LF-VD 工艺冶炼20CrMnTi 齿轮钢全氧和夹杂物控制研究

陈正权

(福建三钢闽光股份有限公司技术中心， 福建 三明 365000）

钢中全氧的高低以及非金属夹杂物数量、形貌、分布和类型对钢的性能产生很大影响[1，2]。有研究发现当w（O）从0.002 5%降低至0.001 1%时，其疲劳寿命可提高4 倍[3]。齿轮接触疲劳损坏的主要原因是在交变应力作用下，钢中难变形的夹杂物与基体的界面处萌生裂纹，裂纹不断扩展导致齿轮失效[4，5]。为保证齿轮钢具有良好的性能，在冶炼过程中应当尽量降低钢中全氧和夹杂物数量，获得尺寸小，分布均匀，表面硬度较低的夹杂物类型。本次研究炉渣成分对钢中全氧的影响和LF-VD 工艺冶炼20CrMnTi过程中夹杂物的演变规律，通过热力学计算研究低熔点钙铝酸盐12CaO-7Al2O3的形成条件，以便获得有效的该处理技术，生产高质量的齿轮钢。

1 生产工艺和研究方法

1.1 生产工艺

福建三钢生产20CrMnTi 齿轮钢采用“转炉－LF精炼－VD 精炼－连铸”的工艺流程。转炉冶炼采用双渣法；LF 精炼渣成分控制为：碱度R=5～7，m（CaO）/m（Al2O3）=1.6～1.8，w（FeO）+w（MnO）＜1.2%；VD 真空时间大于15 min，破空后喂入Ca-Si 线对夹杂物进行变形处理，软吹时间大于15 min。20CrMnTi 成分控制采用如表1 所示的内控标准。

表1 20CrMnTi 化学成分标准 %

1.2 研究方法

随机选取福建三钢LF-VD 工艺冶炼20CrMnTi的炉次，统计钢液全氧和VD 终渣各组分之间的对应关系，研究冶炼20CrMnTi 的合理精炼渣系。

在VD 出站时期的钢水中取提桶试样，并对取得的提桶试样进行切割、研磨和抛光，制备成可供电镜观察的金相试验。

采用扫面电镜（SEM+EDS）配加Feature 颗粒物夹杂分析软件，分析夹杂物尺寸、形貌和组分。

Feature 作为一款专用于颗粒物夹杂自动统计及检测的工具软件。其工作原理是通过BSE 产生的颗粒物夹杂与基体灰度称度差异来区分。之后通过能谱检测颗粒物夹杂的位置、形状、大小以及最重要的元素、成分含量等信息。2012 年6 月份在钢铁夹杂物分析的会议上，首都钢铁推广钢铁夹杂物检测的标准办法，该办法的基础即使用Feature 颗粒物分析软件。

本次试验随机选取50 个视场进行自动扫描，放大倍数设定为500 倍。

2 试验结果和分析

2.1 VD 终渣对全氧的影响研究

2.1.1 VD 终渣中FeO 含量和MnO、TiO2含量的关系统计随机选取炉次中VD 终渣中FeO 含量和MnO、TiO2含量的关系，如图1 和图2 所示。

图1 VD 终渣中w（FeO)和w（MnO)的关系

图2 VD 终渣中w（FeO)和w（MnO)的关系

从图1 和图2 中可以看出，VD 终渣中w（FeO）和w（MnO）之间存在正比例关系，即渣中w（MnO）的含量随着渣中w（FeO）的增加而增加，大约渣中w（FeO）每提高1%，w（MnO）提高0.175%。VD 终渣中w（FeO）大于1%时，w（TiO2）随着w（FeO）的增加而增加，VD 终渣中w（FeO）小于1%时，w（FeO）对于w（TiO2）的影响不显著。

2.1.2 VD 终渣中FeO 含量对于全氧的影响

统计随机选取的炉次中VD 终渣中FeO 含量对全氧含量的影响，如图3 所示。

图3 VD 终渣中FeO 含量对于全氧的影响

从图3 中可以看出，随着VD 终渣中FeO 含量增加，钢中的全氧出现增加的趋势，VD 终渣中w（FeO）增加0.1%，全氧含量增加1×10-6左右。当渣中w（FeO）小于1%，钢中的全氧小于15×10-6。

2.1.3 VD 终渣碱度对于全氧的影响

统计随机选取的炉次中VD 终渣碱度R对全氧含量的影响，如图4 所示。

从图4 中可以看出，VD 终渣碱度R在6～18 范围内时，R与全氧之间没有明显的对应关系，炉渣碱度较高会影响炉渣流动性，不利于钢渣反应的进行，同时为减少VD 精炼过程中增硅，减少二次氧化，故炉渣碱度控制在8～10 之间较为合适。

图4 VD 终渣R 对于全氧的影响

2.1.4 VD 终渣m（CaO）/m（Al2O3)对于全氧的影响

统计随机选取的炉次中VD 终渣m（CaO）/m（Al2O3）对全氧含量的影响，如图5 所示。利用FactSage 软件计算炉渣中w（MgO）为5%时Al2O3-SiO2-CaO 三元相图的低熔点区域，如图6 所示。

