王豐產(chǎn)，王曉紅，苗 鋒，于 泳

（天津鋼管集團(tuán)特鋼公司，天津300301）

38CrMoAlA高鋁鋼生產(chǎn)工藝實踐

王豐產(chǎn)，王曉紅，苗 鋒，于 泳

（天津鋼管集團(tuán)特鋼公司，天津300301）

針對38CrMoA1A鋼種鋁含量很高（[Al]=0.70%～1.10%），冶煉時鋁不易加入，收得率不穩(wěn)定，鋼液容易增硅等問題，從原料、電爐、精煉、真空處理、連鑄制定了相應(yīng)的控制措施，成功開發(fā)了高鋁鋼生產(chǎn)工藝，使鋼液增硅量控制在0.03%～0.07%，鋁的平均收得率為78.74%。經(jīng)檢驗，鑄坯成分、低倍檢驗、夾雜物評級、氣體含量均滿足要求，在不進(jìn)行鈣處理的情況下，未發(fā)生絮水口、結(jié)晶器液位波動。

高鋁鋼；增硅；生產(chǎn)工藝

1 引言

38CrMoA1A是含鋁氮化鋼經(jīng)滲氮化學(xué)處理后，鋼的氮化層中形成氮化鋁（A1N）。依靠A1N的彌散硬化作用可以提高鋼材的表面硬度和強(qiáng)度。這種材料通常用來制造有特殊要求的零部件，如汽缸套、齒輪、高壓閥門、蝸桿和磨床主軸等。面對嚴(yán)峻的市場形勢，天津鋼管集團(tuán)特鋼公司依托現(xiàn)有設(shè)備優(yōu)勢，決定開發(fā)38CrMoA1A高鋁鋼，分別在第二煉鋼廠、第三煉鋼廠采用EAF-LF-VD-CCM及EAF-LF-RHCCM工藝進(jìn)行試驗，成功開發(fā)了高鋁鋼生產(chǎn)工藝。

2 鋼種特點(diǎn)

（1）從鋼種成分可以看出（見表1），38CrMoAlA鋼種鋁含量高達(dá)0．70%～1．10%，約為普通鋼種的40倍。由于鋁極易氧化、熔點(diǎn)低（660℃）、比重?。?．68 g/cm3）的特點(diǎn)，造成該鋼種在冶煉時鋁不易加入、收得率很不穩(wěn)定，容易造成鋁成分不合。

表1 38CrMoAlA鋼種化學(xué)成分 /%

（2）由渣中SiO2與鋼中鋁反應(yīng)的公式（1）[1]可知，在煉鋼溫度范圍內(nèi)，該反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行，且趨勢強(qiáng)烈。因此，對于高鋁鋼來說，勢必造成渣中SiO2被還原，導(dǎo)致鋼液增硅，鋼液硅含量控制困難。

（3）由于鋼液鋁含量很高，如果連鑄保護(hù)澆注不好，就會造成鋼液的二次氧化，會有相當(dāng)一部分氧化物未能上浮而滯留在鋼中，從而造成水口堵塞，造成絮流，對連澆造成很大的威脅，也對鋼液質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

從以上分析可以看出，38CrMoAlA鋼種生產(chǎn)難點(diǎn)在于：鋁的加入時機(jī)、鋼中硅含量的控制、渣中SiO2含量控制、鋼液的二次氧化及連鑄過程的保護(hù)澆注等。

3 生產(chǎn)工藝控制要點(diǎn)

3．1EAF

（1）采用優(yōu)質(zhì)廢鋼+鐵水的配料方案，嚴(yán)禁使用殘余、有害元素較高的鋼鐵料，采用底鋪“石灰+鐵鱗”方案，盡早形成爐渣脫磷、覆蓋鋼水，減小電弧裸露。

（2）控制合適的裝入量和留鋼量，保證出鋼不下渣，以免對精煉操作產(chǎn)生不利影響，同時對渣中SiO2含量產(chǎn)生影響。根據(jù)生產(chǎn)實踐，出鋼下渣將嚴(yán)重惡化鋼水精煉條件，導(dǎo)致鋼水成分[P]超標(biāo)，合金收得率低，渣料加入量大，鋼水夾雜物多，鋼水澆注質(zhì)量差等問題。

