钙处理对20CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 钙处理对20 CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 季莎张立峰罗艳王伟健王新东张建元 Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel JI Sha,ZHANG Li-feng.LUO Yan,WANG Wei-jian,WANG Xin-dong.ZHANG Jian-yuan 引用本文： 季莎，张立峰，罗艳，王伟健，王新东，张建元.钙处理对20 CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响[U.工程科学学报，2021， 43(6:825-834.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.04.14.004 JI Sha,ZHANG Li-feng,LUO Yan,WANG Wei-jian,WANG Xin-dong,ZHANG Jian-yuan.Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(6):825-834.doi: 10.13374.issn2095-9389.2020.04.14.004 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.04.14.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报.2020,42(7)：912 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.15.005 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报.2019,41(12：1567htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.18.004 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel 工程科学学报.2020.42(S:14 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.25.s13 20 CrMnTit齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 Pitting sensitivity and crack initiation risk of 20CrMnTi gear steel 工程科学学报.2017,395：731 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.05.011 RH精炼过程中吹氧量对F钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报.2020,42(7)：846 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.19.002 稀土-镁复合处理对GC15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报.2019,41(6：763 https::/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.008

钙处理对20CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 季莎 张立峰 罗艳 王伟健 王新东 张建元 Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel JI Sha, ZHANG Li-feng, LUO Yan, WANG Wei-jian, WANG Xin-dong, ZHANG Jian-yuan 引用本文: 季莎, 张立峰, 罗艳, 王伟健, 王新东, 张建元. 钙处理对20CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(6): 825-834. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004 JI Sha, ZHANG Li-feng, LUO Yan, WANG Wei-jian, WANG Xin-dong, ZHANG Jian-yuan. Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(6): 825-834. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法 Detection of nonmetallic inclusion in high-strength gear steel with high cleanliness 工程科学学报. 2020, 42(7): 912 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005 202不锈钢中非金属夹杂物的形成机理 Formation mechanism of non-metallic inclusions in 202 stainless steel 工程科学学报. 