齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究

D0:10.13374f.issn1001-053x.2011.s1.035 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究 陈天明)杨素波)王新华》 1)攀钢集团研究院有限公司，成都6117312)攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，攀枝花617022 3)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 通信作者，E-mail:chentml16@163.com 摘要利用热力学软件计算了齿轮钢氧含量与夹杂物成分控制、夹杂物转变条件.结果表明，20CMH钢中具有较高塑性 的非金属夹杂物成分（质量分数）为：Si020%-10%、A20322%-55%、Ca042%-60%、Mg05%-10%,与之平衡的钢液中 铝的质量分数大于0.020%，钙的质量分数大于0.7×10-6，a[o为0.0005%左右：选择组成为Ca0>40%、A山，03≤37%、Mg0 10%、(%C0+%Mg0)/%Si02为10、Si02含量尽量低的渣系，钢中Al203、Mg0·Al203夹杂物可转变为低熔点的钙铝酸盐. 试验发现LF和RH精炼结束时钢液T[O]含量均随炉渣碱度增加而降低，采用高A山，O3含量的炉渣对降低T[O]含量有利：精 炼过程钢液中夹杂物按“A山03系夹杂物→MgO一A山，0，系夹杂物→Ca0-Mg0一A,0,系夹杂物”顺序发生转变，其中Mg0- AL,O,系夹杂物向C0-Mg0一Al,0,系夹杂物的转变是由外向内逐步进行的，转变速度相对较慢：降低T[0]含量有利于生成 较低熔点的Ca0-Mg0一Al,0,系夹杂物. 关键词齿轮钢：精炼：炉渣：非金属夹杂物 分类号TF701.2:TF762.1 Control technology for oxygen content and inclusions of gear steel CHEN Tian-ming☒✉，YANG Su-bo2,WANG Xin-haua 1)Research Institute Co.Ltd..PanGang Group.Chengdu 611731,China 2)PanGang Group Steel Vanadium Co.Ld.,Panzhihua 617022.China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author.E-mail:chentml16@163.com ABSTRACT The control of oxygen content and composition and the transformation conditions of non-metallic inclusions in gear steel are calculated with the thermodynamic calculation software Factsage.The results show that the composition of non-metallic inclusions with high plasticity in 20CrMoH steel is as follows mass fraction):Si0,0%to 10%,Al,0,22%to 55%,Cao 42%to 60%,and Mgo 5%to 10%.Under this condition,the mass fraction of aluminum in molten steel is above 0.020%,that of calcium is above 0.7x10,and the activity of oxygen in molten steel is about 0.0005%.If the compositions of refining slag with Ca40%. AlO,37%,Mgo 10%.(%Ca0 +Mgo)/%Si02 =10,and the Si0,content as low as possible are selected,AlO,and Mgo.Al O in molten steel can transform into calcium aluminates with low melting point.It is found that the contents of T[O]at the end of LF and RH refining both decrease with the increase in slag basicity,and the content of T[O]decreases with increasing the con- tent of Al2O3 in the slag.In the refining process,the composition of the non-metallic inclusions changes in order of "inclusions of the Al2O,system-inclusions