含铝钢冶炼工艺的改进

汤仕洋

(沈阳铸锻工业有限公司，辽宁110142)

常见的含铝钢有NAK80、38CrMoAl，是高级渗氮钢，用于制造高耐磨性、高疲劳强度的渗氮零件或各种受冲击载荷不大而耐磨性高的渗氮零件，如仿模、汽缸套、齿轮、滚子、检规、样板、高压阀门、阀杆、塑料及橡胶挤压机、搪床的搪杆、蜗杆、磨床和自动车的主轴等。但含铝钢因其成分的特殊性，经常产生化学成分不合格、钢锭无损检测不合格等质量问题。

为解决此类问题，须改进原有的冶炼工艺，改进后的冶炼工艺采用氧化法冶炼，其工艺流程为：40 t偏心底出钢电弧炉内进行初炼钢水，精炼炉内调整化学成分，抽真空返回后镇静，直至成品出钢，浇注出成品钢锭。

1 40 t电弧炉操作

38CrMoAl化学成分要求见表1。

1.1 补炉与封堵出钢口

首先，清净炉内残钢、残渣，用捣打料将炉底凹陷处及炉坡侵蚀严重处进行堆补。其次，将渣线、操作口两侧及假门坎等部位采用卤水、镁砂补炉，补炉做到高温、薄补、快补；其厚度为20～40 mm，有利于镁砂烧结，保证炉体各部位次寸的正常形状。

封堵出钢口时，应先清净出钢口内外残钢、残渣，保证出钢口的通径，然后关闭出钢口托盘，托盘与出钢口砖间隙用石棉绳堵严。在偏心盖加料处加入充填料，使出钢口炉内上方略呈凸起状。充填料需经100～300℃的温度烘干2 h后才可以使用；加完充填料后，盖好加料口，避免氧化期喷溅时，钢渣烫坏偏心盖。

1.2 装料

装料前应先在炉底装入钢水量2%～3%的石灰，以减轻钢铁料对炉底的冲撞；在电极穿井到底时可以保护炉底，减轻电弧的侵蚀作用；还可以提早形成炉渣，覆盖在钢水面上，防止钢水增碳、吸气以及保温、稳定电弧、去磷等作用。

根据目前生产情况，一般分三次装料，第一次料应不低于总料量的55%，尽量第一次多装；布料应合理，上松下紧呈馒头形。大料靠下装成放射状，避免塌料或搭桥砸断电极和影响正常熔化，不易导电的炉料(渣铁、石灰、铁合金)不应装在电极下方，生铁不要装在炉门口，因为生铁不易被氧气切割熔化，妨碍吹氧助熔。

当炉内炉料基本化开，形成的熔池面积不超过30%，炉膛内的容积足够时，可以加入第二次料。如果熔池面积过大，可以加入500 kg石灰后再装料，能够减轻喷溅；同时有利于提前造渣，有利于去磷、硫。

1.3 熔化期

因为熔化期占冶炼时间的一半以上，能耗占60%～70%，所以，早期脱磷为氧化期创造良好条件，对保证质量、降低能耗有重要意义。装料结束后，熔化达50%～80%时，可以吹氧助熔，加入适量的氧化铁皮或矿石、石灰有利于提前去磷，保护钢液，避免吸气。

1.4 氧化期

氧化期的目的是去除钢水中的磷、气体、夹杂物等有害物质。采用提前吹氧、熔氧结合的操作方式。

表1 38CrMoAl化学成分要求(质量分数，%)Table1 Chemical composition requirement of 38CrMoAl(mass fraction, %)

熔毕如果磷过高，可以适当扒渣并补造新渣；渣况、温度适宜才可以进行氧化，吹氧氧化的温度不限；要求熔池均匀活跃沸腾，氧气压力0.8～1.5 MPa，吹氧深度为钢水面下200～300 mm，加矿石氧化时，每批矿石的加入量不应大于200 kg，氧化期脱碳量为0.40%，脱碳速度>0.01%min。如果发现有浮起的补炉料及电极块等应及时扒出，以便去除杂质及防止增碳。当钢水中碳、磷符合初炼钢水要求时，可以扒出70%～90%的氧化渣；扒渣温度大于1620℃。如果钢水中的磷、碳符合初炼钢水要求，温度大于1630℃，可以从40 t电炉中出钢，进行倒包操作，按1 kgt的加铝量进行预脱氧。倒包时，严禁氧化物进入LF包中，避免精炼炉回磷。

