BOF-LF-CC工艺生产50CrVA弹簧钢洁净度研究

工程科学学报，第38卷，增刊1：187-194,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:187-194,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.031:http://journals.ustb.edu.cn BOF-LF-CC工艺生产50CrVA弹簧钢洁净度研究 王 勇，唐海燕巴，吴拓，李京社，杨树峰 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:tanghaiyan@metall..ustb.edu.cn 摘要通过对国内某钢厂BOF-LF-CC工艺生产50CrVA弹簧钢进行全流程连续取样，综合分析了冶炼过程中总氧(T. 0.)N含量变化，非金属夹杂物的衍变规律，以及铸坯中大型夹杂物的特征.结果表明，LF精炼前T.0.和N的平均含量分 别为106×10~6和13×10~6，铸坯中分别为15×10-6和39×10~6，LF过程脱氧效果明显：运输和浇注过程存在较明显的二次 氧化现象，需要加强大包到中间包的保护浇注：铸坯中夹杂物主要为Ca0-A山，0，-Mg0和C0-AL,0,Si02复合氧化物夹杂，其 中A山，0，含量（质量分数）较高，达到60%~70%，未得到低熔点夹杂物，可通过适当提高精炼渣碱度，或喂入适量钙线促使夹 杂物充分转变为成分更加均匀的低熔点夹杂物：大型夹杂物以Ca0和Ca0一AL,0,Si0,-(MgO)球状氧化物为主，还存在一定 比例的纯A山，0，夹杂物，需要延长钢包弱搅拌时间使夹杂物充分上浮. 关键词50CVA弹簧钢：洁净度；非金属夹杂物：BOFLF-CC工艺 分类号TF775 Research on the cleanliness of 50CrVA spring steel produced by the BOF-LF-CC process WANG Yong,TANG Hai-yan,WU Tuo,LI Jing-she,YANG Shu-feng School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:tanghaiyan@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The changes of total oxygen (T.O.)and N contents,the evolution of non-metallic inclusions,and the characteristic of macro-inclusions in casting billets of 50CrVA spring steel produced by the BOF-LF-CC process were studied by continuous sampling at different stages.Results show that the average contents of T.O.and N are 106x10and 1310at LF-start,respectively,and they become 15x10 and 39x10 in billets,indicating that the deoxidization effect in the LF refining process is obvious.Howev- er,reoxidation phenomenon is obvious in the transportation and casting processes,so it is necessary to strengthen the steel stream protection from ladle to tundish.The CaO-Al2O-Mgo and CaO-Al2OSiO2 composite oxide inclusions are the main inclusions in billets,the Al,O:content in those inclusions is as high as 60%-70%,and no low-melting inclusion is obtained.The low-melting inclusion can be obtained by increasing the slag basicity or feeding a proper content of Ca wire.Large-size inclusions are primarily composed of Cao and Cao-Al2O-SiO-(Mgo)spherical oxides as well as a certain proportion of pure AlO,inclusions.It is neces- sary to extend the soft stirring time in the ladle to make inclusions float fully. KEY WORDS 50CrVA spring steel:cleanliness:non-metallic inclusions:BOF-F-CC process Si-Mn系弹簧钢在我国汽车行业中广泛应用，然而 使弹簧过早疲劳失效0.50CrVA中碳合金弹簧钢由于 在生产中容易出现淬透性差、表面脱碳等问题，使得弹 加入了钒、铬合金元素，其淬透性、过热敏感性、韧性和 簧的表面硬度下降，在交变应力作用下容易产生裂纹， 疲劳强度较Si-Mn系弹簧钢均有提升四，已广泛用于汽 收稿日期：201601-22