of the Mgo-Al2O,system-inclusions of the Ca0-MgO-Al2O,system",among which the change of inclusions of the Mgo-Al,O,system to inclusions of the Cao-MgO-Al,O,system is inwardly from the outside surface and the reaction speed is rel- atively slower.Thus,at the end of the ladle furnace refining LF),there are still many unchanged MgO-Al,O,system inclusions.The T[O]content of the steel significantly affects the composition change of the inclusions and decreasing T[]content favors the change of inclusions KEY WORDS gear steel:refining:slag:non-metallic inclusion 收稿日期：2011-08一11

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究 陈天明1) 杨素波2) 王新华3) 1) 攀钢集团研究院有限公司，成都 611731 2) 攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，攀枝花 617022 3) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: chentm116@ 163． com 摘 要 利用热力学软件计算了齿轮钢氧含量与夹杂物成分控制、夹杂物转变条件． 结果表明，20CrMoH 钢中具有较高塑性 的非金属夹杂物成分( 质量分数) 为: SiO2 0% ～ 10% 、Al2O3 22% ～ 55% 、CaO 42% ～ 60% 、MgO 5% ～ 10% ，与之平衡的钢液中 铝的质量分数大于 0. 020% ，钙的质量分数大于 0. 7 × 10 － 6 ，a［O］为 0. 000 5% 左右; 选择组成为 CaO ＞ 40% 、Al2O3≤37% 、MgO 10% 、( % CaO + % MgO) /% SiO2 为 10、SiO2 含量尽量低的渣系，钢中 Al2O3、MgO·Al2O3 夹杂物可转变为低熔点的钙铝酸盐． 试验发现 LF 和 RH 精炼结束时钢液 T［O］含量均随炉渣碱度增加而降低，采用高 Al2O3 含量的炉渣对降低 T［O］含量有利; 精 炼过程钢液中夹杂物按“Al2O3 系夹杂物→MgO--Al2O3 系夹杂物→CaO--MgO--Al2O3 系夹杂物”顺序发生转变，其中 MgO-- Al2O3 系夹杂物向 CaO--MgO--Al2O3 系夹杂物的转变是由外向内逐步进行的，转变速度相对较慢; 降低 T［O］含量有利于生成 较低熔点的 CaO--MgO--Al2O3 系夹杂物． 关键词 齿轮钢; 精炼; 炉渣; 非金属夹杂物 分类号 TF701. 2; TF762 + . 1 Control technology for oxygen content and inclusions of gear steel CHEN Tian-ming1) ，YANG Su-bo 2) ，WANG Xin-hua3) 1) Research Institute Co． Ltd． ，PanGang Group，Chengdu 611731，China 2) PanGang Group Steel ＆ Vanadium Co． Ltd． ，Panzhihua 617022，China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: chentm116@ 163． com ABSTRACT The control of oxygen content and composition and the transformation conditions of non-metallic inclusions in gear steel are calculated with the thermodynamic calculation software Factsage． The results show that the composition of non-metallic inclusions with high plasticity in 20CrMoH steel is as follows ( mass fraction) : SiO2 0% to 10% ，Al2O3 22% to 55% ，CaO 42% to 60% ，and MgO 5% to 10% ． Under this condition，the mass fraction of aluminum in molten steel is above 0. 020% ，that of calcium is above 0. 