不同碱度精炼渣系对弹簧钢夹杂物的影响

吴 超，孙宜强，罗德信，鲁修宇

（武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北 武汉，430080）

疲劳断裂是弹簧钢的主要失效形式。工作状态下弹簧承受复杂的交变应力，在钢基与夹杂物接触点处易形成微裂纹，周期应力作用下微裂纹不断扩展，最终导致弹簧疲劳断裂。大量研究表明，夹杂物形貌、尺寸与变形能力是影响弹簧钢疲劳强度的重要因素。Murakami等［1］得出钢的疲劳强度与夹杂物尺寸的经验关系：夹杂物尺寸越大，疲劳强度越低；夹杂物越靠近材料表面，对疲劳强度的影响越大。夹杂物变形能力一般沿用夹杂物变形性指数ν来表征，当ν＝0.03～0.5时，钢基与夹杂物之间形成有锥形间隙的鱼尾形裂纹，ν＝0.5～1.0时，钢基与夹杂物界面很少由于形变产生微裂纹［2］。因此在弹簧钢冶炼过程中，需严格控制夹杂物的尺寸与变形能力［3］。

弹簧钢冶炼方式主要有两种：①采用高碱度（R为4～5）精炼渣加铝脱氧的钢水洁净化工艺（简称洁净钢工艺），将钢水中全氧含量降至（9～10）×10－6，以减少夹杂物数量和尺寸［4］。其缺点是钢中不可变形B类夹杂物含量偏高，影响弹簧局部区域的疲劳性能。②采用低碱度（R≤1.2）精炼渣加硅脱氧的夹杂物塑性化工艺（简称塑性化工艺），将钢液中酸溶铝含量［Als］控制在20×10－6以下，并通过低碱度合成渣精炼工艺将夹杂物成分控制在低熔点塑性变形区。与洁净钢工艺相比，其缺点是钢水洁净度偏低，夹杂物平均尺寸偏大。

目前，关于在塑性化工艺下调整精炼渣系、控制夹杂物成分及尺寸的研究还鲜有报道。因此，为了降低弹簧钢B类夹杂物含量，明确塑性化工艺下不同精炼渣系对夹杂物成分、尺寸与分布的影响，本研究首次采用两次LF炉进站精炼方式，即第一次LF精炼使用高纯硅铁对钢液进行深脱氧与合金化，随后在二次精炼中对比采用两种不同碱度的精炼渣系，并保证合适的钢渣反应时间与氩气软吹时间。通过电子探针、氧氮分析仪等检测手段比较不同精炼条件下钢液中夹杂物的成分、尺寸及钢液全氧含量差异。

1 试验

试验钢种为Si－Cr系弹簧钢55SiCr，其生产流程为：铁水脱硫预处理→120t顶底复吹转炉→LF炉一次精炼→RH钢水循环脱气→LF炉二次精炼→200mm×200mm方坯连铸。该工艺要点如下：

（1）LF炉初次精炼采用高纯度Si－Fe脱氧与合金化，控制钢中酸溶铝含量，降低B类Al2O3系夹杂物数量。

（2）在两次LF炉精炼之间进行约20min RH真空循环脱气处理，降低钢液中的［H］与［O］含量，提高钢水洁净度。

（3）LF炉二次精炼时采用两种不同的合成渣系：高碱度渣系（R＝1.5～2.5）和低碱度渣系（R＝0.5～1.2）。

（4）在LF炉二次精炼过程中，两种渣系下均保证30min以上的氩气软吹时间，使夹杂物有充分时间上浮，以便从钢液中排除。

为了降低钢水中Al、Ti等脆性夹杂物含量，使用了低铝、低钛高纯度合金原料，其成分如表1所示。

表1 合金原料化学成分（wB／%）Table1 Compositions of alloy raw materials

本试验共生产55SiCr弹簧钢4炉，其中1＃、2＃炉采用低碱度精炼渣，3＃、4＃炉采用高碱度精炼渣。通过控制石英砂加入量调整精炼渣碱度至设定值范围内，低碱度精炼渣中按每吨钢3.75 kg添加精炼石英砂，高碱度精炼渣中未添加精炼石英砂。4炉精炼渣样的主要成分见表2，试验钢的化学成分见表3。