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 187--194，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 187--194，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 031; http: / /journals． ustb． edu． cn BOF-LF-CC 工艺生产 50CrVA 弹簧钢洁净度研究 王 勇，唐海燕，吴 拓，李京社，杨树峰 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: tanghaiyan@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 通过对国内某钢厂 BOF-LF-CC 工艺生产 50CrVA 弹簧钢进行全流程连续取样，综合分析了冶炼过程中总氧( T． O． ) 、N 含量变化，非金属夹杂物的衍变规律，以及铸坯中大型夹杂物的特征． 结果表明，LF 精炼前 T． O． 和 N 的平均含量分 别为 106 × 10 － 6和 13 × 10 － 6，铸坯中分别为 15 × 10 － 6和 39 × 10 － 6，LF 过程脱氧效果明显; 运输和浇注过程存在较明显的二次 氧化现象，需要加强大包到中间包的保护浇注; 铸坯中夹杂物主要为 CaO--Al2O3 --MgO 和 CaO--Al2O3 --SiO2复合氧化物夹杂，其 中 Al2O3含量( 质量分数) 较高，达到 60% ～ 70% ，未得到低熔点夹杂物，可通过适当提高精炼渣碱度，或喂入适量钙线促使夹 杂物充分转变为成分更加均匀的低熔点夹杂物; 大型夹杂物以 CaO 和 CaO--Al2O3 --SiO2 --( MgO) 球状氧化物为主，还存在一定 比例的纯 Al2O3夹杂物，需要延长钢包弱搅拌时间使夹杂物充分上浮． 关键词 50CrVA 弹簧钢; 洁净度; 非金属夹杂物; BOF-LF-CC 工艺 分类号 TF775 Ｒesearch on the cleanliness of 50CrVA spring steel produced by the BOF-LF-CC process WANG Yong，TANG Hai-yan ，WU Tuo，LI Jing-she，YANG Shu-feng School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: tanghaiyan@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The changes of total oxygen ( T． O． ) and N contents，the evolution of non-metallic inclusions，and the characteristic of macro-inclusions in casting billets of 50CrVA spring steel produced by the BOF-LF-CC process were studied by continuous sampling at different stages． Ｒesults show that the average contents of T． O． and N are 106 × 10 － 6 and 13 × 10 － 6 at LF-start，respectively，and they become 15 × 10 － 6 and 39 × 10 － 6 in billets，indicating that the deoxidization effect in the LF refining process is obvious． Howev￾er，reoxidation phenomenon is obvious in the transportation and casting processes，so it is necessary to strengthen the steel stream protection from ladle to tundish． The CaO--Al2O3 --MgO and CaO--Al2O3 --SiO2 composite oxide inclusions are the main inclusions in billets，the Al2O3 content