、易于上浮的MgO-Al2O3、MgO-Al2O3-CaO；VD结束后，主要有MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、 CaO-MgO-Al2O3三大类夹杂物；夹杂物数量在氩站结束时最多，中间包和铸坯中夹杂物数量最少，同时夹杂物状变也由不规则变为球形，说明LF、VD有着较好的精炼效果。通过对该厂夹杂物随冶炼工艺演变的研究发现：该厂夹杂物控制水平能够满足一般齿轮钢的质量要求，并为将来冶炼高品质齿轮钢打好基础。

齿轮钢 夹杂物 VD

AbstractBy using the thermodynamic calculation systematic sampling from argon station, LF, VD, tundish, casting billets combined with SEM and energy spectrum (DES) automatic scanning analysis function which can obtain inclusion information in a large area of the sample, the type, amount and chemical composition of inclusions in 20CrMnTi steel which produced by BOF-Argon station-LF-VD-CC process have been investigated and measured at various production steps. The results show that the type of inclusions at the end of argon station is mainly Al2O3. After LF treatment, the inclusions translates into spherical MgO-Al2O3or MgO-Al2O3-CaO particles which have a low melting point and easily floating up. After VD treatment, The main component of inclusion is MgO-Al2O3,MgO-Al2O3-CaO and Al2O3-CaO. The amount of inclusions is the highest at the end of the argon station and the minimum in tundish and casting billets which show that LF and VD have very good refining effect. The inclusion control level of the plant can meet the quality requirements of general gear steel that lay a good foundation for smelting high quality gear steel in the future.

KEYWORDSgear steel inclusion VD

0 前言

20CrMnTi钢作为目前国内用于制造各种工程机械、汽车、农用车等传动齿轮、齿轮轴材料中使用量最大的一种齿轮钢，具有巨大的潜在市场，是许多钢铁企业优质钢生产的主导产品。齿轮钢在工作过程中要承受交变载荷、冲击载荷、磨损等作用,因此其对钢的性能要求高、质量要求严。就齿轮的使用而言,齿轮失效大部分是由疲劳引起[1]。齿轮钢中存在的难以变形的氧化物夹杂是齿轮钢使用过程中疲劳损坏的主要原因。要冶炼齿轮钢首要目标是有效控制夹杂物的大小和类型，但这一直都是冶金企业的难题，而且不同的企业在夹杂物控制方面的限制性环节各不相同，因为夹杂物的来源与冶炼的工艺流程、脱氧制度等息息相关，因此，研究夹杂物随冶炼工艺的演变规律尤为重要。

某钢厂为开拓市场，在齿轮钢生产方面开展了20CrMnTi的试制研究，但是试制生产过程中存在夹杂物控制不到位的问题，因此，笔者针对该钢厂生产20CrMnTi钢工艺过程中夹杂物的演变规律进行研究，从而为该厂降低和改善钢中非金属夹杂物，优化生产工艺、提高钢质量提供科学依据。

1 工艺流程

某钢厂生产20CrMnTi钢工艺流程是BOF→ Argon Station → LF→ VD→ CC。转炉为100 t顶底复吹转炉，采用预处理深脱硫的铁水，入炉废钢采用优质废钢，配比为10%；出钢3 min之前加入合金和部分渣料，在氩站加入铝线初步脱氧；LF精炼时，加入石灰和精炼渣，调整钢液的流动性和碱度，目标碱度R=7，炉渣FeO+MnO≤1.5%，加铝脱氧后，加入钛铁合金；VD精炼过程的真空度为67 Pa，真空处理时间大于15 min，真空结束后喂入钙铁线，然后软吹搅拌15 min以上；钢包炉衬采用Mg-C质耐材；连铸全程保护浇注，小方坯(160 mm×160 mm)采用结晶器电磁搅拌，拉速175 m/min。20CrMnTi钢化学成分见表1。

表1 20CrMnTi钢化学成分

2 研究方法及方案

为得出该钢厂生产20CrMnTi钢工艺过程中夹杂物的演变规律，找到该厂在夹杂物控制方面的限制性环节，本试验分别在氩站、LF精炼、VD结束时期、中包及铸坯中系统取样。利用场发射扫描电镜(ZEISS ULTRA55)观察夹杂物的典型形貌和成分。并且，为了保证夹杂物统计分析的代表性，采用INCA Feature自动扫描分析功能，在200倍下，对所取的每个金相样随机扫描约100个视场(总面积50 mm2)，统计夹杂物的数量、尺寸和成分信息。

3 试验结果及讨论

3.1 各工序典型夹杂物的形貌及成分

3.1.1 氩站夹杂物形貌及成分研究

氩站结束时典型的夹杂形状如图1所示，其化学成分见表2。 夹杂物主要为形状不规则的Al2O3，还有少量的CaO-MgO-Al2O3、CaO-Al2O3或MgO-Al2O3类夹杂，尺寸主要在10 μm以下。