7 × 10 － 6 ，and the activity of oxygen in molten steel is about 0. 000 5% ． If the compositions of refining slag with CaO ＞ 40% ， Al2O3≤37% ，MgO 10% ，( % CaO + % MgO) /% SiO2 = 10，and the SiO2 content as low as possible are selected，Al2O3 and MgO·Al2O3 in molten steel can transform into calcium aluminates with low melting point． It is found that the contents of T［O］at the end of LF and RH refining both decrease with the increase in slag basicity，and the content of T［O］decreases with increasing the con￾tent of Al2O3 in the slag． In the refining process，the composition of the non-metallic inclusions changes in order of“inclusions of the Al2O3 system→inclusions of the MgO-Al2O3 system→inclusions of the CaO-MgO-Al2O3 system”，among which the change of inclusions of the MgO-Al2O3 system to inclusions of the CaO-MgO-Al2O3 system is inwardly from the outside surface and the reaction speed is rel￾atively slower． Thus，at the end of the ladle furnace refining ( LF) ，there are still many unchanged MgO-Al2O3 system inclusions． The T［O］content of the steel significantly affects the composition change of the inclusions and decreasing T［O］content favors the change of inclusions． KEY WORDS gear steel; refining; slag; non-metallic inclusion 收稿日期: 2011--08--11 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.035

166 北京科技大学学报 第33卷 钢中氧及非金属夹杂物对钢的性能影响很 表120 CrMoH钢液各元素亨利活度系数f(1873K) 大，冶炼过程中，在降低钢中氧含量的同时，应尽 Table 1 Henry activity coefficient of each element in 20CrMoH liquid 可能控制钢中残留非金属夹杂物的形貌、尺寸、变 steel 形性能，即获得尺寸小、分布均匀、球形、硬度较小 元素i C Mn Al Ca 0 Mg 的非金属夹杂物.控制非金属夹杂物的种类、形态 1.03990.97701.18501.10000.07180.36880.9435 则是通过脱氧工艺及精炼工艺控制来实现的.本 文利用热力学计算软件Factsage对钢中氧含量及 1.2 Ca0SiO2-A山，03-Mg0系非金属夹杂物与 夹杂物控制进行了热力学计算分析，结合炼钢装 钢液反应 备及工艺条件开展了工业试验，生产出了高质量 首先利用Factsage软件中多元多相平衡计算模 齿轮钢 块计算在Ca0Si02-Al,03-Mg0系中，1873K平衡 时组元Ca0、Al,03、Mg0和SiO2的等活度线，用于 1热力学计算 Ca0Si02-AL,0,Mg0系非金属夹杂物与钢液反应 1.1计算条件 平衡热力学计算 以20 CrMoH齿轮钢为例进行计算，其典型成分 考虑到溅渣护炉及钢包衬均可带给钢包渣一定 (质量分数)为：C0.20%,Si0.27%,Mn0.77%,P 量的Mg0,本计算分析当Ca0Si02-Al203-Mg0系 0.015%.S0.003%,Cr1.05%.Mo0.20% 非金属夹杂物与钢液反应达到平衡时钢液组元 采用文献[1一4]报道的元素相互作用系数数 [Al]、[O]、[Ca]、[Mg]的含量，得出为将钢液中氧 据，与计算相关的元素亨利活度系数按式(1)计算， 含量控制在较低水平，钢中非金属夹杂物成分的控 活度按式(2)计算，与热力学计算相关的化学反应 制范围，在计算中分别固定Mg0的质量分数为5% 自由能变化取自文献[5-12]. 和10%. 1.2.1等[Al]线 =合[%]+A [%j]2+ 钢液中[Al]与非金属夹杂物中SiO2的反应 如下： [%j][%k] (1) 4[Al]+3(Si02)=2(Al203)+3[Si], 式中，和分别为钢液中元素i与j活度的一阶和 △G°=-658300+107.2T,Jmol-1(3) 二阶相互作用系数. 