（3）電爐冶煉全程造好泡沫渣，適時噴吹碳粉，確保泡沫渣效果，減少鋼液吸氮，提高電爐出鋼碳含量控制，降低初始鋼液過氧化程度，電爐出鋼C控制在 0.08%以上，同時出鋼前合成球加入600～800 kg/爐，降低出鋼鋼液氧化性。

（4）電爐采用鋁鐵脫氧，不使用硅鈣鋇等含硅的脫氧劑進(jìn)行脫氧，同時減少初調(diào)硅鐵的用量，避免因含硅的脫氧劑及硅鐵氧化造成渣子堿度降低，在后期加鋁合金化后渣中SiO2被還原，造成硅含量不易控制或硅含量超標(biāo)。

3．2 LF

（1）精煉前期加強(qiáng)脫氧，根據(jù)初始鋼樣鋁含量情況喂入鋁絲，鋼液鋁含量在0.030%～0.040%，同時使用鋁粉進(jìn)行渣面脫氧，迅速將渣中的（FeO）、（MnO）等氧化物還原，提高精煉渣的還原性，注意渣面脫氧嚴(yán)禁使用碳化硅、復(fù)合脫氧劑等含硅脫氧劑脫氧。

（2）給電過程中精煉爐蓋應(yīng)該盡量蓋嚴(yán)，保證爐內(nèi)為微正壓，降低鋼液吸氣。精煉過程中根據(jù)不同的時期，注意氬氣的控制：精煉前期氬氣可以大一些，保證成分和溫度的均勻化，同時快速成渣；精煉中后期，氬氣要盡量小一些，減少鋼液的二次氧化，同時減少鋼液的吸氮。

（3）精煉過程中使用高鋁熟料調(diào)整爐渣，保證爐渣有良好的流動性，同時白渣處理時間不低于15 min。

（4）精煉成分調(diào)整要特別注意處理前期不調(diào)Si，等處理后期根據(jù)鋼水硅含量情況，調(diào)整硅成分至下限加0.05%～0.07%。

3．3VD/RH

（1）進(jìn)行VD處理，精煉結(jié)束倒渣，倒渣前加入螢石，保證爐渣流動性，以免渣面結(jié)殼，影響倒渣效果，倒渣后就位VD，加入鋁塊后抽真空。

（2）進(jìn)行RH處理，不進(jìn)行倒渣操作，在RH真空處理過程中分批加入鋁豆，每批加入量控制在300～350 kg。

（3）真空處理后弱攪拌時間≥15 min，保證夾雜物充分上浮去除，弱攪拌時不得造成鋼液裸露，防止鋼液二次氧化。

3．4CCM

（1）開澆前中包進(jìn)行吹氬操作，減少開澆時鋼液的二次氧化，提高開澆成功率。

（2）澆鑄時確保長水口垂直，吹氬保護(hù)效果良好，中包覆蓋劑加入充足，防止鋼液二次氧化。

4 生產(chǎn)結(jié)果分析

第二煉鋼廠試生產(chǎn)過一爐該鋼種，當(dāng)時鋁的加入方式為精煉結(jié)束時加入鋁鐵（含鋁約40%），然后進(jìn)行VD處理，但是造成硅高，被迫改其他鋼種，該爐生產(chǎn)前，根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，考慮到鋼液會增硅，但是沒有想到增硅這么多，分析主要有以下兩方面原因：第一，精煉結(jié)束加鋁鐵，導(dǎo)致鋁鐵與爐渣反應(yīng)劇烈，渣中SiO2均被還原，這點(diǎn)可以從Al的收得率就可以反映出來，加入鋁鐵后鋁的收得率僅為50%；第二：精煉前期加入的硅錳、精煉過程加入的硅鐵、復(fù)合脫氧劑、石灰及高鋁熟料等原料均會帶入含硅物質(zhì)。

通過對該爐生產(chǎn)情況的分析，結(jié)合該鋼種特點(diǎn)，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了調(diào)整，成功開發(fā)了高鋁鋼生產(chǎn)工藝。