2019, 41(12): 1567 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.18.004 不锈钢中夹杂物三维形貌及其热力学计算 Three-dimensional morphology and thermodynamic calculation of inclusions in stainless steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 14 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s13 20CrMnTi齿轮钢的点蚀敏感性及裂纹萌生风险 Pitting sensitivity and crack initiation risk of 20CrMnTi gear steel 工程科学学报. 2017, 39(5): 731 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.011 RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响 Effect of oxygen blowing during RH treatment on the cleanliness of IF steel 工程科学学报. 2020, 42(7): 846 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002 稀土-镁复合处理对GCr15轴承钢中夹杂物的影响 Effect of rare earth and magnesium complex treatment on inclusions in GCr15 bearing steel 工程科学学报. 2019, 41(6): 763 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.008

工程科学学报.第43卷，第6期：825-834.2021年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.6:825-834,June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004;http://cje.ustb.edu.cn 钙处理对20 CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 季莎)，张立峰2)区，罗艳，王伟健)，王新东)，张建元) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)燕山大学亚稳材料科学技术国家重点实验室，秦皇岛0660043)凌源钢铁股份有 限公司技术中心，凌源122500 ☒通信作者，E-mail:hanglifeng@ysu.edu.cn 摘要铝脱氧齿轮钢中易生成大量的高熔点A,O3类夹杂物.容易导致水口结瘤及钢材性能恶化，目前较常采用钙处理将 钢中高熔点的AO类夹杂物改性为低熔点的钙铝酸盐类夹杂物.合理的钙处理可以减轻水口结瘤并提高连铸过程钢液的 可浇性，工业试验研究了喂钙前钢液中T.C含量、喂钙速度、喂钙量、净空高度及渣厚等参数对齿轮钢中钙收得率的影响， 并在1.5ms的喂钙速度条件下研究了不同喂钙量对钙处理过程中齿轮钢中非金属夹杂物改性的影响.研究结果表明，当喂 钙前钢液中T.Ca的质量分数小于10×106.喂钙速度为1.5ms,适当降低喂钙量和净空高度和渣厚，钢液中钙收得率均高于 20%.当钢液中T.Ca的质量分数高于17×106时，钢中生成大量高熔点CS型夹杂物，三元相图中夹杂物的平均质量分数远 离液相区.随着齿轮钢中T.C含量的增加，夹杂物的平均尺寸和数密度逐渐增加.热力学计算结果与工业试验钙处理对钢 中非金属夹杂物改性效果具有较好的一致性 关键词钙处理：钙收得率：非金属夹杂物：齿轮钢：热力学计算 分类号TF703.5 Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel JI Sha,ZHANG Li-feng,LUO Yan",WANG Wei-jian,WANG Xin-dong,ZHANG Jian-yuan 1)School of Metallurgy and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Lab of Metastable Materials Science and Technology,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China 3)Technology Center,Lingyuan Iron and Steel Co.Ltd.,Lingyuan 122500,China. Corresponding author,E-mail:zhanglifeng @ysu.edu.cn ABSTRACT Obtaining high-quality gear steel calls for strict requirements on the oxygen content,shape,composition,size,and distribution of nonmetallic inclusions to ensure high-quality steel and castability of the molten steel during the continuous casting process.Al2O,inclusions with high melting point are easily generated in Al-deoxidized gear steel,and they easily result in nozzle clogging and deterioration in the properties of the steel.A reasonable calcium treatment can reduce the nozzle clogging and increase improving the castability of the molten steel,and thus it has been widely used in steel plants.Calcium treatment is