由式(3)可以得出钢液中的等铝线，见图1.从 a=f[%i] (2) 图1看出，当00=5%时，在低熔点区域1，与 式中，f是元素i的活度系数，[%]是i的质量分 Ca0SiO,一AL,0,Mg0非金属夹杂物平衡时的钢液 数，计算结果见表1. 中铝含量不超过0.0010%，而在低熔点区域2‘，与 IAIVIO-* Al/10-6 5i0 1C一0,2Si一0.27% sio. 1=0.2%i1=0.27% Eva=5% 1Ma=0.77%lCr=1.05% 10择 11n0.77%1Cr1.05% 0.9 1P=0.015%1S=0.03% 0.9 0.1 I=0.0159%的=0.0039% 0.3 0 1M0.2% 0.8 0.2 Ml=02 0.7 0.3 07 0.3 S0,的质量分数 0.6 0.4 f04 03 0.5 03 0.5 0.4 0.6 10、 0.4 0.6 0.3 07 03 07 02 0.8 0.2 0.8 0.1 2、 0.9 20 0.90.80.70.60.50.403.2.14l,0 Ca00.90.80.70.60.50.40.30.20.1Al,0 Ca0约贞量分数 C0的质量分数 图1钢液与Ca0-SiO2一A山203-Mg0非金属夹杂物平衡时的等[Al]线 Fig.1 Iso-activity lines of [Al]when the liquid steel balances with the Cao-$i0,Al,O:Mgo system non-metallic inclusions

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 钢中氧及非金属夹杂物对钢的性能影响很 大，冶炼过程中，在降低钢中氧含量的同时，应尽 可能控制钢中残留非金属夹杂物的形貌、尺寸、变 形性能，即获得尺寸小、分布均匀、球形、硬度较小 的非金属夹杂物． 控制非金属夹杂物的种类、形态 则是通过脱氧工艺及精炼工艺控制来实现的． 本 文利用热力学计算软件 Factsage 对钢中氧含量及 夹杂物控制进行了热力学计算分析，结合炼钢装 备及工艺条件开展了工业试验，生产出了高质量 齿轮钢． 1 热力学计算 1. 1 计算条件 以 20CrMoH 齿轮钢为例进行计算，其典型成分 ( 质量分数) 为: C 0. 20% ，Si 0. 27% ，Mn 0. 77% ，P 0. 015% ，S 0. 003% ，Cr 1. 05% ，Mo 0. 20% ． 图 1 钢液与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的等［Al］线 Fig． 1 Iso-activity lines of ［Al］when the liquid steel balances with the CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO system non-metallic inclusions 采用文献［1--4］报道的元素相互作用系数数 据，与计算相关的元素亨利活度系数按式( 1) 计算， 活度按式( 2) 计算，与热力学计算相关的化学反应 自由能变化取自文献［5--12］． lgfi = ∑ n j = 2 e j i ［% j］+ ∑ n j = 2 r j i ［% j］2 + ∑ n j = 2 ∑ n k = 2 j ＜ k r j，k i ［% j］［% k］ ( 1) 式中，e j i 和 r j i 分别为钢液中元素 i 与 j 活度的一阶和 二阶相互作用系数． ai = fi ［% i］ ( 2) 式中，fi 是元素 i 的活度系数，［% i］是 i 的质量分 数，计算结果见表 1． 表 1 20CrMoH 钢液各元素亨利活度系数 fi ( 1 873 K) Table 1 Henry activity coefficient of each element in 20CrMoH liquid steel 元素 i C Mn Si Al Ca O Mg fi 1. 039 9 0. 977 0 1. 185 0 1. 100 0 0. 071 8 0. 368 8 0. 943 5 1. 2 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系非金属夹杂物与 钢液反应 首先利用 Factsage 软件中多元多相平衡计算模 块计算在 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系中，1873 K 平衡 时组元 CaO、Al2O3、MgO 和 SiO2 的等活度线，用于 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系非金属夹杂物与钢液反应 平衡热力学计算． 考虑到溅渣护炉及钢包衬均可带给钢包渣一定 量的 MgO，本计算分析当 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 系 非金属夹杂物与钢液反应达到平衡时钢液组元 ［Al］、［O］、［Ca］、［Mg］的含量，得出为将钢液中氧 含量控制在较低水平，钢中非金属夹杂物成分的控 制范围，在计算中分别固定 MgO 的质量分数为 5% 和 10% ． 