4.1 鋁的收得率情況

由于鋁很容易氧化，因此生產(chǎn)該鋼種時加鋁選擇在真空處理前進(jìn)行，如果電爐出鋼過程中加入大量鋁，出鋼時會造成鋁的大量氧化，而且隨著精煉處理過程的進(jìn)行，鋁的衰減量也很大，造成鋁的收得率很低。精煉處理結(jié)束后，鋼液脫氧很充分，且爐渣氧化性很低，VD處理前倒渣，倒渣后加鋁塊，鋁的收得率相對要高一些。VD和RH處理兩種方式，鋁的收得率相差不大，如表2所示，鋁的收得率平均為78.74%，最高82.51%，最低70.17%。這是因為：VD處理前雖然進(jìn)行倒渣，但還有一部分渣子在鋼包中，剩余的爐渣與加入的鋁進(jìn)行充分的反應(yīng)，會消耗一部分鋁，這可以從表3中VD前后SiO2及Al2O3含量變化可以看出，冶煉時有一爐鋼精煉結(jié)束時渣子較黏，倒渣不徹底，導(dǎo)致該爐鋁收得率僅為70.17%，可以看出倒渣情況對鋁的收得率影響很大。另外RH雖然在真空處理過程中加鋁，但是由于RH真空槽內(nèi)壁冷鋼、RH結(jié)束爐渣流動性、弱攪拌強(qiáng)度等不同，鋁的損失量就不同，從而導(dǎo)致鋁的收得率會有所差別。因此要穩(wěn)定鋁的收得率除了控制渣中SiO2含量，還需要從倒渣控制、爐渣流動性、槽壁冷鋼、弱攪拌控制等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。

表2 鋁的收得率/%

4.2鋼液中硅含量變化情況

由于電爐和精煉均采取了嚴(yán)格的控制鋼中硅含量及渣中SiO2含量的措施，精煉前期至中期鋼液中的硅含量有所增加，一般增硅0.03%～0.05%，精煉后期基本穩(wěn)定，因此精煉中后期至精煉結(jié)束前，將鋼液中的硅含量控制在下限加0.05%～0.07%控制。圖1為鋼液中硅含量變化情況，由圖可以看出，VD前后鋼液增硅0.03%～0.06%，RH前后鋼液增硅0.04%～0.07%，無論采用VD還是RH處理方式，加鋁前后鋼液均會增硅，但是通過對比真空處理后及成品硅含量可以看出，VD處理增硅量要小于RH處理增硅量，這是因為VD有充分的鋼渣反應(yīng)，VD結(jié)束時鋼渣反應(yīng)趨于穩(wěn)定，而RH處理鋼渣反應(yīng)很小，隨著弱攪拌的進(jìn)行，鋼渣會進(jìn)一步反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼液硅含量會進(jìn)一步增加。

4.3 渣中組分的變化情況

通過前面的分析可以知道，加鋁后鋁會與渣中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致渣中的SiO2被還原，渣中SiO2含量明顯降低，表3所示為加鋁前后渣中組分的變化情況。由于VD爐和RH爐兩種工藝加鋁方式不同，導(dǎo)致渣中SiO2含量的變化不同。由于是VD處理前加鋁，加鋁后進(jìn)行真空處理，真空過程中渣鋼會進(jìn)行充分的反應(yīng)，從表中可以看出，渣中SiO2基本上全部被還原，渣中SiO2＜0.50%，而渣中Al2O3含量明顯增加，反應(yīng)進(jìn)行比較充分。RH處理過程中通過真空料斗將鋁直接加入鋼液中，渣鋼間反應(yīng)沒有VD處理時反應(yīng)劇烈，渣中SiO2在2%～5%。

4.4鋼液成分、氣體含量、低倍及夾雜物控制情況

鋼液化學(xué)成分控制穩(wěn)定，見表4，其中P≤0.011%，S≤0.002%，鑄坯中氧、氮、氫含量均較低。

圓坯低倍情況如圖2及表5所示，管坯低倍評級共13片試樣，除中心疏松均為1.0級外，其它均為0級，低倍檢驗結(jié)果完全滿足技術(shù)要求，且未見高鋁鋼易產(chǎn)生的邊緣點(diǎn)狀偏析缺陷。