often used to convert Al2O;inclusions with high melting point to calcium aluminate with low melting point.The factors of calcium treatment on nonmetallic inclusions in gear steel were investigated through industrial trials.The dependency of calcium yield on various factors,namely,the amount of calcium addition,feeding speed of calcium wire,and feeding position and slag thickness were discussed.The effect of the amount of calcium addition on nonmetallic inclusions in the molten steel was studied at a feeding rate of 1.5 m-s With the initial mass fraction ofT.Ca lower than 10x10 in the steel and a feeding rate of 1.5 ms,the calcium yield can be higher than 20%if the amount of calcium addition,clearance height,and slag thickness during the refining process are appropriate.Large numbers of nonmetallic Cas inclusions with high melting point are formed in the molten steel with the mass fraction of T.Ca higher than 17x10,and the inclusions 收稿日期：202004-14 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1860206.51725402)

钙处理对 20CrMnTiH 齿轮钢中非金属夹杂物的影响 季    莎1)，张立峰2) 苣，罗    艳1)，王伟健1)，王新东1)，张建元3) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 燕山大学亚稳材料科学技术国家重点实验室，秦皇岛 066004    3) 凌源钢铁股份有 限公司技术中心，凌源 122500 苣通信作者，E-mail：zhanglifeng@ysu.edu.cn 摘    要    铝脱氧齿轮钢中易生成大量的高熔点 Al2O3 类夹杂物，容易导致水口结瘤及钢材性能恶化，目前较常采用钙处理将 钢中高熔点的 Al2O3 类夹杂物改性为低熔点的钙铝酸盐类夹杂物. 合理的钙处理可以减轻水口结瘤并提高连铸过程钢液的 可浇性，工业试验研究了喂钙前钢液中 T.Ca 含量、喂钙速度、喂钙量、净空高度及渣厚等参数对齿轮钢中钙收得率的影响， 并在 1.5 m·s−1 的喂钙速度条件下研究了不同喂钙量对钙处理过程中齿轮钢中非金属夹杂物改性的影响. 研究结果表明，当喂 钙前钢液中 T.Ca 的质量分数小于 10×10−6，喂钙速度为 1.5 m·s−1，适当降低喂钙量和净空高度和渣厚，钢液中钙收得率均高于 20%. 当钢液中 T.Ca 的质量分数高于 17×10−6 时，钢中生成大量高熔点 CaS 型夹杂物，三元相图中夹杂物的平均质量分数远 离液相区. 随着齿轮钢中 T.Ca 含量的增加，夹杂物的平均尺寸和数密度逐渐增加. 热力学计算结果与工业试验钙处理对钢 中非金属夹杂物改性效果具有较好的一致性. 关键词    钙处理；钙收得率；非金属夹杂物；齿轮钢；热力学计算 分类号    TF703.5 Effect of calcium treatment on nonmetallic inclusions in 20CrMnTiH gear steel JI Sha1) ，ZHANG Li-feng2) 苣 ，LUO Yan1) ，WANG Wei-jian1) ，WANG Xin-dong1) ，ZHANG Jian-yuan3) 1) School of Metallurgy and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Lab of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China 3) Technology Center, Lingyuan Iron and Steel Co. Ltd., Lingyuan 122500, China. 苣 Corresponding author, E-mail: zhanglifeng@ysu.edu.cn ABSTRACT    Obtaining  high-quality  gear  steel  calls  for  strict  requirements  on  the  oxygen  content,  shape,  composition,  size,  and distribution  of  nonmetallic  inclusions  to  ensure  high-quality  steel  and  castability  of  the  molten  steel  during  the  continuous  casting process.  