in those inclusions is as high as 60% － 70% ，and no low-melting inclusion is obtained． The low-melting inclusion can be obtained by increasing the slag basicity or feeding a proper content of Ca wire． Large-size inclusions are primarily composed of CaO and CaO--Al2O3--SiO2--( MgO) spherical oxides as well as a certain proportion of pure Al2O3 inclusions． It is neces￾sary to extend the soft stirring time in the ladle to make inclusions float fully． KEY WOＲDS 50CrVA spring steel; cleanliness; non-metallic inclusions; BOF-LF-CC process 收稿日期: 2016--01--22 Si--Mn 系弹簧钢在我国汽车行业中广泛应用，然而 在生产中容易出现淬透性差、表面脱碳等问题，使得弹 簧的表面硬度下降，在交变应力作用下容易产生裂纹， 使弹簧过早疲劳失效［1］． 50CrVA 中碳合金弹簧钢由于 加入了钒、铬合金元素，其淬透性、过热敏感性、韧性和 疲劳强度较 Si--Mn 系弹簧钢均有提升［2］，已广泛用于汽

·188* 工程科学学报，第38卷，增刊1 车悬架弹簧的制造.近年来，50CVA弹簧扁钢的市场需 实验指导 求不断增加，具有良好的开发前景和经济效益. 1 弹簧扁钢服役过程中承受交变应力，要求其具备 试验研究方法 良好的抗疲劳和抗弹性减退能力.疲劳断裂是弹簧的 1.1生产工艺 主要破坏形式，而钢中脆性和球状不变形夹杂物 50CVA弹簧钢的生产工艺路线为：铁水预处 是使其失效的主要因素之一同.因此减少钢中夹杂物 理一→转炉→LF精炼炉→软吹→六机六流方坯连铸 数量，控制其形状、分布，降低其尺寸，使有害夹杂无害 机.表1和表2分别为50CVA弹簧钢的钢液目标控 化是弹簧钢生产中的关键问题而.而夹杂物的数量、 制范围和精炼炉渣成分范围.转炉采用双渣法治炼， 特性是钢水洁净度的反映，与钢水中所含总氧、氮、硫 出钢碳含量（质量分数）控制在0.15%~0.20%，温 等成分密切相关.国内某企业通过BOF-LF-CC工艺生 度≥1620℃.出钢时，钢包中加入硅锰合金、钒铁、高 产的50CVA弹簧钢用户质量反馈多为由夹杂物引起 碳铬铁、铝锭进行脱氧合金化，加入造渣料进行预造 的疲劳寿命低下的问题.国内学者多从热处理工艺改 渣.LF精炼入位后加入石灰、硅灰石、萤石、电石，下 善钢的组织来优化钢的使用性能，而针对此钢种夹杂 电极送电加热约15min后取样测成分并补加低铝硅 物控制的研究较少.本文针对弹簧钢转炉流程，通过 铁、中碳锰铁、低碳铬铁及部分增碳剂调整钢液成分满 “连续取样，系统分析”的方法研究了生产过程中钢中 足目标要求，然后进行软吹.钢包到中间包采用长水 总氧含量、氮含量以及夹杂物的变化规律，以期找到影 口全程吹氩保护浇注，中间包到结晶器采用浸入式水 响铸坯洁净度的限制性环节，为工艺优化提供理论和 口保护浇注，铸坯断面尺寸为150mm×150mm. 表150CrVA弹簧钢钢液成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of molten steel for 50CrVA spring steel C Si Mn Cr Al Mg Ca 0.5-0.52 0.25-0.280.85-0.92 ≤0.018 ≤0.012 1-1.05 0.12-0.150.02-0.04 0.0006 0.0005 表250CVA弹簧钢炉渣成分（质量分数） Table 2 Slag composition of 50CrVA spring steel 名 Ca0 Al2O Mgo Si0 CaFz FeO+MnO Ca0/Si0, Ca0/Al2O: 46-53 4~5 3w4 18~20 17-19 <1 2.6 10~11 1.2取样方案和试样分析方法 和浇注的进行一直下降.转炉出钢氧含量分别为 实验选取同一浇次的两炉钢作为研究对象，分别 229×10-6和259×106，出钢时通过加石灰造顶渣以 在转炉出钢、LF进站、LF结束、吊包前、中间包工位取 及硅铁、硅锰合金、铝锭复合脱氧，LF进站时的氧含量 吊桶样，加工成5mm×40mm的气体棒样和15mm× 分别降低到95×106和117×106.进站后通过进一 15mm×15mm金相样.铸坯在全断面上截取200mm, 步造渣和采用电石扩散脱氧，两炉钢在LF精炼结束 分别加工成气体棒样和金相样.气体样采用TCH600 时氧含量分别降低到20×106和27×10-6，精炼过程 氧氮氢分析仪，用红外吸收法测氧的含量，用热导法测 脱氧率分别为79%和77%.