(a) CaO-MgO-Al2O3 (b) Al2O3图1 氩站结束钢液中典型夹杂物形貌 表2 氩站结束钢液中典型夹杂物的能谱成分(质量分数)和当量直径

项目Mg/%Al/%Ca/%当量直径/μmCaO-MgO-Al2O30．8440．620．988．0Al2O3041．0204．0

3.1.2 LF夹杂物形貌及成分研究

LF结束时典型的夹杂形状如图2所示，其化学成分见表3。夹杂物由Al2O3转变为MgO-Al2O3或MgO-Al2O3-CaO两类夹杂物，形状也由不规则开始向球形转变，Mg、Ca含量明显升高。

(a) MgO-Al2O3-CaO (b) MgO-Al2O3-CaO (c) MgO-Al2O3

图2 LF结束时典型夹杂物形貌

3.1.3 VD夹杂物形貌及成分研究

VD结束时，典型的夹杂形状如图3所示，其化学成分见表4。VD结束后，钢中主要有MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3三大类夹杂物，夹杂物的形状基本为球形，复合夹杂中总Mg含量降低很多。

(a) CaO-MgO-Al2O3(b) CaO-Al2O3(c) MgO-Al2O3

图3 VD结束时典型夹杂物形貌

3.1.4 中包夹杂物形貌及成分研究

中包中典型的夹杂物形状如图4所示，其化学成分见表5。中包大尺寸夹杂物的数量较少，尺寸基本在30 μm以下，主要为MgO-Al2O3-CaO和CaO-Al2O3两类夹杂物，其中MgO含量很少。

(a) CaO-Al2O3(b) MgO-Al2O3-CaO图4 中包中典型夹杂物形貌 表5 中包中典型夹杂物的能谱成分(质量分数) 和当量直径

项目Mg/%Al/%Ca/%当量直径/μmCaO-Al2O307．560．6324．1MgO-Al2O3-CaO1．0425．4723．814．8

3.1.5 铸坯中夹杂物形貌及成分研究

铸坯中的夹杂形状如图5所示，其化学成分见表6。铸坯中的夹杂物尺寸较小，主要在5 μm以下，主要为MgO-Al2O3-CaO和Al2O3-CaO两类夹杂物，其中CaO含量主要在20%～55%之间。

(a) MgO-Al2O3-CaO(b) Al2O3-CaO图5 铸坯中典型夹杂物形貌 表6 铸坯中典型夹杂物的能谱成分(质量分数)和当量直径

项目Mg/%Al/%Ca/%当量直径/μmMgO-Al2O3-CaO1．550．7827．523．9Al2O3-CaO05．4936．014．2

3.2 各工序夹杂物演变规律研究

3.2.1 各工序中夹杂物数量和尺寸研究

各工序的夹杂物数量和尺寸统计结果如图6所示。

图6 各工序夹杂物数量变化情况

从图6可以看出，随着冶炼工序的进行，夹杂物的总体数量在减少，整体尺寸减小，各个工序夹杂物尺寸主要在10 μm以下。氩站时，夹杂物数量最多(约1 500 个/mm2)，没有尺寸大于13 μm的夹杂物；LF中夹杂物数量急剧下降，从氩站的约1 500 个/mm2下降至约900 个/mm2，降幅40%，但LF精炼过程产生了一定数量(约200 个/mm2)的大尺寸夹杂物，当量直径在80 μm～150 μm；VD和铸坯中杂物数量最少(约800 个/mm2)。

3.2.2 各工序中夹杂物转变机理研究

将扫描电镜INCA Feature自动扫描得到的不同尺寸夹杂物的成分汇总如图7所示。

(a) 氩站(b) LF(c) VD

(d) 中包 (e) 铸坯

图7同工序夹杂物在CaO-MgO-Al2O3三元系中的分布

从图7可以看出：当Al加入钢中以后，钢液中的[Al]与[O]迅速发生反应(1)[2]生成大量Al2O3夹杂，导致出氩站时钢液中主要是Al2O3夹杂物。到了LF精炼时期，夹杂物开始由Al2O3转变为MgO-Al2O3或CaO-MgO-Al2O3两类夹杂物，其中CaO的含量在0～30%之间，MgO的含量在10%～30%之间，Al2O3含量在50%～75%之间，夹杂物的平均成分是ωCaO=18.6%、ωMgO=20.8%、ωAl2O3=60.6%。精炼温度下，LF精炼渣和耐火材料中的MgO易与钢液中[Al]发生反应(2)[3]，反应生成的溶解态的[Mg]进入钢液，钢液中少量的[Mg]就能与Al2O3发生(3)反应生成MgO-Al2O3类夹杂。

2[Al]+3[O]=(Al2O3)

(1)

3(MgO)+2[Al]=(Al2O3)+3[Mg]

(2)

[Mg]+4/3[Al2O3]=[MgO·Al2O3]+2/3[Al]

(3)