Al2O3 inclusions  with  high  melting  point  are  easily  generated  in  Al-deoxidized  gear  steel,  and  they  easily  result  in  nozzle clogging and deterioration in the properties of the steel. A reasonable calcium treatment can reduce the nozzle clogging and increase improving the castability of the molten steel, and thus it has been widely used in steel plants. Calcium treatment is often used to convert Al2O3 inclusions with high melting point to calcium aluminate with low melting point. The factors of calcium treatment on nonmetallic inclusions  in  gear  steel  were  investigated  through  industrial  trials.  The  dependency  of  calcium  yield  on  various  factors,  namely,  the amount of calcium addition, feeding speed of calcium wire, and feeding position and slag thickness were discussed. The effect of the amount of calcium addition on nonmetallic inclusions in the molten steel was studied at a feeding rate of 1.5 m·s−1. With the initial mass fraction of T.Ca lower than 10×10−6 in the steel and a feeding rate of 1.5 m·s−1, the calcium yield can be higher than 20% if the amount of calcium addition, clearance height, and slag thickness during the refining process are appropriate. Large numbers of nonmetallic CaS inclusions with high melting point are formed in the molten steel with the mass fraction of T.Ca higher than 17×10−6, and the inclusions 收稿日期: 2020−04−14 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1860206，51725402） 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期：825−834，2021 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 6: 825−834, June 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.14.004; http://cje.ustb.edu.cn

826 工程科学学报，第43卷，第6期 are formed far away from the liquidus region.With increase in the T.Ca content in the steel,the average size and number density of the nonmetallic inclusions gradually increase.The effect of calcium treatment on the modification of nonmetallic inclusions studied by thermodynamic calculation results agrees well with the measurements taken via industrial trials. KEY WORDS calcium treatment;calcium yield;nonmetallic inclusions;gear steel;thermodynamic calculation 高品质齿轮钢对于钢中的非金属夹杂物的性 率的影响.张立峰等四根据钢液成分（特别是钢 质要求较高，在钢中氧含量较低的同时，对钢中非 中T.O含量、酸溶铝A含量和T.S含量)、钢液 金属夹杂物的形态、成分、尺寸和分布具有较高 温度、合金中钙的含量、合金的收得率对钙的加 要求，以保证钢材质量及连铸过程钢水的可浇性 入量进行了精准的热力学计算，并用以指导生产 20 CrMnTiH齿轮钢一般采用铝脱氧，钢中易生成 实践.目前文献报道中关于钙处理对钢中非金属 大量的高熔点A2O3类夹杂物，容易导致水口结瘤 夹杂物的改性理论计算，初始钢中夹杂物成分主 及钢材性能恶化，需要对其进行改性.目前较常采 要简化为Al2O,21或Al203Mg029,尚未考虑钢中 用的夹杂物改性方法是通过合理的钙处理，将钢 实际夹杂物成分.张立峰0结合齿轮钢喂钙前钢 中高熔点的Al2O3和A12O3Mg0夹杂物改性为低 液中实际夹杂物成分，通过FactSage7.1软件得到 熔点的钙铝酸盐类夹杂物，以防止齿轮钢在浇铸 了齿轮钢钢液精准钙处理的液态窗口.本文以工 过程中的水口结瘤并降低脆性夹杂物对于齿轮钢 业试验为基础，研究实际生产过程中钙处理对钢 性能的危害山，难以变形的氧化物夹杂是齿轮钢在 中非金属夹杂物的改性，进一步优化现场喂钙操作 使用过程中疲劳损坏的主要原因回.