2 40 t精炼炉操作

2.1 原材料的准备

含铝钢所需的合金及还原剂等要求烘烤良好，精炼钢包需烘烤到900℃以上(包壁呈暗红色)。

还原剂：铝粉、碳粉。视钢水中的硅含量，尽量少用或不用硅钙粉等含硅还原剂。

造渣材料：石灰，要求干燥、块度适中，将石灰中生烧、过烧及碳块等筛选出去；萤石，需要选用优质萤石，达到国家标准Ⅰ级或Ⅱ级标准。如果萤石中SiO2含量超标，则会影响钢水中硅的含量，可能造成化学成分超标。例如：冶炼NAK80时，因为没有控制萤石、石灰的加入量，造成钢水中渣量过多，因钢渣中含有大量SiO2，抽真空前Si为0.16%，加铝抽真空后Si为0.54%，浇注时取样Si为0.62%，致使此炉钢全炉报废。所以，选用优质的萤石和控制加入量是重中之重。

2.2 精炼炉的操作

含铝钢在精炼炉冶炼过程中，最重要的是控制加铝前钢中的硅含量，控制精炼炉中硅含量的方法主要有：

(1)渣量的控制

精炼炉中渣量是钢水重量的1%～1.5%，渣量控制在1%最佳，造渣材料选用低硅含量的造渣材料为宜。

(2)选用合适的还原剂

在精炼炉还原、合金化过程中，所用还原剂最好使用铝粉、碳粉做还原剂，铝粉用量3～5 kgt，碳粉用量1～2 kgt。

(3)选用合适的合金

在精炼炉合金化、微调合金过程中，适宜选用低硅合金，例如：低硅锰铁和低硅铬铁。

综合以上3点，基本上可以控制住钢中硅含量。硅含量在加铝抽真空前必须控制在0.07%～0.10%，以保证加铝后硅含量不超标。其中，如果渣量偏大，加铝前应适当降低钢水中硅的控制量。

2.3 精炼炉加铝过程的控制

当精炼炉钢水中其它合金基本符合要求，温度达到抽真空要求时，可以进行加铝操作。

加铝时，可以分为二批加入。第一批铝块加入后，无铝焰冒出时，可以加入第二批铝块。第二批铝块加入15 min后，无铝焰冒出、温度合适(例如：NAK80的钢熔点是1495℃，抽真空温度是1640℃)，可以进行抽真空操作。如果加铝后发现钢液面上有渣盖，可以适当给电打渣盖，然后再进行抽真空操作。其中，加铝后必须保证大于15 min的反应时间，否则，因为渣中还有部分铝未熔化进钢水中，造成抽真空时，铝焰在真空管道继续燃烧，损坏真空设备。

一般而言，为提高铝的利用率，以选择真空后加铝为宜，但对钢中的气体含量影响很大，所以，为保证质量，公司选择了真空前加铝的方法。真空后加铝的利用率为80%～90%，而真空前加铝的利用率为70%～85%。

2.4 抽真空操作

抽真空过程中，应控制氩气流量，缓慢进行抽真空，避免钢包中钢水剧烈反应，使真空盖粘上，造成设备损坏。当真空度达到66.5 Pa时，保持15 min后方可破空。破空后，应在加热工位停留8～10 min，进行清洁沸腾，有利于钢水中的夹杂及炉渣上浮；在此过程中，可以取样、分析，可以补加少量的合金，进行合金微调，使钢水的成分、温度符合出钢条件。在此过程中，尽量避免给电提温，造成铝合金的烧损和钢水吸气。

3 浇注过程的控制

因为含铝钢中的铝含量高，使钢液变得很粘，浇注时很容易在钢锭头部产生点状偏析，钢锭表面由于铝的氧化造成严重的翻皮，所以浇注时必须认真控制。

首先，在钢锭锭身部位应大流快速浇注，避免钢水吸气造成氧化，在冒口部分应缓慢填充，细流浇注。冒口放置优质保护渣及保温剂，避免冒口产生缩孔和偏析。浇注时间可以比同锭型延长90 s。其次，钢锭脱模后应及时退火，避免钢锭产生裂纹。

4 总结

含铝钢因其含易氧化的金属铝，钢中铝与硅比较难控制，冶炼时必须控制好几个技术要点，这便需要从以下几个方面来改变以往的冶炼工艺：

(1)氧化期必须高温良好沸腾，气体和夹杂的去除要彻底；

(2)还原温度须比平时高一些；

(3)脱氧一定要好，加铝前严格控制钢水中的硅含量；

(4)保证合适的渣量。渣量少会造成钢水吸气、氧化；渣量多会造成加铝后回硅；

(5)浇注时应先快后慢，选用优质的保护渣和保温剂，更换为大口径的水口砖；

在长期的摸索与实践后，改进的冶炼工艺逐渐趋于完善，我公司生产的NAK80、38CrMoAl等含铝钢化学成分趋于稳定，钢锭质量问题有所减少，验证了改进后的冶炼工艺的可靠性。