对以上4炉钢在LF炉一次精炼、RH真空循环处理、LF炉二次精炼、连铸机中间包等关键流程及部位提取钢液过程样。使用EPMA－1720型电子探针分析每炉钢中间包样的夹杂物形貌、尺寸与成分，每炉中间包钢样中各选取12颗典型夹杂物。使用氧氮分析仪对1＃、3＃炉钢的所有关键流程过程样进行全氧定量分析。

表2 二次精炼渣的主要成分（wB／%）Table2 Compositions of slag systems for secondary refining process

表3 试验钢的化学成分（wB／%）Table3 Compositions of experimental steel

2 结果与讨论

2.1 夹杂物成分

钢液提取样中的夹杂物未经轧制变形，在钢基中呈球状，显微视场下均为圆形颗粒。4炉钢的夹杂物成分均以 Al2O3、CaO、MgO、SiO2为主，少量夹杂物含有一定量MnO。每炉钢中典型夹杂物的形貌、在 Al2O3－SiO2－（MgO＋CaO＋MnO）三元相图中的成分点位置及对应能谱峰图见表4。

从表4中可知，与高碱度精炼工艺相比，低碱度精炼工艺下夹杂物的成分更分散。1＃～4＃炉钢各12颗夹杂物中Al2O3含量实测平均值分别为16.83%、15.03%、19.42%、21.54%，SiO2含量实测平均值分别为52.63%、56.08%、45.27%、42.39%。由此可见，低碱度精炼工艺使夹杂物中Al2O3含量较低，SiO2含量较高。图1为Al2O3－SiO2－CaO三元系统相图，成分位于图中深色标定区域的夹杂物具有良好的塑性变形能力［5］。通过对比可知，低碱度精炼工艺下夹杂物成分更趋近分布于磷石英、假硅灰石区域，塑性变形能力更好，但成分相对分散；高碱度精炼工艺下夹杂物成分亦处于塑性变形区域右下部边界附近，分布相对集中，但夹杂物中Al2O3含量偏高。

表4 钢液提取样中夹杂物的特征Table4 Inclusion characteristics in samples of molten steel

续表4

图1 Al2O3－SiO2－CaO三元相图及低熔点塑性化区域Fig.1 Plastic area with low melting temperature for ternary system Al2O3－SiO2－CaO

2.2 夹杂物尺寸

各炉钢液提取样中单颗夹杂物的尺寸如图2所示，夹杂物颗粒尺寸统计信息见表5。

图2 夹杂物的颗粒尺寸Fig.2 Particle size of inclusions

表5 夹杂物颗粒尺寸统计信息Table5 Statistical information of inclusion size

从图2和表5可以看出，不同碱度精炼渣条件下夹杂物平均尺寸无明显差异。采用低碱度精炼工艺时，钢液中夹杂物尺寸较为分散，标准差分别达到4.35μm和1.60μm，钢液中存在大颗粒夹杂物的概率较大，1＃炉最大夹杂物颗粒尺寸达到17.2μm，2＃炉最大夹杂物颗粒尺寸为7.19 μm，均远远高出平均水平；相比之下，采用高碱度精炼工艺时，夹杂物尺寸分布更为集中。综上所述，高碱度精炼渣使夹杂物尺寸更小，分布更稳定；低碱度精炼渣不利于大颗粒夹杂物的控制和消除。