合理的钙处理 1参数对钙收得率的影响 可以减轻水口结瘤，提高连浇炉数，在国内外的钢 厂中已经得到广泛的应用)，但由于钢中含有一定 本研究考虑实际齿轮钢中初始夹杂物成分， 量的T.S和T.O,当钙处理不当时，钢中会生成大 对钙处理过程夹杂物的转变进行研究.基于国内 量的CaS或CaO等高熔点夹杂物-，同样会导致 某厂齿轮钢KR铁水预处理→BOF→LF→CC生产 水口结瘤.此外，合理的钙处理能够使钢中形成更 工艺，在相同喂钙量条件下对1.5、2.0和2.5ms1 多的复合硫化物，可以有效降低钢中硫化物夹杂 3种喂钙速度进行工业试验，研究了不同喂钙参数 物的长宽比，以实现钢中硫化锰夹杂物的球形和 对钙收得率的影响.结合已报道的热力学理论计 纺锤化6刀目前对于铝脱氧钢的钙处理具有较多 算结果和钙收得率的影响因素，对不同喂钙量条 研究，主要包括钙处理对夹杂物的改性机理⑧1刃、 件下齿轮钢LF精炼喂钙前2min和中间包浇铸中 动力学8-2训和热力学2-2等.有研究表明，钢中夹 期进行取样，不同喂钙量炉次中间包内钢液的主 杂物的CaS/CaO质量比与钢中的T.S/T.O质量比 要成分如表1所示.通过自动扫描电镜随机选取 呈线性相关吲因此，对于钢在钙处理过程中钙的 约20mm2的扫描面积，自动扫描尺寸在1.0m以 精准加入量研究具有重要意义.Li等27研究表明 上的非金属夹杂物，研究喂钙量对齿轮钢中非金 硅铁合金中的钙对夹杂物也有一定的改性作用. 属夹杂物成分、尺寸、数密度和面积分数的影响， 郑万等21通过数值模拟和实验研究了钙线喂入深 以确定最佳喂钙范围，优化实际生产过程中的喂 度、喂线速度、不同钢种以及钢液温度对钙收得 钙操作 表1不同喂钙量炉次中间包内钢液的主要成分（质量分数） Table 1 Main composition of the molten steel in the tundish with different calcium feeding heats % Heat No. C Si Mn Cr Ti P T.Al [Al T.Ca 1 0.21 0.25 0.87 1.08 0.057 0.021 0.001 0.019 0.016 0.0029 2 0.19 0.29 0.88 1.08 0.053 0.013 0.001 0.022 0.021 0.0017 0.18 0.28 0.88 1.08 0.057 0.017 0.001 0.026 0.024 0.0013 为研究喂钙参数对钙收得率的影响因素，对 进行了研究，其中钙收得率的计算公式为 钙处理过程钢液的喂钙量、喂钙速度、钙收得率、 = T.Cam-T.CaLE.M (1) 钢包净空高度和精炼渣层厚度对钙收得率的影响 LcaWΦ

are formed far away from the liquidus region. With increase in the T.Ca content in the steel, the average size and number density of the nonmetallic  inclusions  gradually  increase.  The  effect  of  calcium  treatment  on  the  modification  of  nonmetallic  inclusions  studied  by thermodynamic calculation results agrees well with the measurements taken via industrial trials. KEY WORDS    calcium treatment；calcium yield；nonmetallic inclusions；gear steel；thermodynamic calculation 高品质齿轮钢对于钢中的非金属夹杂物的性 质要求较高，在钢中氧含量较低的同时，对钢中非 金属夹杂物的形态、成分、尺寸和分布具有较高 要求，以保证钢材质量及连铸过程钢水的可浇性. 20CrMnTiH 齿轮钢一般采用铝脱氧，钢中易生成 大量的高熔点 Al2O3 类夹杂物，容易导致水口结瘤 及钢材性能恶化，需要对其进行改性. 目前较常采 用的夹杂物改性方法是通过合理的钙处理，将钢 中高熔点的 Al2O3 和 Al2O3 ·MgO 夹杂物改性为低 熔点的钙铝酸盐类夹杂物，以防止齿轮钢在浇铸 过程中的水口结瘤并降低脆性夹杂物对于齿轮钢 性能的危害[1] ，难以变形的氧化物夹杂是齿轮钢在 使用过程中疲劳损坏的主要原因[2] . 合理的钙处理 可以减轻水口结瘤，提高连浇炉数，在国内外的钢 厂中已经得到广泛的应用[3] ，但由于钢中含有一定 量的 T.S 和 T.O，当钙处理不当时，钢中会生成大 量的 CaS 或 CaO 等高熔点夹杂物[4−5] ，同样会导致 水口结瘤. 此外，合理的钙处理能够使钢中形成更 多的复合硫化物，可以有效降低钢中硫化物夹杂 物的长宽比，以实现钢中硫化锰夹杂物的球形和 纺锤化[6−7] . 目前对于铝脱氧钢的钙处理具有较多 研究，主要包括钙处理对夹杂物的改性机理[8−17]、 动力学[18−21] 和热力学[22−26] 等. 有研究表明，钢中夹 杂物的 CaS/CaO 质量比与钢中的 T.S/T.O 质量比 呈线性相关[15] . 因此，对于钢在钙处理过程中钙的 精准加入量研究具有重要意义. Li 等[27] 研究表明 硅铁合金中的钙对夹杂物也有一定的改性作用. 郑万等[28] 通过数值模拟和实验研究了钙线喂入深 度、喂线速度、不同钢种以及钢液温度对钙收得 率的影响. 张立峰等[22] 根据钢液成分（特别是钢 中 T.O 含量、酸溶铝 [Al] 含量和 T.S 含量）、钢液 温度、合金中钙的含量、合金的收得率对钙的加 入量进行了精准的热力学计算，并用以指导生产 实践. 目前文献报道中关于钙处理对钢中非金属 夹杂物的改性理论计算，初始钢中夹杂物成分主 要简化为 Al2O3 [22] 或 Al2O3 ·MgO[29] ，尚未考虑钢中 实际夹杂物成分. 张立峰[30] 结合齿轮钢喂钙前钢 液中实际夹杂物成分，通过 FactSage 7.1 软件得到 了齿轮钢钢液精准钙处理的液态窗口. 