1. 2. 1 等［Al］线 钢液中［Al］与非金属夹杂物中 SiO2 的反应 如下: 4［Al］+ 3( SiO2 ) = 2( Al2O3 ) + 3［Si］， ΔG— = － 658 300 + 107. 2T，J·mol － 1 ( 3) 由式( 3) 可以得出钢液中的等铝线，见图 1． 从 图 1 看出，当 wMgO = 5% 时，在低熔点区域 1'，与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的钢液 中铝含量不超过 0. 001 0% ，而在低熔点区域 2'，与 ·166·

增刊1 陈天明等：齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究 ·167 Ca0SiO2-AL,03-Mg0非金属夹杂物平衡时的钢液 2[Ca]+(Si02)=2(Ca0)+[Si], 中铝含量大于0.020%.当00=10%时，在低熔点 △G°=-694422+75.06T.J小mol-1 (4) 区域1'，与Ca0-Si02-Al,03-Mg0非金属夹杂物平 由式(4)可以得出钢液中的等ac线，如图2 衡时的钢液中铝含量为0.0010%左右，而在低熔点 所示.由图2可见，随着非金属夹杂物成分由低熔 区域2'，与Ca0-Si02-Al,03-Mg0非金属夹杂物平 点区域1'变到低熔点区域2'，钢液ac1增加.当 衡时的钢液中铝含量在0.020%左右.可见，当钢液 10o=5%,Ca0-Si02-Al203-Mg0非金属夹杂物成 分别与成分处于这两个区域的非金属夹杂物平衡 分处于区域2时，钢液中ac为10×10-~50× 时，与区域2平衡的钢液铝含量明显高于与区域1· 10-8,由表1知f=0.0718,则平衡时钢液中钙的 平衡的钢液铝含量. 质量分数的波动范围为1.4×10-6~7.0×10-6.当 1.2.2等ac线 0wso=10%,Ca0-Si02-Al203-Mg0非金属夹杂物 钢液中[Ca]与非金属夹杂物中SiO2的反应 成分处于区域2时，钢液中a[c>5×10‘,则平衡 如下： 时钢液中钙的质量分数>0.7×10-6 i() 6/10 si(0 “g,10- [C]=0.2%S]=0.27% 一59% 1C]0.2%1Si0.27% 0.9 A0.1 1Mm-.77晚1Cr-1.05% 0.9 0.1 lMn=0,771C=1.05% F鬥=0.015g[间=0.003% 1P1=0.0159%1S1=(0.(039% 0.8 0.2 Al.=0.0%[f=0.2% 0.8 0.2 1.0.06毫1M0.2绿 0.7 0.3 03 S0,的质量分数 0.6 0.49 0.4G 05 0.5 0.5 1’ 0.4 150 0.6 0.4 06 0.3 0.7 0.3 0.7 0.2 . 0.2 0.8 0.1 0.9 .1 , 0.9 (a)0.90.80.70.60.50.40.30.20.1Al) Ca00.9080.70.60.50.40.30.20.1A103 CO的质量分数 C0的质量分数 图2钢液与Ca0Si02一A山203-Mg0非金属夹杂物平衡时的等a[c]线 Fig.2 Iso-ctivity lines of a when the liquid steel balances with the Ca0-6i0AOMgo system non-metallic inclusions 1.2.3等ao线 金属夹杂物中Mg0含量增加. 钢液中氧与钢液中硅的反应如下： 由上可见，随着非金属夹杂物成分由区域1变 [Si]+2[0]=(Si02), 到区域2'，钢中氧含量大大降低.因此，将非金属夹 △G°=-581900+221.8T,J小mol1(5) 杂物成分控制在区域2'，且渣中M0含量越低，更 由式(5)可以得出钢液中的等氧线，见图3.从 容易生产超低氧钢.此外，钢包渣氧化性对精炼过 图3可以看出，当wMeo=5%时，若Ca0-Si02一l,03- 程的脱氧影响较为显著.日本钢管公司在生产低氧 Mg0非金属夹杂物成分处于低熔点区域1'时，平衡 钢时，将RH处理前的渣中(FeO+MnO)含量降至 时钢液中氧含量超过0.004%，而当Ca0-Si02- 1.0%以下，处理后T[0]的质量分数基本都≤10× A山，0，一Mg0非金属夹杂物成分处于低熔点区域2· 10-6；爱知钢厂在生产轴承钢时得到了相同的结论， 时，平衡时钢液中氧含量仅在0.0002%~0.0006% 甚至要求将渣中(Fe,0+MnO)含量降低至0.5% 之间：当wMo=10%时，若Ca0-Si02一Al203-Mg0 以下 非金属夹杂物成分处于低熔点区域1'时，平衡时钢 因此，20CMoH钢液中具有较高塑性的非金属 液中氧含量超过0.002%，而当Ca0-Si02-Al,03- 夹杂物成分为：Si020%~10%、A,0322%~55%、 Mg0非金属夹杂物成分处于低熔点区域2'时，平衡 Ca042%~60%、Mg05%~10%,与之平衡的钢液 时钢液中氧含量仅在0.0005%左右.同时可以看 中铝的质量分数为0.020%左右，钙的质量分数> 出，随着钢液氧含量增加，Ca0-SiO2-Al,03-Mg0非 0.7×10-6,氧的质量分数为0.0005%左右