由于中间包的去夹杂作 氮的含量；对金相样进行粗磨、细磨、抛光后，用 用，铸坯中的总氧均比中包中的低，分别为14×106 Phenom ProX扫描电镜(SEM)进行观察，并结合能谱 和17×10，基本满足弹簧钢对氧含量控制的要求. 仪(EDS)对其元素组成进行定量分析，然后对所得到 从整个过程可以看出，转炉出钢氧含量较高时，冶炼过 的数据进行进一步处理和统计， 程各工位氧含量相应也高，铸坯的总氧也高.而总氧 是衡量弹簧钢疲劳寿命的重要指标，有针对轴承钢的 2 实验结果与分析 研究表明，T.0.≤10×10时寿命可提高15倍， 2.1钢中总氧(T.O.)和N含量变化 T.0.≤5×10时寿命则可提高30倍，由此可见铸坯 一般用总氧来评价钢的洁净度水平，氮含量可以 中总氧的控制至关重要. 衡量钢液二次氧化程度.图1是实验两炉次钢中各工 两炉次转炉出钢时钢中氮含量较低，分别为14× 位T.0.和N含量变化情况.从图1可以看出，第1炉 106和12×106，这是由于高氧位阻碍了钢液的吸氮. 次钢中氧含量从转炉出钢到精炼结束持续下降，从软 出钢过程加入大量合金和渣料（其中带入氮）并在运 吹结束到中间包浇注过程氧增加了4×106，说明此 输过程中与空气接触造成增氮：且出钢过程脱氧充分， 过程发生了二次氧化.第2炉次钢中氧含量随着精炼 氧活度低，动力学条件好，造成吸氮倾向明显”.两炉

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 车悬架弹簧的制造． 近年来，50CrVA 弹簧扁钢的市场需 求不断增加，具有良好的开发前景和经济效益． 弹簧扁钢服役过程中承受交变应力，要求其具备 良好的抗疲劳和抗弹性减退能力． 疲劳断裂是弹簧的 主要破坏形式［3--4］，而钢中脆性和球状不变形夹杂物 是使其失效的主要因素之一［5］． 因此减少钢中夹杂物 数量，控制其形状、分布，降低其尺寸，使有害夹杂无害 化是弹簧钢生产中的关键问题［6］． 而夹杂物的数量、 特性是钢水洁净度的反映，与钢水中所含总氧、氮、硫 等成分密切相关． 国内某企业通过 BOF-LF-CC 工艺生 产的 50CrVA 弹簧钢用户质量反馈多为由夹杂物引起 的疲劳寿命低下的问题． 国内学者多从热处理工艺改 善钢的组织来优化钢的使用性能，而针对此钢种夹杂 物控制的研究较少． 本文针对弹簧钢转炉流程，通过 “连续取样，系统分析”的方法研究了生产过程中钢中 总氧含量、氮含量以及夹杂物的变化规律，以期找到影 响铸坯洁净度的限制性环节，为工艺优化提供理论和 实验指导． 1 试验研究方法 1. 1 生产工艺 50CrVA 弹簧钢的生产工艺路线为: 铁 水 预 处 理→转炉→LF 精 炼 炉→软 吹→六 机 六 流 方 坯 连 铸 机． 表 1 和表 2 分别为 50CrVA 弹簧钢的钢液目标控 制范围和精炼炉渣成分范围． 转炉采用双渣法冶炼， 出钢碳含量( 质量分数) 控制在 0. 15% ～ 0. 20% ，温 度≥1620 ℃ ． 出钢时，钢包中加入硅锰合金、钒铁、高 碳铬铁、铝锭进行脱氧合金化，加入造渣料进行预造 渣． LF 精炼入位后加入石灰、硅灰石、萤石、电石，下 电极送电加热约 15 min 后取样测成分并补加低铝硅 铁、中碳锰铁、低碳铬铁及部分增碳剂调整钢液成分满 足目标要求，然后进行软吹． 钢包到中间包采用长水 口全程吹氩保护浇注，中间包到结晶器采用浸入式水 口保护浇注，铸坯断面尺寸为 150 mm × 150 mm． 表 1 50CrVA 弹簧钢钢液成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of molten steel for 50CrVA spring steel % C Si Mn P S Cr V Al Mg Ca 0. 5 ～ 0. 52 0. 25 ～ 0. 28 0. 85 ～ 0. 92 ≤0. 018 ≤0. 012 1 ～ 1. 05 0. 12 ～ 0. 15 0. 02 ～ 0. 04 0. 0006 0. 0005 表 2 50CrVA 弹簧钢炉渣成分( 质量分数) Table 2 Slag composition of 50CrVA spring steel % CaO Al2O3 MgO SiO2 CaF2 FeO + MnO CaO / SiO2 CaO /Al2O3 46 ～ 53 4 ～ 5 3 ～ 4 18 ～ 20 17 ～ 19 ﹤ 1 2. 6 10 ～ 11 1. 2 取样方案和试样分析方法 实验选取同一浇次的两炉钢作为研究对象，分别 在转炉出钢、LF 进站、LF 结束、吊包前、中间包工位取 吊桶样，加工成 5 mm × 40 mm 的气体棒样和 15 mm × 15 mm × 15 mm 金相样． 铸坯在全断面上截取 200 mm， 分别加工成气体棒样和金相样． 气体样采用 TCH600 氧氮氢分析仪，用红外吸收法测氧的含量，用热导法测 氮的 含 量; 对 金 相 样 进 行 粗 磨、细 磨、抛 光 后，用 Phenom ProX 扫描电镜( SEM) 进行观察，并结合能谱 仪( EDS) 对其元素组成进行定量分析，然后对所得到 的数据进行进一步处理和统计． 2 实验结果与分析 2. 1 钢中总氧( T． O． ) 和 N 含量变化 一般用总氧来评价钢的洁净度水平，氮含量可以 衡量钢液二次氧化程度． 