本文以工 业试验为基础，研究实际生产过程中钙处理对钢 中非金属夹杂物的改性，进一步优化现场喂钙操作. 1    参数对钙收得率的影响 本研究考虑实际齿轮钢中初始夹杂物成分， 对钙处理过程夹杂物的转变进行研究. 基于国内 某厂齿轮钢 KR 铁水预处理→BOF→LF→CC 生产 工艺，在相同喂钙量条件下对 1.5、2.0 和 2.5 m·s−1 3 种喂钙速度进行工业试验，研究了不同喂钙参数 对钙收得率的影响. 结合已报道的热力学理论计 算结果和钙收得率的影响因素，对不同喂钙量条 件下齿轮钢 LF 精炼喂钙前 2 min 和中间包浇铸中 期进行取样，不同喂钙量炉次中间包内钢液的主 要成分如表 1 所示. 通过自动扫描电镜随机选取 约 20 mm2 的扫描面积，自动扫描尺寸在 1.0 μm 以 上的非金属夹杂物，研究喂钙量对齿轮钢中非金 属夹杂物成分、尺寸、数密度和面积分数的影响， 以确定最佳喂钙范围，优化实际生产过程中的喂 钙操作. 表 1 不同喂钙量炉次中间包内钢液的主要成分（质量分数） Table 1   Main composition of the molten steel in the tundish with different calcium feeding heats % Heat No. C Si Mn Cr Ti P S T.Al [Al] T.Ca 1 # 0.21 0.25 0.87 1.08 0.057 0.021 0.001 0.019 0.016 0.0029 2 # 0.19 0.29 0.88 1.08 0.053 0.013 0.001 0.022 0.021 0.0017 3 # 0.18 0.28 0.88 1.08 0.057 0.017 0.001 0.026 0.024 0.0013 为研究喂钙参数对钙收得率的影响因素，对 钙处理过程钢液的喂钙量、喂钙速度、钙收得率、 钢包净空高度和精炼渣层厚度对钙收得率的影响 进行了研究，其中钙收得率的计算公式为 η = T.Catun−T.CaLF LCa · W · ϕ · M （1） · 826 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期

季莎等：钙处理对20 CrMnTiH齿轮钢中非金属夹杂物的影响 827 式中：T.Caun和T.Car为中间包和LF精炼喂钙前 度的增加，喂钙过程钢液的喷溅和钙的挥发更加 钢液中T.Ca质量分数，10；Lca为喂钙量，m;W为 严重，导致钢中钙的收得率降低，同时当喂钙速度 单位钙线的质量，gm,本文采用62gm;中为钙 降低至1.5ms时，各炉次钙的收得率均高于20%. 线纯度，%，本研究为98%：M为出钢量，t.不同因 图1（©）统计了不同喂钙量对钙收得率的影响，可以 素对钙收得率的影响如图1所示，图1(a)为喂钙 看出适当降低喂钙量至100m时有利于提高钙的收 量为l50m时喂钙前钢中T.Ca含量对收得率的影 得率，各炉次钙收得率均高于20%.精炼渣厚度和 响，可以看出随着钢中喂钙前T.Ca含量的增加，钙 钢包净空高度对钙收得率的影响如图1(d)所示， 的收得率逐渐降低，当喂钙前钢中T.Ca质量分数 当喂线设备固定时，随着精炼渣厚度和钢包净空 高于10×106时，钙的收得率急剧下降，仅为10% 高度之和的增加，钙线的相对插入深度越小，对应钢 左右.排除初始喂钙量高于10×106炉次，喂钙速 中钙的收得率越低，同时当精炼渣厚度和钢包静空 度对钙收得率的影响如图1(b)所示，随着喂钙速 高度之和小于800mm时，钙收得率稳定在20%以上. 25 30 (a) Yield of each heat 0 20 00 ●-Average yield 25 ⊙ 815 208 PI! 0 10 ⊙8 15 10 4 6 8101214 16 1.5 20 2.5 Content of T.Ca bofore wire feeding/10- Feeding rate/m's） 30 30 c Yield of each heat (d) ⊙ ●-Average yield 25 825 00 20 8 15 0 100 125 150 700 800 900 1000 1100 Amount of wire feeding/m Slag thickness+ladle clearance height/mm 图1钙收得率的影响因素.(a)喂钙前T.Ca质量分数：(b)喂钙速度；(c)喂钙量：(d)精炼渣厚度+钢包净空高度 Fig.1 Influencing factors of calcium yield:(a)T.Ca before calcium treatment;(b)feeding rate;(c)length of wire;(d)slag thickness and ladle clearance height 2喂钙量对钢中非金属夹杂物转变的影响 夹杂物的成分投到Al2O3 MgO-CaO三元相图，反 之投到Al,O,CaS-CaO三元相图中.三元相图中 前文中钙收得率影响因素结果表明当喂钙速 五角星表示非金属夹杂物的平均成分，Dmin为扫 度为1.5ms1时钙收得率较高，为进一步确定齿 描的最小夹杂物尺寸，Dmax为扫描的最大夹杂物 轮钢钙处理合理的喂钙范围，在1.5ms的喂钙 尺寸.三元相图中也详细显示了1873和1673K下 速度前提下，对喂钙前和中间包浇铸中期钢中非 不同三元相图的液相区和扫描的夹杂物数量 金属夹杂物进行分析，研究不同喂钙量条件下齿 2.1高喂钙量 轮钢中非金属夹杂物的改性.由于齿轮钢钙处理 高喂钙量炉次钢中非金属夹杂物的转变如图2 前后非金属夹杂物的主要类型为Al2O3 MgO-CaO 和图3所示，喂钙前钢中非金属夹杂物数量较少， 和AlO,CaS·CaO型.在本研究中当非金属夹杂 夹杂物的主要成分为Al2O,Mg0-CaO,夹杂物的 物中MgO的质量分数大于CaS含量时，将非金属 平均成分靠近低熔点区域，这是由精炼过程中硅