图5 VD 终渣m（CaO）/m(Al2O3)对于全氧的影响

图6 CaO-Al2O3-SiO2 三元相图（w（MgO）=5%）

从图5 中可以看出，VD 终渣m（CaO）/m（Al2O3）对于钢中的全氧具有一定的影响，VD 终渣m（CaO）/m（Al2O3）在1.5～1.8 范围内，钢中全氧较低，此区域在图6 中利用两条黑线标出，从图6 可以看出，黑线之间的区域贯穿于低熔点区之间，说明m（CaO）/m（Al2O3）在1.5～1.8 范围内，钢液中形成的夹杂物塑性较好。

2.1.5 合理渣系的研究

由上文可知，渣中w（FeO）和m（CaO）/m（Al2O3）对全氧含量影响较大，统计随机选取的炉次中VD终渣w（FeO）和m（CaO）/m（Al2O3）对于全氧的影响，作出全氧含量小于15×10-6的优势区图，如图所示。

图7 w(FeO)和m(CaO）/m(Al2O3)影响钢中全氧的优势区图

由图7 可以看出，渣中w（FeO）小于1%，同时m（CaO）/m（Al2O3）在1.5～1.8 区间时，钢中的全氧小于15×10-6，因而认为合理渣系中w（FeO）小于1%，m(CaO）/m（Al2O3)的比值在1.5～1.8 渣中的碱度控制在8～10之间。

2.2 精炼结束夹杂物研究

采用扫面电镜（SEM+EDS）配加Feature 颗粒物夹杂分析软件，研究精炼结束后夹杂物形貌、尺寸和成分，其典型夹杂物形貌和尺寸如图8 所示，夹杂物成分如表2 所示。

图8 精炼结束典型夹杂物形貌及尺寸

表2 精炼结束典型夹杂物成分 %

由图8 和表2 可知，精炼结束的典型夹杂物以CaO-MgO-Al2O3-CaS 复合夹杂物为主且Al2O3、CaO和CaS 含量较高，呈球状或纺锤状。九个夹杂物中w（CaS）最低为35.99%，含有一个纯CaS 夹杂物，说明喂入Si-Ca 时钢液中S 含量偏高。

2.3 钢液中的Ca-Al-S 热力学计算

钢水中Ca 元素和Al 元素的反应公式为[6-7]：

以液态纯物质为标准态，不同形成物时aCaO和aAl2O3的活度如表3 所示。

表3 不同形成物时aCaO 和aAl2O3 的活度

由表3 可得，生成C3A、C12A7、CA 时，计算公式如式（3）、（4）和（5）所示。

由式（1）、（2）、（3）、（4）和（5）计算出钢液中不同Al 活度条件下Ca 活度的平衡曲线，如图9 所示。

钢水中Ca 元素、Al 元素和S 元素的反应公式为[6-7]：

图9 钢液中不同Al 活度条件下Ca 活度的平衡曲线

由式（6）、（7）、（8）、（9）和（10）计算出钢液中不同Al 活度条件下S 活度的平衡曲线，如图10 所示。

由式（8）、（9）和（10）计算出钢液中不同Al 活度条件下S 活度的平衡曲线，如下页图10 所示。

当Al 活度为0.03%、0.04%和0.05%，Ca 活度大于0.001 2%，0.001 4%和0.001 7%，S 的活度小于0.011%、0.009%和0.007%时，钢液中可以形成低熔点钙铝酸盐12CaO-7Al2O3，且抑制CaS 的形成。

图10 钢液中不同Al 活度条件下S 活度的平衡曲线

3 结论

1）VD 终渣中w（FeO）和w（MnO）之间存在正比例关系，即渣中w（MnO）的随着渣中w（FeO）的增加而增加，大约渣中w（FeO）每提高1%，w（MnO）提高0.175%。VD 终渣中w（FeO）大于1%时，w（TiO2）随着w（FeO）的增加而增加，VD 终渣中w（FeO）小于1%时，w（FeO）对于w（TiO2）的影响不显著。

2）随着VD 终渣中w（FeO）增加，钢中的全氧出现增加的趋势，VD 终渣中w（FeO）增加0.1%，全氧含量增加1×10-6左右。当渣中w（FeO）小于1%，钢中的全氧小于15×10-6。

3）VD 终渣碱度R在6～18 范围内时，R与全氧之间没有明显的对应关系，炉渣碱度较高会影响炉渣流动性，不利于钢渣反应的进行，同时为减少VD精炼过程中增硅，减少二次氧化，故炉渣碱度控制在8～10 之间较为合适。

4）VD 终渣m（CaO）/m（Al2O3）对于钢中的全氧具有一定的影响，VD 终渣m（CaO）/m（Al2O3）在1.5～1.8 范围内，钢中全氧较低，钢液中形成的夹杂物塑性较好。

5）渣中w（FeO）小于1%，同时m（CaO）/m（Al2O3）在1.5～1.8 区间时，钢中的全氧小于15×10-6，因而认为合理渣系中w（FeO）小于1%，m（CaO）/m（Al2O3）的比值在1.5～1.8 渣中的碱度控制在8～10 之间。

6）精炼结束夹杂物主要类型为：CaO-MgO-Al2O3-CaS 为主含有一定的Mn 等元素。其形状基本上为规则的球状夹杂。由于钢液w（S）偏高和喂入Ca-Si 线导致夹杂物中CaS 含量偏高。

7）当Al 活度为0.03%、0.04%和0.05%，Ca 活度大于0.001 2%，0.001 4%和0.001 7%，S 的活度小于0.011%、0.009%和0.007%时，钢液中可以形成低熔点钙铝酸盐12CaO-7Al2O3，且抑制CaS 的形成。