李 富，彭继承
（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 江阴 214400）
近年来，我国电动汽车行业发展迅速，电动汽车的销量爆发式增长，随之带动大批相关产业迅猛发展。齿轮是汽车的重要零部件之一，随着汽车电动化的发展，要求齿轮的疲劳强度更高，使用寿命更长。因此，对齿轮钢的性能也提出了更高的要求：更窄的淬透性、超低的氧含量、细小而均匀的晶粒度、成分的均质化、夹杂物无害化控制等。
某钢厂生产高疲劳强度齿轮钢的生产流程为：100 t超高功率直流电弧炉→100 t LF精炼炉→100 t VD真空脱气炉→大方坯连铸机。
通过对原有齿轮钢进行质量分析，发现其总体氧含量偏高，同时氧含量稳定性较差。此外，夹杂物中对钢材疲劳寿命影响较大的Ds夹杂物普遍级别在1.0～2.0级之间，满足不了高端汽车用齿轮钢要求。通过过程分析，存在电炉氧化性强、出钢卷渣、LF脱氧不彻底、渣系波动较大、VD去除夹杂物效果较差、连铸二次氧化等问题。为此，制定高疲劳强度汽车齿轮钢冶炼工艺，使得最终产品完全满足客户要求。
2.1 电炉低氧化性冶炼及出钢
超高功率电炉具有送电效率高，冶炼速度快，EBT无渣出钢等优势。由于炉内剧烈的碳氧反应，可以对初炼钢水起到很好的去气、去夹杂效果。适量的氧气可以有效去除碳、磷等元素，但过量的氧气会使钢液中氧含量偏高。通过采用定氧仪对钢水中的氧含量进行测量，其趋势分布如图1所示。
图1 钢水中的碳氧趋势线
由图1的趋势曲线可发现如下规律：
1）当钢水中的w[C]≤0.05%时，钢水中的w[O]较高，达到600×10-6～1 000×10-6左右，且波动较大。
2）当钢水中的w[C]在0.05%～0.10%之间时，w[O]主要集中在350×10-6～650×10-6之间。
3）当钢水中的w[C]在0.10%～0.15%之间时，w[O]主要集中在150×10-6～300×10-6之间，氧含量降低明显。
由于大部分齿轮钢的w（C）在0.15%～0.30%之间，电炉完全可以采取高拉碳的方法，降低电炉炉内钢水的溶解氧含量，减少出钢过程中铝、硅等脱氧剂的用量，从而减少夹杂物的产生。在取样后出钢前，向炉内喷入碳粉，进一步脱出炉内钢水中的氧。根据表1的试验结果，对喷碳粉和不喷碳粉的炉内钢水进行氧含量测定，平均w[O]相差85×10-6。说明喷吹碳粉对降低钢水中溶解氧含量的效果明显。
表1 不同工艺的氧含量对比
超高功率电炉采用EBT无渣出钢方式，但是在实际出钢过程中，随着出钢量的增加，炉内余钢量逐渐减少，不可避免地会产生漩涡卷渣情况。此类氧化渣不仅造成P含量的增加，还严重影响LF的脱氧情况，导致氧含量增加，用铝量变大，钢水中的氧化铝夹杂物增加，不利于氧含量及夹杂物的控制。因此，在冶炼高疲劳强度齿轮钢时，电炉出钢结束采取扒渣操作，将电炉出钢的氧化渣彻底扒除干净。扒渣操作后，有利于LF渣系的稳定，从而确保氧含量及夹杂物控制的稳定。
2.2 LF精炼炉强脱氧控制
经过EBT无渣出钢及扒渣处理后的钢水，渣中氧含量虽大幅度下降，但钢水中溶解氧仍较高，需要继续脱氧。同时脱氧会产生大量夹杂物，需要将夹杂物降低到足够低的水平，才能确保氧含量和夹杂物都满足工艺要求。为此，精炼采取如下措施：
1）高碱度白渣冶炼。白渣是指炉渣碱度较高，FeO含量较低的渣。其不仅具有强还原性，而且具有较强夹杂物吸附能力。通过提高石灰中CaO质量分数和活性，不用含SiO2的材料造渣，控制炉渣碱度在6～12之间。使炉渣的组成在CaO—Al2O3—SiO2三元相图中向12CaO·7Al2O3的组成区域靠近，在不降低炉渣碱度的情况下，降低炉渣熔点，提高炉渣流动性，使之能够更好地吸附夹杂物[1]。