式中：T.Catun 和 T.CaLF 为中间包和 LF 精炼喂钙前 钢液中 T.Ca 质量分数，10−6 ；LCa 为喂钙量，m；W 为 单位钙线的质量，g·m−1，本文采用 62 g·m−1 ；ϕ 为钙 线纯度，%，本研究为 98%；M 为出钢量，t. 不同因 素对钙收得率的影响如图 1 所示，图 1（a）为喂钙 量为 150 m 时喂钙前钢中 T.Ca 含量对收得率的影 响，可以看出随着钢中喂钙前 T.Ca 含量的增加，钙 的收得率逐渐降低，当喂钙前钢中 T.Ca 质量分数 高于 10×10−6 时，钙的收得率急剧下降，仅为 10% 左右. 排除初始喂钙量高于 10×10−6 炉次，喂钙速 度对钙收得率的影响如图 1（b）所示，随着喂钙速 度的增加，喂钙过程钢液的喷溅和钙的挥发更加 严重，导致钢中钙的收得率降低，同时当喂钙速度 降低至 1.5 m·s−1 时，各炉次钙的收得率均高于 20%. 图 1（c）统计了不同喂钙量对钙收得率的影响，可以 看出适当降低喂钙量至 100 m 时有利于提高钙的收 得率，各炉次钙收得率均高于 20%. 精炼渣厚度和 钢包净空高度对钙收得率的影响如图 1（d）所示， 当喂线设备固定时，随着精炼渣厚度和钢包净空 高度之和的增加，钙线的相对插入深度越小，对应钢 中钙的收得率越低，同时当精炼渣厚度和钢包静空 高度之和小于 800 mm 时，钙收得率稳定在 20% 以上. 2 4 6 8 10 12 14 16 5 10 15 20 25 Yield of Ca/ % Content of T.Ca bofore wire feeding/10−6 (a) 1.5 2.0 2.5 10 15 20 25 30 Yield of each heat Average yield Yield of Ca/ % Feeding rate/(m·s−1) (b) 100 125 150 15 20 25 30 Yield of each heat Average yield Yield of Ca/ % Amount of wire feeding/m (c) 600 700 800 900 1000 1100 10 15 20 25 30 Yield of Ca/ % Slag thickness+ladle clearance height/mm (d) 图 1    钙收得率的影响因素. （a）喂钙前 T.Ca 质量分数；（b）喂钙速度；（c）喂钙量；（d）精炼渣厚度+钢包净空高度 Fig.1    Influencing factors of calcium yield: (a) T.Ca before calcium treatment; (b) feeding rate; (c) length of wire; (d) slag thickness and ladle clearance height 2    喂钙量对钢中非金属夹杂物转变的影响 前文中钙收得率影响因素结果表明当喂钙速 度为 1.5 m·s−1 时钙收得率较高，为进一步确定齿 轮钢钙处理合理的喂钙范围，在 1.5 m·s−1 的喂钙 速度前提下，对喂钙前和中间包浇铸中期钢中非 金属夹杂物进行分析，研究不同喂钙量条件下齿 轮钢中非金属夹杂物的改性. 由于齿轮钢钙处理 前后非金属夹杂物的主要类型为 Al2O3 ·MgO·CaO 和 Al2O3 ·CaS·CaO 型. 在本研究中当非金属夹杂 物中 MgO 的质量分数大于 CaS 含量时，将非金属 夹杂物的成分投到 Al2O3 ·MgO·CaO 三元相图，反 之投到 Al2O3 ·CaS·CaO 三元相图中. 三元相图中 五角星表示非金属夹杂物的平均成分，Dmin 为扫 描的最小夹杂物尺寸，Dmax 为扫描的最大夹杂物 尺寸. 三元相图中也详细显示了 1873 和 1673 K 下 不同三元相图的液相区和扫描的夹杂物数量. 2.1    高喂钙量 高喂钙量炉次钢中非金属夹杂物的转变如图 2 和图 3 所示，喂钙前钢中非金属夹杂物数量较少， 夹杂物的主要成分为 Al2O3 ·MgO·CaO，夹杂物的 平均成分靠近低熔点区域，这是由精炼过程中硅 季    莎等： 钙处理对 20CrMnTiH 齿轮钢中非金属夹杂物的影响 · 827 ·

828 工程科学学报，第43卷，第6期 (a) (b) ★Average composition 0100 ★Average composition 0入100 -1873 K liquidus -1873 K liquidus ---1673 K liquidus 20 80 Da=1.02m Da=1.02 um 0 80 Dm=5.38μm Da=7.91 um Number:68 Number:138 40 60 (MgO 0 60 w(CaOy% w(CaS) 60 0点 呢 5920 呢 88o6 20 ● 100 0 100 100 20 60 80 20 40 60 80 100 (Al2O3)% W(ALO:V 图2高喂钙量炉次喂钙前非金属夹杂物成分分布.(a)A2O3-MgO-CaO三元相图：(b)Al2O,CaS-Ca0三元相图 Fig.2 Composition distribution of nonmetallic inclusions before calcium treatment of high calcium addition heat:(a)Al,O-MgO-CaO ternary phase diagram;(b)Al,O-CaS-CaO ternary phase diagram (a) (6) ★Average composition 0元100 ★Average composition 0100 -1873 K liquidus -1873 K liquidus ---1673 K liquidus D =1.01 um Da=1.06μum 20 80 80 Daa=16.02μm Dm=24.99μm Number:559 Number:201 40 60 w(MgO)/ w(CaO)/% 40 40号 60 90 20 80 20 0 100 100 20 40 60 80 2 40 60 80 100 W(ALO.V% W(ALOV9 图3高喂钙量炉次中间包钢液中非金属夹杂物成分分布.