图 1 是实验两炉次钢中各工 位 T． O． 和 N 含量变化情况． 从图 1 可以看出，第 1 炉 次钢中氧含量从转炉出钢到精炼结束持续下降，从软 吹结束到中间包浇注过程氧增加了 4 × 10 － 6，说明此 过程发生了二次氧化． 第 2 炉次钢中氧含量随着精炼 和浇注 的 进 行 一 直 下 降． 转炉出钢氧含量分别为 229 × 10 － 6和 259 × 10 － 6，出钢时通过加石灰造顶渣以 及硅铁、硅锰合金、铝锭复合脱氧，LF 进站时的氧含量 分别降低到 95 × 10 － 6和 117 × 10 － 6 ． 进站后通过进一 步造渣和采用电石扩散脱氧，两炉钢在 LF 精炼结束 时氧含量分别降低到 20 × 10 － 6和 27 × 10 － 6，精炼过程 脱氧率分别为 79% 和 77% ． 由于中间包的去夹杂作 用，铸坯中的总氧均比中包中的低，分别为 14 × 10 － 6 和 17 × 10 － 6，基本满足弹簧钢对氧含量控制的要求． 从整个过程可以看出，转炉出钢氧含量较高时，冶炼过 程各工位氧含量相应也高，铸坯的总氧也高． 而总氧 是衡量弹簧钢疲劳寿命的重要指标，有针对轴承钢的 研究 表 明，T． O． ≤10 × 10 － 6 时 寿 命 可 提 高 15 倍， T． O． ≤5 × 10 － 6时寿命则可提高 30 倍，由此可见铸坯 中总氧的控制至关重要． 两炉次转炉出钢时钢中氮含量较低，分别为 14 × 10 － 6和 12 × 10 － 6，这是由于高氧位阻碍了钢液的吸氮． 出钢过程加入大量合金和渣料( 其中带入氮) 并在运 输过程中与空气接触造成增氮; 且出钢过程脱氧充分， 氧活度低，动力学条件好，造成吸氮倾向明显［7］． 两炉 · 881 ·

王勇等：BOF-LF-CC工艺生产50CrVA弹簧钢洁净度研究 ·189 300 250 汤第1炉 第1炉 250 第2炉 第2炉 20) 41 393930 150 117 100 5 30 28 20 20 14 转炉出钢LF进站F结束吊包前中间包铸坯 转炉出钢1下进站小结束吊包前中间包铸坯 工位 工位 图1各工位总氧和氮含量变化 Fig.I Changes of the total oxygen (T.O.)and nitrogen contents in each process 钢从出钢到LF进站氮含量均增加了19×106.从LF 氧化现象，需要加强大包到中间包的保护浇注 进站到出站过程中，氮含量均有不同程度的增加，是由2.2钢中显微夹杂物分析 于电极电解空气中的氮气造成的圆.软吹结束到中间2.2.1精炼各工位夹杂物类型和尺寸 包工序氮含量均有较大上升，说明钢水由于保护浇注 使用SEM-EDS对钢中显微夹杂物的形貌和成分 密封性不太好发生了二次氧化，最终两炉次铸坯中氮 进行检测，综合分析精炼过程各个工位显微夹杂物的 含量控制在了39×106.综合前面的分析，LF精炼过 类型和成分.图2是不同工位典型的显微夹杂物的形 程脱氧效果较好，运输和浇注过程存在较明显的二次 貌及类型 AL,O,-SiO,-Mno-TiO, AL.O. ALO,-Mno A,0,-si0,-Ca0 IF进站 5 um LF进站 10m LF精炼结束 2.5μm LF精炼结束 ALO.-CaO-Mgo-Sio, ALO,-Mgo-Cao ALO,-Ca0-Si0, MnS 软吹结束 2.5m 铸坯 25四 铸坯 25四 铸坯 5 um 图2各工位典型显微夹杂物形貌与类型 Fig.2 Morphology and type of typical micro-inclusions in each process 由图2可见，LF进站时，钢中主要是SiO,Al20,~ LF精炼结束时，钢中主要有CaO一AL,0,一Si0,一 Mn0-Ti0,复合氧化物夹杂和少量AL,0,夹杂物.其 (Mg0)和Mg0-AL,0,CaS类型的夹杂物，其中A0, 中Si02-AL,0,-Mn0-Ti02夹杂物分两种类型：一类成 含量（质量分数）达70%，夹杂物中的Ti0,和Mn0含 分出现明显差异，图3为典型此类夹杂物的面扫描 量较精炼前明显降低：进站时的大颗粒脱氧产物基本 结果，其中Al、Ti元素的分布互补，出现明显的分层 上浮.随着治炼时间的增加，炉衬的侵蚀加剧导致钢 现象，Si0,Mn0-Ti02复合氧化物包裹Al0,类夹杂 水中的Mg增加，进站时形成的少量纯AL,O,夹杂物开 物：另一类为组分比较均匀的复合夹杂物，大多为球 始转变为尖晶石.这类夹杂物一般外围包裹着一层 形.夹杂物中的钛主要是出钢时加入的钒铁带入，T CaS,这是由于钢液中的硫含量较高，在100×106以 的性质活泼，容易形成TO2,其进入熔渣后易析出高 上，凝固过程CaS以Mg0-Al,0,为异核形核核心析出. 熔点化合物，因此治炼含V的钢种需严格控制合金 图4为Ca0-AL20,Si02夹杂物的面扫描结果，由图看 中的Ti含量. 出，Al、Si、Ca均匀分布，夹杂物球形化较好