当钢渣反应达到一定程度以后，渣中的CaO也会和钢液中的[Al]发生反应(4)生成[Ca]进入钢液。钢液中的[Ca]会促使反应向着MgO-Al2O3-CaO类夹杂物生成的方向进行[4-6]。夹杂物熔点开始降低，由于表面张力的作用，不规则形貌的Al2O3开始向球形转变。

在VD精炼后，夹杂物成分分布范围比较散，主要有MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3三大类夹杂物。真空剧烈搅拌加剧了钢液与耐材的反应导致钢中继续有MgO-Al2O3类夹杂物生成；VD真空精炼结束后，钙处理加入的钙会发生反应(5)，置换出MgO-Al2O3-CaO类夹杂物中的Mg，使得LF精炼生成的MgO-Al2O3-CaO类夹杂物开始向CaO·Al2O3类夹杂转变。过量的钙让反应(5)没有达到平衡，导致CaO-Al2O3和MgO-Al2O3-CaO两类夹杂物的成分并不稳定，这种成分并不稳定现象说明VD工序没有达到理想的精炼效果，应适当降低喂钙量和优化喂钙方式，减少二次氧化，并延长VD软吹时间，充分发挥钙处理的效果。

2[Al]+3(CaO)=3[Ca]+(Al2O3)

(4)

[Ca]+MgO·Al2O3=CaO·Al2O3+[Mg]

(5)

从图7(d)可以看出，中包中含有少量的Al2O3，这可能是由于中包发生二次氧化造成，结合图7(c)可以进一步发现：由钙处理加入的过量钙会在中包和连铸过程中继续与MgO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3两类夹杂物反应，使得MgO-Al2O3类夹杂物数量在减少，同时CaO-MgO-Al2O3类夹杂物中夹杂物的Ca含量会增加。铸坯中的夹杂物情况与中包基本类似。

从图7还可以看出，各个工序DS类夹杂物(>13 μm)的成分并不相同，说明各个工序DS类夹杂物来源并不相同，具有一定的随机性。

综上所述，某厂生产20CrMnTi钢工艺流程有一定的夹杂物去除和变性效果。随着冶炼工序的进行，夹杂物总体变化规律为：由Al2O3→MgO-Al2O3→CaO-MgO-Al2O3或CaO-Al2O3类夹杂物进行转变，如图8所示。

图8 不同工序各类夹杂物演变情况

结合图7和图8可以看出，VD和钙处理过程为该厂齿轮钢中夹杂物控制的限制性环节，为了进一步提高齿轮钢夹杂物控制水平，建议调整VD搅拌程度、喂钙量和喂钙方式，使夹杂物大部分控制在低熔点区，利于上浮去除和稳定性控制。

4 结论

通过对各工序样品中夹杂物的电镜统计观察和热力学分析得出如下结论:

(1)数量和尺寸变化规律：夹杂物数量在氩站结束时最多，经过LF、VD后，中间包和铸坯中夹杂物数量达到最少，同时夹杂物形状也由不规则变为球形。各个工序夹杂物尺寸主要在1 μm～3 μm，LF精炼过程会产生部分当量直径在80 μm～150 μm的大尺寸夹杂物。总体来说，该厂整个工艺流程的夹杂物控制水平能够满足普通齿轮钢标准对夹杂物的要求。

(2)成分和类型变化规律：在氩站中夹杂物主要为Al2O3，LF结束主要为MgO-Al2O3和CaO-MgO-Al2O3两类夹杂物，VD结束后夹杂物主要为MgO-Al2O3、CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3三类夹杂物，中包和铸坯的夹杂物主要为CaO-Al2O3、CaO-MgO-Al2O3两类夹杂物。

(3)夹杂物演变过程：钢液中Al的加入使得氩站产生大量的Al2O3夹杂物， LF精炼时期、钢液中的铝会与炉衬和精炼渣反应生[Mg]和[Ca], [Mg]和[Ca]会继续与Al2O3反应使得Al2O3夹杂向CaO-MgO-Al2O3类转变，钙处理后，钢液中的[Ca]会置换出MgO-Al2O3-CaO中的Mg，使得夹杂物中的Ca含量增加，甚至转变为CaO-Al2O3类夹杂物。

(4)通过对钢中夹杂物随工艺流程演变规律的系统研究发现：钙处理过程中加入的过量钙使得 MgO-Al2O3-CaO向CaO-Al2O3类夹杂物的转变没有达到平衡，钙处理效果不理想，因此，该厂在夹杂物控制方面的限制性环节是VD精炼工序，建议调整VD搅拌程度、喂钙量和喂钙方式，充分发挥钙处理的效果，为生产高档次齿轮钢打下基础。

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STUDYONINCLUSIONBEHAVIOROF20CrMnTiGEARSTEELPRODUCEDBYBOF-LF-VD-CC

Jiang Fangjie1Wu Huajie2Zhang Yongchao1

(1. Engineering Research Institute, University of Science and Technology Beijing;2. Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing)

2017—5—7