38CrMoAl钢中硅稳定控制工艺的研究

2021-08-18包石磊白澈力格尔刘晓军牟贝成许明杰

天津冶金 2021年4期

包石磊，白澈力格尔，刘晓军，牟贝成，许明杰

（1．天津荣程联合钢铁集团有限公司，天津 300352；2.钢铁研究总院华东分院江苏 223000）

0 引言

38CrMoAl钢是GB/T 3077《合金结构钢》中专用于氮化处理钢，属于中碳高铝合金结构钢，钢中标准Al含量达到0.70～1.10%。该钢种在渗氮处理过程中，在铸件表面形成氮化铝（AlN）层，起到弥散强化作用，从而提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，并具有良好的耐热性、耐腐蚀性以及尺寸精度较高等特点。因此，该钢种主要应用于特殊用途的零部件，如：齿轮、气缸套、高压阀门、蜗杆以及磨床主轴等。

由于38CrMoAl钢种Al含量较高，冶炼和浇注过程出现钢液异常回硅现象，甚至超标准现象。因此，在保证该钢稳定浇注的同时，如何控制成品钢中硅含量也是该钢种稳定生产的一个技术难点。本文阐述了该钢种的生产工艺流程及成分组成，分析了出现钢液异常回硅现象的原因，提出了控制钢中硅含量的工艺操作要点，并对生产试炼实践情况进行了分析。生产实践表明，通过控硅操作要点的贯彻实施，可以实现38CrMoAl钢转炉连铸工艺钢中最终硅含量稳定控制在标准范围内。

1 38CrMoAl钢生产工艺流程及控制成分

鉴于该钢种Al含量高的特有特性，经查阅相关资料和借鉴其他钢厂生产实际经验[1,2]，在综合考虑各项技术难点情况下，确定了38CrMoAl生产工艺流程和控制成分。生产工艺流程：120吨顶底复吹转炉→LF精炼炉→RH精炼炉→六机六流连铸机。钢水成分控制如表1所示。

表1 38CrMo Al钢内控成分控制表

2 38CrMoAl钢生产工艺难点及回硅原因分析

2.1 生产工艺难点分析

由于该钢种属于中碳高铝合金结构钢，钢中的Al含量比普碳钢高出30～50倍，过高的Al极易把炉渣和过程接触物料中SiO2的氧夺去，形成Al2O3夹杂二次污染钢水的同时，钢水回硅现象较严重。如果在冶炼和浇注过程中操作控制不当，可能导致钢水中Si含量超标而判废。

2.2 回硅原因分析

根据氧与其他元素亲和力排序，Al的与氧的亲和力远大于Si，因此当钢水中Al的含量达到或超过铝氧平衡状态时，炉渣中SiO2的氧极易被铝夺去，导致钢水回硅现象[3]。其热力学反应试为：

4[Al]+3（SiO2）=2（Al2O3）+3[Si]

ΔG0=-720680+133T J·mol-1

3 控制钢中硅含量的工艺操作要点

为稳定控制钢中硅含量，首先要从冶炼工艺和原材物料方面控制钢中硅的来源，从根本上是降低后期钢水回硅现象发生的可能。为此制定了相应的控制钢中硅含量的工艺措施。

3.1 严格控制原辅料以及合金中的Si元素含量

在生产过程中原辅料和合金中的Si元素或化合物是渣中SiO2组元来源的主要途径。在高铝钢生产过程中，炉渣中的SiO2组元极易被Al还原成钢中Si含量，导致钢中硅难以控制。因此对各工序原辅料要求如下：

化渣剂：转炉吹炼过程中使用矿石作为化渣剂，不得使用含Si量高的铁矾土等材料。

合金：对现场使用合金的硅元素进行随机抽查，采用检测结果中Si元素较稳定的金属锰和高碳铬铁作为生产合金。这是因为在随机抽取的合金试样检验中，高碳锰铁中Si含量不稳定，有时含量比较高，而金属锰中Si含量比较低，为了保证第一次生产成功，在冶炼本钢种时使用金属锰；高碳铬铁的Si含量比较高，但由于吨钢加入的量比较少，Si对钢水成分影响比较小，为了降低成本，第一次生产采用高碳铬铁。

脱氧剂：使用2～3 kg/t电石作为脱氧剂，严禁使用钢水促净剂等含Si材料；加入3 kg/t左右的铝饼脱氧，确保到LF炉[Al]≥0.015%。

精炼渣：LF炉使用5～6kg/t石灰，6～7 kg/t预熔精炼渣作为精炼渣，加入数量可以根据LF精炼炉的化渣情况调整，严禁加入含Si量高的普通萤石等材料。

3.2 严格控制钢包渣中的SiO2含量

由于转炉吹炼结束后，炉渣中的SiO2含量在15%左右。通过理论计算，转炉出钢过程中每下渣100 kg时，消耗9 kg铝的同时回硅量为0.007%。因此转炉渣对高铝钢冶炼过程中回硅现象的影响较大。