王 勇等: BOF-LF-CC 工艺生产 50CrVA 弹簧钢洁净度研究 图 1 各工位总氧和氮含量变化 Fig． 1 Changes of the total oxygen ( T． O． ) and nitrogen contents in each process 钢从出钢到 LF 进站氮含量均增加了 19 × 10 － 6 ． 从 LF 进站到出站过程中，氮含量均有不同程度的增加，是由 于电极电解空气中的氮气造成的［8］． 软吹结束到中间 包工序氮含量均有较大上升，说明钢水由于保护浇注 密封性不太好发生了二次氧化，最终两炉次铸坯中氮 含量控制在了 39 × 10 － 6 ． 综合前面的分析，LF 精炼过 程脱氧效果较好，运输和浇注过程存在较明显的二次 氧化现象，需要加强大包到中间包的保护浇注． 2. 2 钢中显微夹杂物分析 2. 2. 1 精炼各工位夹杂物类型和尺寸 使用 SEM-EDS 对钢中显微夹杂物的形貌和成分 进行检测，综合分析精炼过程各个工位显微夹杂物的 类型和成分． 图 2 是不同工位典型的显微夹杂物的形 貌及类型． 图 2 各工位典型显微夹杂物形貌与类型 Fig． 2 Morphology and type of typical micro-inclusions in each process 由图 2 可见，LF 进站时，钢中主要是SiO2 --Al2O3 -- MnO--TiO2复合氧化物夹杂和少量 Al2 O3 夹杂物． 其 中 SiO2 --Al2O3 --MnO--TiO2夹杂物分两种类型: 一类成 分出现明显差异，图 3 为典型此类夹杂物的面扫描 结果，其中 Al、Ti 元素的分布互补，出现明显的分层 现象，SiO2 --MnO--TiO2 复合氧化物包裹 Al2 O3 类夹杂 物; 另一类为组分比较均匀的复合夹杂物，大多为球 形． 夹杂物中的钛主要是出钢时加入的钒铁带入，Ti 的性质活泼，容易形成 TiO2，其进入熔渣后易析出高 熔点化合物，因此冶炼含 V 的钢种需严格控制合金 中的 Ti 含量． LF 精 炼 结 束 时，钢 中 主 要 有 CaO--Al2 O3 --SiO2 -- ( MgO) 和 MgO--Al2O3 --CaS 类型的夹杂物，其中 Al2O3 含量( 质量分数) 达 70% ，夹杂物中的 TiO2和 MnO 含 量较精炼前明显降低; 进站时的大颗粒脱氧产物基本 上浮． 随着冶炼时间的增加，炉衬的侵蚀加剧导致钢 水中的 Mg 增加，进站时形成的少量纯 Al2O3夹杂物开 始转变为尖晶石． 这类夹杂物一般外围包裹着一层 CaS，这是由于钢液中的硫含量较高，在 100 × 10 － 6 以 上，凝固过程 CaS 以 MgO--Al2O3为异核形核核心析出． 图 4 为 CaO--Al2O3 --SiO2夹杂物的面扫描结果，由图看 出，Al、Si、Ca 均匀分布，夹杂物球形化较好． · 981 ·

·190· 工程科学学报，第38卷，增刊1 1732011K 018MK 0= 8 5 jm 5 pm 5 um 图3Si02-AL203-Mn0-Ti02夹杂物的面扫描结果 Fig.3 Surface scan result of Al2O3-Si02-MnO-TiO,inclusions G 161235AIk 016Sk 0回14 5 um 5 图4Ca0-A山203Si02夹杂物的面扫描结果 Fig.4 Surface scan result of CaO-Al2 O3-Si0,inclusions 软吹结束钢中主要是Ca0-Al,0,-Mg0-(Si02)类 主要分布在夹杂物的外层. 夹杂，这类夹杂物中(AL,0,+Mg0)含量（质量分数） 中间包内的夹杂物类型与软吹过程类似，Ca0- 平均为83%，类似于镁铝尖晶石.还存在Ca0-Al,0,一 AL,0,Mg0-Si0,夹杂物中(AL,0,+Mg0)含量平均为 Si02-(Mg0)类夹杂，其中Mg0含量在5%以下，夹杂 88%,Al,0,平均为75%，Ca0-AL,0,-Si0,夹杂物中 物球形化较好.图5为Ca0-l0,一Mg0夹杂物的面 AL,0,平均含量为66%.所有夹杂物呈球形或类球形， 扫描结果，由图看出，A1和Mg的分布比较均匀，而Ca 夹杂物中几乎不存在TO2 Grey 157中226 Mg K AIK 0 21 Cak 6 2.5m 2.5μm 25m 2.5μm 图5Ca0-AL203-Mg0夹杂物的面扫描结果 Fig.5 Surface scan result of Ca-Al2O;-Mgo inclusions 2.2.2铸坯中夹杂物种类与分布 的表面缺陷，因此该类夹杂是不希望出现的夹杂物类 铸坯中主要是Ca0-Al20,-Mg0、Ca0-Al20,Si02 型.Ca0-Al20,Si02类夹杂物平均成分为17.9%Ca0- 复合氧化物与不规则的MnS夹杂物.MnS夹杂物尺寸 60.1%AL,0,9.4%Si0,夹杂物中A山03含量仍旧较 在2~26um,平均尺寸为7.8μm,大量出现在铸坯的 高，Si02含量低. 1/4处和中心处.MS夹杂物为塑性夹杂物，因此没有 两炉次铸坯中Ca0-AL,0,-Mg0和Ca0-AL,0- 重点关注其特点.Ca0-AL,0,-Mg0夹杂物平均成分 Si0,的三元组分的加和大于90%，分别对其进行统计， (质量分数)为6.7%Ca0-75.3%A,0,-11.4%Mg0, 并利用Factsage软件计算出CaO-Al,O,-Mg0和CaO- 夹杂物中的Ca0含量低，成分接近镁铝尖晶石.镁铝 A山，0，Si02三元系等温线投影图，如图6所示.其中 尖晶石因其熔点高，硬度大，易引起应力集中使轧材产 Ca0-A山20，-Mg0三元系1600℃的液相区在12Ca0· 生裂纹.另外，Ca0-A山0，-Mg0夹杂物还容易聚集在 7Al,0,和3Ca0·Mg0·7AL20,附近的低熔点区域 水口内壁，在钢液的冲刷作用下进入钢水中，造成铸坯 Ca0-Al20,-Si0,三元系1600℃的液相区面积很大，而