(a)Al20,-Mg0-Ca0三元相图：(b)Al,O,-CaS-Ca0三元相图 Fig.3 Composition distribution of nonmetallic inclusions in the molten steel of tundish of high calcium addition heat:(a)AlO,-MgO-CaO ternary phase diagram;(b)Al,O,-CaS-CaO ternary phase diagram 铁等合金中的钙对钢中非金属夹杂物的改性所 致.钙处理后，钢中生成大量CaS类夹杂物，钢中 非金属夹杂物的平均成分远离低熔点区域，同时 由于钙线的加入，钢中非金属夹杂物的数密度明 显增加.中间包浇铸过程中，钢液发生轻微二次氧 化，夹杂物中A12O3含量略有增加.钙处理后钢中 典型非金属夹杂物的形貌及成分如图4所示，钢 中喂钙量较高时钢中非金属夹杂物呈球形，夹杂 w(A1,0上17.53% w(Ca0y27.26% 物的主要成分为Al2O3 MgOCaO,同时具有较高 w(CaS):55.21% 5 um 含量CaS. 图4高喂钙量炉次钙处理后钢中典型非金属夹杂物形貌及成分 2.2合适喂钙量 Fig.4 Morphology and composition of typical nonmetallic inclusions 合适钙量炉次钢中非金属夹杂物的转变如图5 after calcium treatment of high calcium addition heat 和图6所示，喂钙前钢中非金属夹杂物数量较少 分远离低熔点区域.钙处理后，钢中生成少量 夹杂物的主要成分为Al2O3MgO,夹杂物的平均成 CaS类夹杂物，钢中非金属夹杂物的平均成分向低

铁等合金中的钙对钢中非金属夹杂物的改性所 致. 钙处理后，钢中生成大量 CaS 类夹杂物，钢中 非金属夹杂物的平均成分远离低熔点区域，同时 由于钙线的加入，钢中非金属夹杂物的数密度明 显增加. 中间包浇铸过程中，钢液发生轻微二次氧 化，夹杂物中 Al2O3 含量略有增加. 钙处理后钢中 典型非金属夹杂物的形貌及成分如图 4 所示，钢 中喂钙量较高时钢中非金属夹杂物呈球形，夹杂 物的主要成分为 Al2O3 ·MgO·CaO，同时具有较高 含量 CaS. 2.2    合适喂钙量 合适钙量炉次钢中非金属夹杂物的转变如图 5 和图 6 所示，喂钙前钢中非金属夹杂物数量较少， 夹杂物的主要成分为 Al2O3 ·MgO，夹杂物的平均成 分远离低熔点区域. 钙处理后 ，钢中生成少量 CaS 类夹杂物，钢中非金属夹杂物的平均成分向低 Dmin=1.02 μm Dmax=7.91 μm Number: 138 Average composition 1873 K liquidus 1673 K liquidus 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 w(CaO)/% w(MgO)/% (a) w(Al2O3 )/% w(CaO)/% w(CaS)/% 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Dmin=1.02 μm Dmax=5.38 μm Number: 68 Average composition 1873 K liquidus (b) w(Al2O3 )/% 图 2    高喂钙量炉次喂钙前非金属夹杂物成分分布. （a）Al2O3‒MgO‒CaO 三元相图；（b）Al2O3‒CaS‒CaO 三元相图 Fig.2    Composition distribution of nonmetallic inclusions before calcium treatment of high calcium addition heat: (a) Al2O3‒MgO‒CaO ternary phase diagram; (b) Al2O3‒CaS‒CaO ternary phase diagram Dmin=1.06 μm Dmax=24.99 μm Number: 201 Average composition 1873 K liquidus 1673 K liquidus 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 w(CaO)/% w(MgO)/% (a) w(Al2O3 )/% w(CaO)/% w(CaS)/% 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Dmin=1.01 μm Dmax=16.02 μm Number: 559 Average composition 1873 K liquidus (b) w(Al2O3 )/% 图 3    高喂钙量炉次中间包钢液中非金属夹杂物成分分布. （a）Al2O3‒MgO‒CaO 三元相图；（b）Al2O3‒CaS‒CaO 三元相图 Fig.3    Composition distribution of nonmetallic inclusions in the molten steel of tundish of high calcium addition heat: (a) Al2O3‒MgO ‒CaO ternary phase diagram; (b) Al2O3‒CaS‒CaO ternary phase diagram 5 μm w(Al2O3 ): 17.53% w(CaO): 27.26% w(CaS): 55.21% 图 4    高喂钙量炉次钙处理后钢中典型非金属夹杂物形貌及成分 Fig.4     Morphology  and  composition  of  typical  nonmetallic  inclusions after calcium treatment of high calcium addition heat · 828 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期