（1）减少铁水带入渣量。调整生铁和铁水的配比，铁水在入炉前必须进行扒渣。

（2）转炉采用双渣操作。转炉吹炼前期采用双渣操作，将炉内含SiO2较高的炉渣倒掉一半以上，再重新造渣冶炼。

（3）转炉采用挡渣出钢。要保证转炉出钢过程挡渣的效果，减少出钢过程中下渣量；必须在转炉出钢口使用前期冶炼本钢种，以保证出钢挡渣效果，减少下渣量。

综上所述，由于转炉采用双渣操作和挡渣出钢，出钢过程加入含Si少的原辅材料以及采用留渣操作等措施，在精炼末期加入铝锭之前，全部按照常规操作，此时钢包渣中SiO2含量控制在5～6%。

3.3 精炼过程调Al时机的选择

38CrMoAl钢铝含量控制范围为0.80%～1.00%，调铝时机的选择直接决定着钢渣混合层中发生回硅反应的起始点。

（1）在转炉出钢过程加入铝锭，在钢包中钢水以沉淀脱氧为主，减少出钢过程回硅量。

（2）在LF精炼过程采用铝粉和电石进行扩散脱氧，降低钢水和炉渣中氧含量。

（3）在LF精炼中后期使用铝锭一次性调整钢中铝含量至控制范围内。由于钢中的[Al]含量达到0.9%，钢水还原能力很强，导致渣中的SiO2大部分被还原，增加了钢中硅含量，经计算钢中增硅量大约在0.10%～0.15%。

3.4 夹杂物的变性处理

高铝钢生产过程中形成夹杂物基本以Al2O3为主。目前普遍的Al2O3夹杂物变性方法为钙处理[4]，即将Al2O3夹杂转变为12CaO·7Al2O3，并通过钢包底吹使夹杂物上浮被炉渣吸收，但钙处理过程中钢水翻动较严重，使钢水裸露与空气接触几率大。而该钢种铝含量较高，钢水与空气接触极易产生二次氧化形成的Al2O3夹杂，因此采用硅钡线代替钙质芯线进行夹杂物变性处理。由于RH处理后喂入硅钡线，导致渣中的（Si）含量增加。虽然在喂丝过程中钢水出现回硅现象，回硅量为0.03%～0.05%，但在可控范围之内。

3.5 其他工艺要点及注意事项

（1）控制到LF钢水中的C≥0.08%，P≤0.018%；

（2）严格控制出钢量及合金加入量，防止因出钢量少导致合金成分偏高或因出钢量多导致精炼炉调整成分任务重；

（3）LF要保持一定时间的白渣，以加强吸收钢水中夹杂物的能力；

（4）连铸车间要加强连铸设备检查，及时清理或更换堵塞喷嘴，保证铸坯二冷冷却效果良好，同时要加强结晶器振动系统维护；

（5）控制钢水过热度、拉速及二冷水量，从而控制连铸坯低倍组织，使其符合要求；

（6）大包开浇后，根据中包渣面情况补加适量覆盖剂，确保钢水不裸露、渣面不发红。

（7）由于高铝钢浇铸过程中易产生水口结瘤甚至停浇等生产事故，故大包水口采用Ar气密封，中包采用组合式水口，水口接缝采用密封材料密封处理。

4 生产试炼实践情况分析

4.1 生产试炼结果

按照前述工艺要点和改进措施，在某钢厂组织试炼了4炉38CrMoAl钢，重点对该钢种冶炼过程中各阶段钢中Si元素和渣中SiO2的变化情况进行了跟踪和分析。具体各工序与操作点后钢中Si含量以及渣中SiO2含量的变化见表2和表3。

表2 生产过程钢中Si含量变化表

4.2 生产实践结果分析

（1）从表2可以看出，在试生产过程中出现2次明显回硅现象。第一次是LF炉处理后期，经过Al的合金化过程中发生明显的回硅现象，平均增硅量为0.10～0.15%；第二次是RH处理结束后喂入硅钡线后出现回硅现象，平均增硅量为0.05%。综合试验炉次Si的控制看，现行工艺设计与原料选择是可以满足Si的控制。后续可以适当采用锰铁代替金属锰进行试验降低生产成本。

（2）因本钢种是含铝量较高的钢种，为防止浇注时水口结瘤，本次试炼过程钢水过热度控制偏高，拉速、电磁搅拌与二冷参数严格执行工艺要求，连铸生产过程基本正常。

（3）本次试中，连铸使用的保护渣是与供应厂家联合研制的高铝钢专用保护渣，经过对生产的连铸坯检查，没有发现渣沟、裂纹等异常现象，只是生产过程中渣圈现象严重，可以同保护渣厂家的技术人员交流，加以改善。