铁路摇枕和侧架用钢中氧的分析与控制

廖仲宾

(中车眉山车辆有限公司 四川 眉山 610020)

随着中国铁路运输事业的高速发展，高速、重载成为铁路货运发展的主要方向，作为铁路货车生产的主要厂家之一，提高关键行走部件摇枕、侧架的质量是当务之急，钢中的氧不仅会造成铸件中夹杂物的增加，还会引起气泡、疏松等缺陷，严重影响铸件的最终使用性能，因此降低钢水中总的氧质量分数，提高钢水的纯净度对于生产优质产品，确保铁路高速、重载的发展方向具有重要意义。

1 氧对钢性能的影响

氧是炼钢过程中最难控制的有害元素，氧化物不仅会影响产品质量，而且会造成水口节瘤，影响生产的顺利进行，氧在钢中的溶解度很小，主要是以各种合金元素氧化物的形式存在，钢中非金属夹杂物虽然数量不多，但对性能的影响却不可忽视。夹杂物对钢力学性能和工艺性能的影响，主要是降低材料的塑性、韧性和疲劳性能，尤其当夹杂物以不利的形状及分布特征存在时，对材料机械性能的影响更为严重。钢中氧化夹杂物常常是材料点蚀和应力破裂起源部位，它会破坏钢基体的连续性，造成应力集中，促进疲劳裂纹的产生，并在一定条件下加速裂纹的扩展，从而加速疲劳破坏的过程，尤其是大型夹杂物，造成的危害更大。总之，夹杂物尺寸越大，分布越集中，对钢的质量和性能的影响就越大。

众所周知，随着温度的降低，氧在钢中的溶解度逐渐降低，钢中的氧质量分数过高，在凝固过程中，固熔在钢中的氧逐渐析出，析出的氧会同周围的碳发生反应生成CO,CO气泡的总体积补偿了钢液凝固收缩体积，造成铸件的疏松、气孔、气泡等缺陷，在缺陷处容易造成铸件局部的应力集中，在后续处理过程中易造成裂纹，增加了铸件的工序，间接增加铸件的生产成本，因此控制钢水的总氧质量分数对于提高产品质量，降低生产成本具有重要意义。

2 钢中氧的来源及影响因素

与H、N相比，氧在钢中的存在形式以各种合金元素的氧化物为主，因此，降低钢水氧质量分数的方法主要从尽可能降低钢水中的夹杂物着手，氧化系夹杂物的来源主要如图1所示。

图1 钢中氧化系夹杂物的来源

减少钢水中的夹杂物要从两个方面入手：一是减少钢水的外来夹杂物；二是尽可能地除去脱氧产物和减少二次氧化生成的夹杂物。根据氧化物的来源分析，影响最终钢中氧质量分数的因素为原材料。原材料中带入的夹杂在氧化期经过激烈沸腾后大部分会上浮到渣中，通过扒渣可以将原材料带入的夹杂物的影响降到较低水平，但是原材料中带入的夹杂过多，会增大氧化期的压力，使氧化期任务不能很好地完成，氧化期操作的好坏影响着氧化末期夹杂物质量分数的高低，通过良好的氧化期操作，能将原材料中带入的夹杂物的影响降到最低，还原期是一个脱氧的过程，能将钢水中的自由氧降低到一个很低的水平，因此还原期操作的好坏直接决定着最终氧质量分数的高低，出钢过程以及浇注过程对钢中氧质量分数的影响同样重要。使钢液二次氧化的氧，主要来自以下几个方面：(1)钢液卷入的空气。出钢和浇注时，钢液暴露于空气中，而且紊乱的钢液会卷入数量可观的空气，这是钢液被二次氧化的主要原因，根据模拟研究的结果，仅就浇注而言，每浇注1 t钢液，就可卷入空气0.007 m3。(2)钢渣。如果炼钢后期脱氧不好，钢渣中含FeO量太高，出钢时钢和渣发生强烈的混拌，使钢液二次氧化。如修筑钢槽和浇包的耐火材料品质不好，其中一些氧化物可能被钢液中某元素还原，使钢液氧化。或者，耐火材料中的某些氧化物可能与钢液中已形成的氧化物结合，从而使宏观夹杂物增多。(3)氧化性气氛。浇注充型过程中，型内气氛为氧化性气氛，也会使型内的金属氧化。如果铸型中含氧物料多，会使氧化过程加剧。综上所述，氧质量分数的控制贯穿冶炼操作的整个过程，每一步的操作都是为下一步做好准备，因此降低钢水中的总氧质量分数在冶炼操作全程都需要严格控制，并不仅仅是脱氧操作就能完成任务的。