增刊 1 陈天明等: 齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的钢液 中铝含量大于 0. 020% ． 当 wMgO = 10% 时，在低熔点 区域 1'，与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平 衡时的钢液中铝含量为 0. 001 0% 左右，而在低熔点 区域 2'，与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平 衡时的钢液中铝含量在 0. 020% 左右． 可见，当钢液 分别与成分处于这两个区域的非金属夹杂物平衡 时，与区域 2'平衡的钢液铝含量明显高于与区域 1' 平衡的钢液铝含量． 1. 2. 2 等 a［Ca］线 钢液中［Ca］与非金属夹杂物中 SiO2 的反应 如下: 2［Ca］+ ( SiO2 ) = 2( CaO) +［Si］， ΔG— = － 694 422 + 75. 06T，J·mol － 1 ( 4) 由式( 4) 可以得出钢液中的等 a［Ca］线，如图 2 所示． 由图 2 可见，随着非金属夹杂物成分由低熔 点区域 1'变到低熔点区域 2'，钢液 a［Ca］ 增加． 当 wMgO = 5% ，CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物成 分处于区域 2'时，钢液中 a［Ca］为 10 × 10 － 8 ～ 50 × 10 － 8 ，由表 1 知 fCa = 0. 071 8，则平衡时钢液中钙的 质量分数的波动范围为 1. 4 × 10 － 6 ～ 7. 0 × 10 － 6 ． 当 wMgO = 10% ，CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物 成分处于区域 2'时，钢液中 a［Ca］ ＞ 5 × 10 － 8 ，则平衡 时钢液中钙的质量分数 ＞ 0. 7 × 10 － 6 ． 图 2 钢液与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的等 a［Ca］线 Fig． 2 Iso-activity lines of a［Ca］ when the liquid steel balances with the CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO system non-metallic inclusions 1. 2. 3 等 a［O］线 钢液中氧与钢液中硅的反应如下: ［Si］+ 2［O］= ( SiO2 ) ， ΔG— = － 581 900 + 221. 8T，J·mol － 1 ( 5) 由式( 5) 可以得出钢液中的等氧线，见图 3． 从 图3 可以看出，当 wMgO = 5% 时，若 CaO--SiO2--Al2O3-- MgO 非金属夹杂物成分处于低熔点区域 1'时，平衡 时钢液 中 氧 含 量 超 过 0. 004% ，而 当 CaO--SiO2 -- Al2O3 --MgO 非金属夹杂物成分处于低熔点区域 2' 时，平衡时钢液中氧含量仅在 0. 000 2% ～ 0. 000 6% 之间; 当 wMgO = 10% 时，若 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物成分处于低熔点区域 1'时，平衡时钢 液中氧含量超过 0. 002% ，而当 CaO--SiO2 --Al2O3 -- MgO 非金属夹杂物成分处于低熔点区域 2'时，平衡 时钢液中氧含量仅在 0. 000 5% 左右． 同时可以看 出，随着钢液氧含量增加，CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非 金属夹杂物中 MgO 含量增加． 由上可见，随着非金属夹杂物成分由区域 1'变 到区域 2'，钢中氧含量大大降低． 因此，将非金属夹 杂物成分控制在区域 2'，且渣中 MgO 含量越低，更 容易生产超低氧钢． 此外，钢包渣氧化性对精炼过 程的脱氧影响较为显著． 日本钢管公司在生产低氧 钢时，将 RH 处理前的渣中( FeO + MnO) 含量降至 1. 0% 以下，处理后 T［O］的质量分数基本都≤10 × 10 － 6 ; 爱知钢厂在生产轴承钢时得到了相同的结论， 甚至要求将渣中( Fet O + MnO) 含量降低至 0. 5% 以下． 因此，20CrMoH 钢液中具有较高塑性的非金属 夹杂物成分为: SiO2 0% ～ 10% 、Al2O3 22% ～ 55% 、 CaO 42% ～ 60% 、MgO 5% ～ 10% ，与之平衡的钢液 中铝的质量分数为 0. 020% 左右，钙的质量分数 ＞ 0. 7 × 10 － 6 ，氧的质量分数为 0. 000 5% 左右． ·167·