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 3 SiO2 --Al2O3 --MnO--TiO2夹杂物的面扫描结果 Fig． 3 Surface scan result of Al2O3 --SiO2 --MnO--TiO2 inclusions 图 4 CaO--Al2O3 --SiO2夹杂物的面扫描结果 Fig． 4 Surface scan result of CaO--Al2O3 --SiO2 inclusions 软吹结束钢中主要是 CaO--Al2O3--MgO--( SiO2 ) 类 夹杂，这类夹杂物中( Al2 O3 + MgO) 含量( 质量分数) 平均为 83% ，类似于镁铝尖晶石． 还存在 CaO--Al2O3 -- SiO2 --( MgO) 类夹杂，其中 MgO 含量在 5% 以下，夹杂 物球形化较好． 图 5 为 CaO--Al2O3 --MgO 夹杂物的面 扫描结果，由图看出，Al 和 Mg 的分布比较均匀，而 Ca 主要分布在夹杂物的外层． 中间包内的夹杂物类型与软吹过程类似，CaO-- Al2O3 --MgO--SiO2夹杂物中( Al2O3 + MgO) 含量平均为 88% ，Al2 O3 平均 为 75% ，CaO--Al2 O3 --SiO2 夹杂 物 中 Al2O3平均含量为 66% ． 所有夹杂物呈球形或类球形， 夹杂物中几乎不存在 TiO2 ． 图 5 CaO--Al2O3--MgO 夹杂物的面扫描结果 Fig． 5 Surface scan result of CaO--Al2O3--MgO inclusions 2. 2. 2 铸坯中夹杂物种类与分布 铸坯中主要是 CaO--Al2O3 --MgO、CaO--Al2O3 --SiO2 复合氧化物与不规则的 MnS 夹杂物． MnS 夹杂物尺寸 在 2 ～ 26 μm，平均尺寸为 7. 8 μm，大量出现在铸坯的 1 /4 处和中心处． MnS 夹杂物为塑性夹杂物，因此没有 重点关注其特点． CaO--Al2 O3 --MgO 夹杂物平均成分 ( 质量分数) 为 6. 7% CaO--75. 3% Al2 O3--11. 4% MgO， 夹杂物中的 CaO 含量低，成分接近镁铝尖晶石． 镁铝 尖晶石因其熔点高，硬度大，易引起应力集中使轧材产 生裂纹． 另外，CaO--Al2O3--MgO 夹杂物还容易聚集在 水口内壁，在钢液的冲刷作用下进入钢水中，造成铸坯 的表面缺陷，因此该类夹杂是不希望出现的夹杂物类 型． CaO--Al2O3 --SiO2类夹杂物平均成分为17. 9% CaO-- 60. 1% Al2O3--9. 4% SiO2，夹杂物中 Al2O3含量仍旧较 高，SiO2含量低． 两炉次铸坯中 CaO--Al2 O3 --MgO 和 CaO--Al2 O3 -- SiO2的三元组分的加和大于 90% ，分别对其进行统计， 并利用 Factsage 软件计算出 CaO--Al2O3 --MgO 和CaO-- Al2O3 --SiO2三元系等温线投影图，如图 6 所示． 其中 CaO--Al2O3 --MgO 三元系 1600 ℃ 的液相区在 12CaO· 7Al2O3 和 3CaO·MgO·7Al2 O3 附近 的 低 熔 点 区 域［9］． CaO--Al2O3--SiO2三元系 1600 ℃的液相区面积很大，而 · 091 ·

王勇等：BOF-LF-CC工艺生产S0CrVA弹簧钢洁净度研究 191 Mgo 90 10 90 10 20 20 70 M0质量分数% 40 N0质量分数 40 M1 50 50 60 分数 质量分数1以 60 0 20 20 80 10 50 10 90 Ca0 90 8070605040302010 90807060504030 TO ALO. C0质量分数/% 心0质量分数% 图6铸坯中氧化物夹杂成分分布 Fig.6 Composition distribution of the oxide inclusions in slabs 1500℃有两块不连续的液相区(A区和B区) 的分布情况和夹杂物平均尺寸变化.由图7(a)看出， 由图6看出，两类氧化物夹杂成分分布都靠近纯 LF进站存在大尺寸的夹杂物，其他工序中尺寸小于 A1,0,区域，大多数夹杂物中A山，0，含量达70%以上， 5m的夹杂物占主要部分，尺寸越大比例越小；浇注过 由此可见，精炼及软吹过程未能将A山，O,转变为低熔 程到铸坯中尺寸在5~10um范围内的夹杂物比例增 点的夹杂物.Ca0-Al,0,Mg0类氧化物夹杂大多分布 大.由图7(b)看出，夹杂物平均尺寸呈现先减小后增 在1900℃以上的高熔点区域，Ca0-Al20,-Si02类夹杂 大的趋势，两炉次变化规律一致.