2）沉淀脱氧与扩散脱氧结合。在LF前期氧含量较高情况下，通过加入铝线进行沉淀脱氧。其不仅能快速降低氧含量，同时产生的Al2O3夹杂物进入炉渣中，可以降低炉渣的熔点，有利于快速成渣。在LF的中后期通过在渣面漂SiC进行扩散脱氧，确保前期钢水中的Al2O3夹杂物有充分的上浮时间。
3）强化精炼节奏控制。LF冶炼过程是一个均匀钢水成分、均匀钢水温度、去除夹杂物的过程，同时也是一个不断产生夹杂物的过程，尤其是钢包耐材中的MgO会不断剥落进入钢水中。以往的生产工艺往往要求足够的LF时间，以便去除夹杂物。通过对不同精炼时期的钢水取样进行夹杂物电镜扫描，随着冶炼时间的增加，钢水中的MgO含量呈现逐渐增加的趋势。说明随着冶炼的进行，钢包耐材中的MgO会逐渐剥落进入钢水中，部分夹杂物能够上浮去除，但还有部分夹杂物在钢水中与其他非金属夹杂物形成复合夹杂物。因此，在冶炼超纯净齿轮钢时，应在保证钢水成分及温度的情况下，加快冶炼节奏，并适当缩短精炼炉的冶炼时间。在同样的生产节奏下，间接提升了VD的处理时间。通过工艺的改变，使得VD的软吹时间在原来基础上提升了约70%，软吹时间的增加将更加有利于夹杂物的去除。
2.3 VD真空处理
钢水在真空条件下进行长时间的氩气搅拌，可以使夹杂物不断聚集、长大、上浮。与精炼炉钢水试样中的夹杂物相比，经过VD处理后，夹杂物数量明显减少，尺寸明显减小，钢水的纯净度明显提高[2]。同时在高真空度的情况下，随着真空度的逐渐降低，钢水中的C-O平衡打破，碳的脱氧能力增加。随着真空处理时间的增加，最终的氧含量呈现降低的趋势，图2为高真空处理时间与钢水中氧含量的关系。通过趋势图可以发现，冶炼超纯净齿轮钢时，应适当延长VD的高真空处理时间。
图2 高真空时间与氧含量趋势
2.4 VD软吹处理
经过LF冶炼及VD高真空处理的钢水，钢水中夹杂物大幅下降，尤其是大颗粒的夹杂物去除效果非常明显。但由于真空处理过程中，钢液与炉渣搅拌造成钢渣混冲，会产生大量的非金属夹杂物。这些夹杂物若不能很好去除，在连铸浇注过程中会慢慢吸附在塞棒水口上，一旦吸附到一定程度，剥落进入钢水中，就会形成超大颗粒的宏观夹杂物，这对钢材的使用是非常致命的。所以，如何去除此类细小的夹杂物是超纯净钢冶炼的关键。
夹杂物的去除需要足够的动力学条件。本文引入氩气搅拌指数R，所谓氩气搅拌指数R，是指单位面积内夹杂物数量减少50%需要的时间。通过对不同VD软吹时间的钢水取样分析发现：
1）软吹时间≤1.5R时，随着软吹时间的增加，大颗粒的夹杂物去除效果非常明显，而小颗粒的夹杂物去除效果不明显。
2）软吹时间为1.5R～4R时，随着软吹时间的增加，大颗粒夹杂物几乎完全去除，大量细小夹杂物的去除程度呈现增加的趋势。
3）软吹时间为4R～6R时，细小夹杂物去除效果继续呈现增加趋势，但趋势放缓。
4）软吹时间＞6R时，细小夹杂物数量没有明显减少，同时，有少量大颗粒的夹杂物被发现，经过电镜扫描，夹杂物成分含较高的MgO。分析原因主要是软吹时间太长时，钢水与钢包接触时间增加，钢包中的耐材剥落进入钢水中导致。
因此，控制合理的氩气搅拌指数有利于获得良好的夹杂物去除效果。
2.5 连铸防二次氧化
经过精炼冶炼及软吹之后的钢水，不论是氧含量还是夹杂物数量都明显降低，在钢水从大包向中包浇注的过程中，一旦产生二次氧化就会造成氧含量的增加，同时产生夹杂物。因此，连铸时采取整体式中包、中包里边加覆盖剂的方式，以确保钢水不被二次氧化。
1）通过对电炉采用高拉碳工艺，取样后喷吹碳粉，从源头降低钢水中的溶解氧含量。
2）LF采用沉淀脱氧和扩散脱氧的结合，造高碱度白渣，同时控制LF冶炼时间，很好地降低了钢水中的溶解氧含量和夹杂物数量。
3）通过控制VD合适的氩气搅拌指数，进一步去除钢水中的氧含量和夹杂物。
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