成品鋼管中夾雜物評級情況，如表6所示，42片試樣中除A細(xì)、D細(xì)為0.5級外，其它類型夾雜物評級均為0級。

4.5關(guān)于夾雜物的變性處理

表4 38CrMoAlA化學(xué)成分控制情況/%

圖2 圓坯低倍

表5 低倍評級

表6 夾雜物評級

在澆鑄含鋁鋼時為防止A12O3夾雜物堵塞水口，通常都采取鋼水鈣處理工藝，要求鈣鋁比控制在0.09～0.14之間，目的是形成12CaO·7Al2O3或成分接近12CaO·7Al2O3的低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽。如文獻(xiàn)[2]中建議生產(chǎn)高鋁鋼（Al：0.32%～0.39%）時，鋼中鈣含量應(yīng)控制在0.004 0%～0.008 5%，但是鋼中如此高的鈣含量很難達(dá)到。對于38CrMoAlA鋼中鋁含量大大高于傳統(tǒng)的含鋁鋼，要將鈣鋁比控制在0.09～0.14更難，同時鋁合金化后喂鈣線時造成鋼水大翻騰，增加了鋼水的二次氧化，因此該鋼種不采取鈣處理的方式。從上面低倍及夾雜物檢驗可以看出，未發(fā)現(xiàn)有夾雜物超標(biāo)情況。由于該鋼種每批合同量較少，澆次小，目前的情況下，最多為3爐連澆，澆注結(jié)束后，取水口樣，發(fā)現(xiàn)水口內(nèi)壁與正常澆注（9～11爐）爐次相同，沒有明顯的附著物，另外澆注過程中，沒有發(fā)現(xiàn)液位不穩(wěn)、液位波動大的情況。

因此，在不進(jìn)行鈣處理的情況下，只要采取全程保護(hù)澆注，避免開澆燒氧等措施，可以保證不發(fā)生絮水口、液位波動等情況。

5 結(jié)論

（1）高鋁鋼渣鋼間存在強(qiáng)烈的渣鋼反應(yīng)，易導(dǎo)致鋼水增硅，電爐、精煉采取相應(yīng)的控制措施，控制鋼液硅含量及渣中SiO2含量，可以穩(wěn)定控制鋼液增硅量，一般增硅0.03%～0.07%，實現(xiàn)硅含量穩(wěn)定控制。

（2）通過VD處理前倒渣，倒渣后加鋁塊，RH處理過程中加鋁塊，鋁的收得率相對穩(wěn)定，平均收得率為78.74%。

（3）采用EAF-LF-VD-CCM及EAF-LF-RH -CCM的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的38CrMoAlA鋼種，鋼液成分、低倍、夾雜物、氣體含量等均滿足要求。

（4）38CrMoAlA鋼種不采取鈣處理的方式，鋼液低倍及夾雜物檢驗正常，浸入式水口沒有明顯的附著物，澆注過程中沒有發(fā)現(xiàn)液位不穩(wěn)、液位波動大的情況。

[1]張佩燦．高鋁鋼脫氧工藝和造渣技術(shù)研究[D]．沈陽：東北大學(xué)，2011：20．

[2] 孫彥輝，王小松，許中波，等．高鋁鋼鈣處理工藝熱力學(xué)研究[J]．北京科技大學(xué)學(xué)報，2011，33（1）：121-125．

Practice of High Aluminum Steel 38CrMoAlA Production Process

WANG Feng-chan,WANG Xiao-hong,MIAO Feng and YU Yong
(Special Steel Subsidiary,Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

In order to address the problems of high aluminum content in 38CrMoA1A steel([Al]= 0．70%～1．10%),difficult aluminum addition in smelting,unstable yield and susceptibility of silicon pick-up in liquid steel,relevant control measures were formulated from the sides of raw material, electric arc furnace,ladle furnace,vacuum degassing treatment and continuous casting．The production process for high aluminum steel was developed successfully,with silicon pick-up within 0．03%～0．07% and average aluminum yield up to 78．74%．During inspection,billet composition,macroscopic examination,inclusion rating and gas content were found to satisfy all the requirements．Without calcium treatment,no nozzle blockage and mould level fluctuation took place．

high aluminum steel;silicon pick-up;production process

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．006

2013-09-16

2013-10-10

王豐產(chǎn)（1980—），男，碩士，工程師，主要從事煉鋼工藝及新產(chǎn)品開發(fā)研究工作。