精炼开始时尺寸分 物主要分布在1600℃等温线外，亦未进入目标低熔点 别为6.4μm和5.4μm,精炼结束夹杂物尺寸明显减 区域.两类夹杂物中C0含量较低，由于没有进行钙 小，主要是因为随着精炼过程的进行，大颗粒的氧化物 处理，钙主要来源于炉渣，精炼过程的炉渣碱度为2.6 夹杂上浮被顶渣吸收.软吹到中包浇注过程由于小尺 (见表2)，因此为使夹杂物控制在低熔点区，需适当提 寸夹杂物的聚合长大造成平均尺寸有所增加.铸坯中 高精炼渣碱度 夹杂物尺寸增大是由于聚合后的大颗粒夹杂物在软吹 综合两类夹杂物的成分看出，采用铝脱氧但不进 过程未能充分去除，因此可通过适当延长软吹时间、增 行钙处理这种工艺，脱氧后产生的A山203夹杂物在目 加钢液在中间包停留时间和适当增大吹氩流量加剧钢 前的渣碱度下，经过LF精炼后不能转变为低熔点的 液搅动等措施来促进大颗粒夹杂物的上浮去除 夹杂物.夹杂物中Ca0含量较低，Al,O,含量较高，以 2.2.4夹杂物转变过程讨论 尖晶石成分为主，此类夹杂物对钢的疲劳寿命影响大， 精炼开始时钢中大部分夹杂物为Si0,一A山，0，一 是导致弹簧出现疲劳断裂的原因之一·为保证夹杂物 Mn0-TiO2复合氧化物，还有少量纯Al203夹杂，复合氧 的充分变性，需提高炉渣碱度 化物是由于出钢时加入了铝锭、硅锰合金、钒铁、高碳 2.2.3夹杂物平均尺寸变化 铬铁等合金，这些合金中的铝、硅、锰、钛和钢水中的氧 图7(a)、(b)分别是精炼过程中不同尺寸夹杂物 发生了氧化反应，这些氧化产物进一步结合形成了复 10, a <5μm 50 6.5 m6.4 6.0 80 5.5 5.4 60 50 第1炉 48 45 40 4.0 第2 3.8 5. 3.5 33 34 3.0 3.1 F进站L精炼结束软吹结束中间包 铸坏 1进站1精炼结束软结束中间包 铸坏 工序 工序 图7各工序夹杂物尺寸分布(a)和平均尺寸(b)变化 Fig.7 Changes in size distribution (a)and the average size (b)of inclusions in each process

王 勇等: BOF-LF-CC 工艺生产 50CrVA 弹簧钢洁净度研究 图 6 铸坯中氧化物夹杂成分分布 Fig． 6 Composition distribution of the oxide inclusions in slabs 1500 ℃有两块不连续的液相区( A 区和 B 区) ． 由图 6 看出，两类氧化物夹杂成分分布都靠近纯 Al2O3区域，大多数夹杂物中 Al2 O3 含量达 70% 以上， 由此可见，精炼及软吹过程未能将 Al2 O3 转变为低熔 点的夹杂物． CaO--Al2O3 --MgO 类氧化物夹杂大多分布 在 1900 ℃以上的高熔点区域，CaO--Al2O3 --SiO2类夹杂 物主要分布在 1600 ℃等温线外，亦未进入目标低熔点 区域． 两类夹杂物中 CaO 含量较低，由于没有进行钙 处理，钙主要来源于炉渣，精炼过程的炉渣碱度为 2. 6 ( 见表 2) ，因此为使夹杂物控制在低熔点区，需适当提 高精炼渣碱度． 图 7 各工序夹杂物尺寸分布( a) 和平均尺寸( b) 变化 Fig． 7 Changes in size distribution ( a) and the average size ( b) of inclusions in each process 综合两类夹杂物的成分看出，采用铝脱氧但不进 行钙处理这种工艺，脱氧后产生的 Al2 O3 夹杂物在目 前的渣碱度下，经过 LF 精炼后不能转变为低熔点的 夹杂物． 夹杂物中 CaO 含量较低，Al2 O3 含量较高，以 尖晶石成分为主，此类夹杂物对钢的疲劳寿命影响大， 是导致弹簧出现疲劳断裂的原因之一． 为保证夹杂物 的充分变性，需提高炉渣碱度． 2. 2. 3 夹杂物平均尺寸变化 图 7( a) 、( b) 分别是精炼过程中不同尺寸夹杂物 的分布情况和夹杂物平均尺寸变化． 由图 7( a) 看出， LF 进站存在大尺寸的夹杂物，其他工序中尺寸小于 5 μm的夹杂物占主要部分，尺寸越大比例越小; 浇注过 程到铸坯中尺寸在 5 ～ 10 μm 范围内的夹杂物比例增 大． 由图 7( b) 看出，夹杂物平均尺寸呈现先减小后增 大的趋势，两炉次变化规律一致． 精炼开始时尺寸分 别为 6. 4 μm 和 5. 4 μm，精炼结束夹杂物尺寸明显减 小，主要是因为随着精炼过程的进行，大颗粒的氧化物 夹杂上浮被顶渣吸收． 软吹到中包浇注过程由于小尺 寸夹杂物的聚合长大造成平均尺寸有所增加． 铸坯中 夹杂物尺寸增大是由于聚合后的大颗粒夹杂物在软吹 过程未能充分去除，因此可通过适当延长软吹时间、增 加钢液在中间包停留时间和适当增大吹氩流量加剧钢 液搅动等措施来促进大颗粒夹杂物的上浮去除． 2. 2. 4 夹杂物转变过程讨论 精炼开 始 时 钢 中 大 部 分 夹 杂 物 为 SiO2 --Al2O3 -- MnO--TiO2复合氧化物，还有少量纯 Al2O3夹杂，复合氧 化物是由于出钢时加入了铝锭、硅锰合金、钒铁、高碳 铬铁等合金，这些合金中的铝、硅、锰、钛和钢水中的氧 发生了氧化反应，这些氧化产物进一步结合形成了复 · 191 ·