提高含硫含铝齿轮钢钢液洁净度的实践探讨

亓福川

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 济南 271104）

我国工业正处于高速发展的重要时期，现阶段主要通过生产各类钢铁制品来推动各行业有序发展。在我国经济快速崛起的影响下，汽车行业发展迅速，这让作为传动件的齿轮成为钢铁生产的重要内容。齿轮在使用时会受到应力变化影响，易与其他部件产生接触磨损，这就要求齿轮用钢具有较高质量。虽然增添了铝细化晶粒、硫等物质，可以有效提高齿轮钢品质，但是在实际生产中也还会产生例如Al2O3与CaS 等杂质，使钢液洁净度降低，从而影响齿轮生产品质。因此，为提高含硫含铝齿轮钢钢液洁净度而开展了相关的实践探讨。

1 生产工艺改进需求

某钢铁生产企业使用“50 t 电炉→精炼加真空脱气→连续铸造”的经典生产模式来生产高品质齿轮。但是，在探测轧材损伤时，发现轧材含有接近2.3%的夹杂物，而使用超声波探测轧材，达到合格标准的仅有65%，相较于GB/T 4162 的100%探伤标准还存在很大差距[1]。虽然通过大量购置进口材料可以解决当前问题，但会降低齿轮生产利润，降低企业市场竞争力。所以，需要对当前生产模式下的含硫含铝钢钢液采取适当措施，以实现钢液的有效净化，提升钢液品质，从而生产出高品质齿轮，提高市场经营能力。

2 优化生产工艺的具体方案

2.1 电炉终点控制

该钢铁生产企业的电炉使用集束氧枪吹氧，由于过去炉底较深，氧枪与钢渣界面距离较大，吹出的氧气氧化及搅拌能力较弱。后通过试验，将炉底深度提升，并将对应氧枪高度提升90 mm，有效提升了冶炼能力。实施改造前，w（C）·w（O）达到33×10-6，也有比该数值更高的情况出现。如果w（C）为0.04%，钢材的w（O）为0.0825%。实施改造后，电炉投入生产前的w（C）·w（O）数值可以降低至23×10-6，而在冶炼后,该值稳定维持在28×10-6之内。相同w（C）条件下，w（O）降低幅度在0.010%～0.025%。

以该钢铁生产企业的50 t 出钢量为例，对钢材进行脱氧处理，可以降低5.63～14.07 kg 的铝材消耗，而Al2O3夹杂物的产生量则可以降低10.63～26.57 kg。使用原方法所出钢拥有更低w（C），且钢材拥有较高w（O），因此需要使用更多脱氧剂进行脱氧处理，这就会造成夹杂物生成量的提升，降低钢液的洁净度。钢铁生产企业需要划分额外资金与时间，才能将夹杂物有效去除，缩减钢材生产盈利空间。因此，在使用电炉对含硫含铝钢进行冶炼时，需要提升终点w（C），并把w（C）合理控制于0.06%～0.12%范围内，这样才能使制备的钢材中的含氧量有效降低。为避免在使用铝材进行脱氧处理时，钢材产生过多Al2O3夹杂物，可以在钢材增加增碳剂完毕后，再投放脱氧铝材，并根据钢材的w（C）合理确定添加量，从而在脱氧处理时，使Al2O3夹杂物产生量大大降低[2]。

2.2 出钢脱氧

该钢铁生产企业在进行脱氧处理时，使用经典的Al-Si 脱氧工艺，其脱氧反应可以整理成以下式子：

以纯物质为标准，aAl2O3为1，则平衡常数为：

经过整理可得：

以公式（3）为理论基础，将钢材内a[O]作为纵坐标、w（Al）作为横坐标，T=1 873 K 时，对齿轮钢内铝氧平衡进行描述，具体情况如图1 所示。

图1 在1 873 K 下的铝氧平衡

从图1 中可以发现，使用铝材进行脱氧处理可以有效降低氧活度。钢材中w（Al）=0.025%，a[O]=3.6×10-6；如果w（Al）＞0.06%，则a[O]＜2×10-6。因此在冶炼钢材时，使钢材的铝含量维持在较高水平，则会降低氧活度。但是，也需要看到，在a[O]下降至2×10-6时，钢材获得更高铝含量，实际脱氧效果明显降低。

根据图1 信息，可以对铝材脱氧处理工艺中产生Al2O3的条件进行合理预测：在T=1 873 K 时，[%Al]2·a3[O]超过2.92×10-14，钢材内部就会产生超过10 μm的Al2O3。但是该钢铁生产企业使用Al-Si 脱氧模式，会造成钢液产生纯Al2O3的夹杂物，难以进行多炉连浇。因此，现优化初炼炉的出钢脱氧模式，将脱氧方法更新成Al-Si-Al，并辅助钙处理，让夹杂物转变成规格低于5 μm 的MgO·Al2O3-CaS 夹杂物，以提升钢液可浇能力。

2.3 变流量底吹氩

钢液产生夹杂物后，需与相应的搅拌条件相配合，才可以使夹杂物规格不断增大，从而将其从钢液中排出。而该钢铁生产企业在精炼时，使用恒压力控制，并将压力调节在0.4～0.6 MPa，而真空脱气时间为8～15 min，难以将夹杂物充分去除，且极易造成水口结瘤。因此，要对吹氩工艺展开研究。在精炼时，以30～200 L/min 的吹压气量进行底吹氩，在气量提升的同时，会使夹杂物混匀时间快速缩短。以200～400 L/min 的流量进行底吹氩时，随着吹氩量的提高，混匀时间会逐渐趋于稳定。当流量大于400 L/min 时，夹杂物混匀时间则会保持不变。针对底吹氩效果进一步研究发现，在前期的0～4 min 内，夹杂物可以得到有效去除，但在24～28 min 内，夹杂物去除率则会大幅度下降；以20～40 L/min 的底吹氩气量测试，发现过程中产生许多有效去除夹杂物的小气泡[3]。随着吹气量的提升，钢液流动速度加快，这会使更多夹杂物上浮至钢液表面，从而提高夹杂物去除效果。因此，在40 L/min 的吹氩速度下，可以获得最佳去除夹杂效果。超过该值将会产生大气泡，降低气泡数量，反而影响到夹杂物去除效果。底吹氩气量在50 L/min 时，夹杂物的去除质量将明显下降。所以现将原本恒流量吹氩模式更新成变流量吹氩方式，以40 L/min 的氩气量软吹25 min 以上，可以达到高效去除夹杂物效果。

3 生产工艺改进效果

应用本文设计的改进工艺后，对现有轧材进行检测，结果表明，轧材的夹杂物含量大幅度降低，从未改进工艺的2.3%降低至0.6%，有效提升了轧材品质。使用超声波对轧材探伤检测，轧材合格率从原来的65%提升至93.5%，获得了更高洁净度的钢液，在稳定提升轧材品质的同时，其余各类指标也有稳定提升。该钢铁生产企业借助这种改进工艺，为汽车制造商提供高品质齿轮钢，从而提升了该齿轮钢在高端市场的竞争能力。

4 结论

对现有含硫含铝齿轮钢冶炼技术进行有效改进，将钢液中Al2O3杂质转变成MgO·Al2O3-CaS 复合物，将轧材全氧含量（质量分数）控制在12×10-6以内，并使夹杂物获得更低缺陷率，有效提升了钢液洁净度。