3 实际生产过程中的控制

3.1 预防措施

(1)新包要彻底烘烤48 h以上。

(2)新炉体用电极烘烤8 h。

(3)对炉料进行除锈去污、烘烤处理，减少带入气体源。

(4)对造渣材料及合金严格按工艺要求烘烤。

(5)提前造渣，防止减少钢液吸气。

通过以上措施可以将外来因素对钢中氧质量分数的影响降到最低。

3.2 分析与控制

3.2.1原材料

(1)造渣材料和合金要严格按工艺进行烘烤，还原所用合金即调即用。

(2)干燥脱氧剂。

3.2.2氧化期

氧化期对降低钢水中的氧化系夹杂物，减小外来夹杂物对钢中氧质量分数的影响作用非常大，良好的氧化期操作，可以使夹杂物充分上浮，减少因夹杂物而造成的钢中氧质量分数的增加。

分析：矿石氧化主要在钢渣界面反应，通过FeO的扩散来达到脱碳沸腾的目的，而吹氧氧化通过吹氧管直接给钢液内部提供氧，因此通过矿氧结合氧化操作，控制合理的氧化温度和脱碳速度，可以使整个熔池均匀沸腾，达到净化钢液的目的。

控制：

(1)矿氧结合，做到激烈均匀沸腾，脱碳量不小于0.30%，冶炼过程中合理控制温度，矿石氧化温度不小于1 570 ℃，氧气氧化温度不小于1 550 ℃；脱碳速度为0.01%/min～0.03%/min，使钢中气体、夹杂物降到较低的质量分数。

(2)预脱氧锰不小于0.20%，定碳防止钢液过氧化，静沸腾时不少于10 min，使钢中残余氧量降低，并使气体和非金属夹杂物充分上浮。

(3)扒渣温度不低于1 620 ℃，防止还原后期升温，影响精炼效果。

(4)快速干净彻底扒除氧化渣，迅速造稀薄渣覆盖钢液表面，减少和防止钢液吸气。

(5)预脱氧用Al量为0.5 kg/t，减轻还原其脱氧负担。

3.3.3还原期控制

还原期的主要目的是尽可能地去除钢水中的氧，将钢中的氧质量分数降低到规定范围，因此还原期操作的好坏直接决定着最终氧质量分数的高低。

分析：目前脱氧操作主要是沉淀脱氧和扩散脱氧，在还原期由于没有沸腾，沉淀脱氧产物上浮比较困难，通过合理的脱氧加入顺序，可以将脱氧产物控制为比较容易上浮的复合型脱氧产物；扩散脱氧是一个扩散平衡的过程，因此在还原操作过程中必须在白渣状态下保持一定时间，以利于夹杂物的上浮和钢中氧的去除。

控制：

(1)加入沉淀脱氧剂：Mn、Si、Cr，严禁先加Si后加Mn。

(2)加入合金后5～10 min勤加搅拌，加速钢液合金化，促使脱氧产物易聚合而上浮，加速白渣快速形成。

(3)白渣保持时间不少于20 min，流动性要好，FeO质量分数要低，碱度在R3左右，呈泡沫状。

(4)终脱氧：用Al量为1.5 kg/t，保证钢液残铝量在0.02%～0.08%范围内。

3.3.4出钢控制

分析：良好的出钢温度和出钢方式，可以将出钢过程中二次氧化的影响降到最低。

控制：

(1)出钢温度为1 600 ℃～1 630 ℃，可根据铸型大小、质量、数量，决定出钢温度上、中、下限。

(2)出钢口大口深坑，出钢槽光洁平整。

(3)摇炉速度不能过快以防先出钢后出渣。

(4)钢渣混出减少二次氧化。

(5)防止出钢散流与细流，严禁电石渣出钢。

3.3.5钢包精炼：喂线+包底吹氩工艺

(1)喂铝线脱氧时，降低钢中氧质量分数关键是去除Al2O3，合理的渣量及吹氩搅拌工艺能有效去除Al2O3。

(2)包内精炼喂入硅钙线可改变Al2O3形态。

(3)通过包底吹氩气泡上浮，带动钢水沸腾，促使钢水中碳与氧化亚铁进行反应，从而起到脱氧的作用[1-2]。

3.3.6减少和防止钢液二次氧化

(1)保证钢液脱氧良好，钢液中FeO质量分数不大于0.5%，因为钢渣中FeO质量分数高，出钢时钢和渣发生强烈搅拌，使钢液二次氧化。

(2)严格控制碳钢和低合金钢中Si质量分数在0.3%～0.5%的范围，以保证钢液有防止二次氧化的脱氧余力。

(3)整流浇注，可以减少钢流表面积，减少二次氧化。

(4)干燥铸型，铸型内氧化物料要少，减少氧化机率。

4 效果论证

通过以上分析，在现有工艺设备条件下，有效地控制钢中氧质量分数主要有以下几个方面：(1)氧化期：采用正确的矿氧结合操作。(2)还原期控制：保证合理的白渣制度。(3)出钢控制和钢包精炼。(4)减少和防止钢液二次氧化。

采取以上措施后，近年来抽样对所炼钢种的氧质量分数进行分析，均没有超标的炉次。实施效果证明，只要在操作过程中严抓细管，认真做好每个细节工作，铸件氧质量分数指标完全可以达到工艺要求的不大于0.006%的标准。