2.3 全氧含量

1＃、3＃炉关键流程钢液样的全氧含量如图3所示。RH真空循环处理后两炉钢的全氧含量均降至12×10－6，二次精炼后，高碱度3＃炉钢液样的氧含量进一步降至10×10－6，而低碱度1＃炉钢液样的氧含量却上升至18×10－6。排除操作因素的影响后，认为导致钢液回氧的可能原因是1＃炉中加入了石英砂，推动脱氧反应［Si］＋［O］SiO2（s）逆向进行。3＃炉中未加石英砂，并通过氩气软吹使氧化物夹杂充分上浮，因此钢液全氧含量有所下降。由此可见，高碱度合成精炼渣有利于弹簧钢深脱氧。连铸机中间包内，3＃炉钢液样的氧含量回复至12×10－6，1＃炉钢液样的氧含量保持在18×10－6，故连铸过程中氧含量较低的钢液更容易被氧化，应采取必要措施防止钢液增氧。

图3 1＃、3＃炉关键流程钢液样的全氧含量Fig.3 Total oxygen content in molten steel samples from key processes for Refining Furnace 1＃and 3＃

2.4 讨论

试验中两种渣系的二次精炼均以夹杂物塑性化工艺为基础，仅对渣的碱度进行了调整。高碱度二次精炼工艺与传统弹簧钢洁净化冶炼方法有明显区别，由于脱氧方式不同、精炼渣碱度相差较大等原因，无法将钢液中全氧含量降至10×10－6以下，导致高碱度和低碱度精炼工艺下夹杂物平均尺寸无明显差异。4＃炉钢液样中最大夹杂物尺寸达到6.5μm，未完全实现钢水洁净化的目标。

非金属夹杂物中Al2O3的含量与钢中酸溶铝含量密切相关。本试验合金原料高纯硅铁中Al含量为0.051%，由于弹簧钢55SiCr中Si含量高，硅铁合金加入量大，未能将4炉试验钢中酸溶铝含量控制在20×10－6以下，导致夹杂物中Al2O3含量偏高。为了进一步控制与优化夹杂物中Al2O3含量，提高夹杂物塑性变形能力，需严格控制合金材料及耐火砖中Al含量，防止炼钢过程因合金化及耐火砖侵蚀造成酸溶铝含量偏高。

3 结论

（1）不同碱度精炼渣系会影响钢中夹杂物成分。采用低碱度精炼工艺时，夹杂物中Al2O3含量较低，SiO2含量较高，其成分趋近于Al2O3－SiO2－CaO系统中低熔点塑性化区间，但成分更加分散。

（2）两种合成渣精炼工艺对夹杂物平均尺寸无明显影响，但会影响尺寸分布的集中性。相比之下，采用高碱度精炼工艺时，夹杂物平均尺寸更小，分布更均匀。低碱度精炼工艺相对来说不利于大颗粒夹杂物的控制与消除。

（3）低碱度精炼渣系可能由于石英砂的加入而导致脱氧反应逆向进行，造成钢液回氧。

（4）为了优化夹杂物中Al2O3含量，提高夹杂物塑性变形能力，需严格控制合金材料及耐火砖中Al含量，防止炼钢过程因合金化及耐火砖侵蚀造成酸溶铝含量偏高。

［1］Murakami Y，Konada S，Konuma S.Quatitative evaluation of effect of non－metallic inclusions on fatigue strength of high strength steel（I）：basic fatigue mechanism and evaluation of correlation between the fatigue fracture stress and the size and location of non－metallic inclusions［J］.Int J Fatigue，1989，11（5）：297－298.

［2］李正邦，薛正良，张家雯.弹簧钢夹杂物形态控制［J］.钢铁，1999，34（4）：20－23.

［3］薛正良，李正邦，张家雯.不同生产工艺对高强度弹簧钢夹杂物尺寸分布及疲劳性能的影响［J］.武汉科技大学学报：自然科学版，2001，24（3）：221－223.

［4］李海波，王新华，张玮，等.超低氧含量弹簧钢中非金属夹杂物的控制［J］.炼钢，2008，24（5）：19－22.

［5］卓晓军，王立峰，王新华，等.帘线钢中 CaO－SiO2－Al2O3类夹杂物成分的控制［J］.钢铁研究学报，2005，17（4）：26－29.