168 北京科技大学学报 第33卷 5i) 10V10- OVIO- xw-5% 1C=0.2%151=0.27% tw,=10% [C]=0.2%[5=0.27% 0.9 0.1 Mn]=0.77%[Cr]=1.05% []=0.015%[]=0.003 09 0.1 [Mm=0.77%[r=1.05% .8 IP-0.13%1-0.0039 A.=0.0011a=.2% 0.8 0.2 41.=0.06%[Ho]=0.2呢 0.3 07 0.3 50,的质量分敷 0.6 04 0.6 0.4 03 0.5 质 0.6 S0,的硬分数 0.5 0.5 0.6 0.3 0.7 0.3 0.7 02 0.8 0.2 0,8 01 0.9 0.1 0.9 0.90.80.70.60.50.4030.20,1Al( C00.9 0.80.70.60.50.40.30.20.11,0 :()的质量分数 Ca0的质量分数 图3钢液与Ca0SiO2一Al20,一Mg0非金属夹杂物平衡时的等a[0线 Fig.3 Isoactivity lines of ato when the liquid steel balances with the Ca0-i02-Mgo system non-metallic inclusions 1.3低熔点钙铝酸盐夹杂物形成条件 50 60 A山，O3和尖晶石Mg0·A山03非常坚硬且熔点极 45 55 50 高，在热轧过程中不变形，降低钢材的抗疲劳性能， 40 45 危害很大.以炉渣碱度((%Ca0+%Mg0)/% 35 Si0,)为10，Mg0的质量分数为10%为例，分析将钢 液中A山，03、Mg0·A山O3等夹杂物转变为低熔点钙 一渣中CaO含量 30 25 --·渣中A10,含量 25 铝酸盐夹杂物需要的条件 20 利用图1和图2的数据作出钢液中铝含量、渣 100 150 200 250 300 钢中AIV106 中Ca0含量、渣中A山，03含量和钢液中钙活度、渣 图4钢中[A]与渣中Ca0、Al201含量（质量分数）的关系 中Ca0含量、渣中A山0含量的对应关系，见图4 Fig.4 Relationship between the content of Al in molten steeland the 和图5.由图4可知，要使平衡时钢液中铝的质量 contents of Ca0 and Al,O,in the slag 分数大于0.020%，渣中Ca0需达40%以上， AL203应在37%以内.由图5可知，要使平衡时钢 48 68 液中ac>0.7×10-6,渣中Ca0需>39%，Al,0, 60 应≤37%. 401 一渣中Ca0含量 此外，由文献[13]可知，为避免或减少尖晶石 36 ·渣中Al,0含量 的生成，应尽量降低钢包渣中的SO2含量.所以， 36 如果选择组成为Ca0>40%、Al,03≤37%、Mg0 子 10%、(%Ca0+%Mg0)/%Si02为10、Si02含量尽 20 0 48 1216202428 量低的渣系，平衡时钢液中夹杂物为低熔点的钙铝 2620 钢中ac10-t 酸盐夹杂物 图5钢中a[C1与渣中Ca0、A山203含量（质量分数）的关系 2工业验证试验 Fig.5 Relationship between atc and the contents of Cao and Al2O:in the slag 2.1试验方法 验证试验钢种为20CMoH齿轮钢，采用“铁水 炼钢吹炼终点钢水[C]控制在0.05%~0.10%，采 脱硫预处理一120t顶底复吹转炉炼钢一LF精炼一 用挡渣锥出钢挡渣，在出钢过程向钢包内钢水加入 RH真空处理一方坯(280mm×380mm)连铸”工艺 铝、铁合金和部分CaO-CaF,系渣料进行脱氧和造 流程.铁水脱硫预处理采用喷吹石灰系脱硫剂工 渣预精炼.LF精炼开始后加入其余部分足量铝、渣 艺，将[S]脱除至0.005%以下.氧气顶底复吹转炉 料进行脱氧、造渣、脱硫精炼，由钢包底部透气砖吹

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 3 钢液与 CaO--SiO2 --Al2O3 --MgO 非金属夹杂物平衡时的等 a［O］线 Fig． 3 Iso-activity lines of a［O］ when the liquid steel balances with the CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO system non-metallic inclusions 1. 3 低熔点钙铝酸盐夹杂物形成条件 Al2O3 和尖晶石 MgO·Al2O3 非常坚硬且熔点极 高，在热轧过程中不变形，降低钢材的抗疲劳性能， 危害 很 大． 以 炉 渣 碱 度 ( ( % CaO + % MgO) /% SiO2 ) 为 10，MgO 的质量分数为 10% 为例，分析将钢 液中 Al2O3、MgO·Al2O3 等夹杂物转变为低熔点钙 铝酸盐夹杂物需要的条件． 利用图 1 和图 2 的数据作出钢液中铝含量、渣 中 CaO 含量、渣中 Al2O3 含量和钢液中钙活度、渣 中 CaO 含量、渣中 Al2O3 含量的对应关系，见图 4 和图 5． 由图 4 可知，要使平衡时钢液中铝的质量 分 数 大 于 0. 020% ，渣 中 CaO 需 达 40% 以 上， Al2O3 应在 37% 以内． 由图 5 可知，要使平衡时钢 液中 a［Ca］ ＞ 0. 7 × 10 － 6 ，渣中 CaO 需 ＞ 39% ，Al2O3 应≤37% ． 此外，由文献［13］可知，为避免或减少尖晶石 的生成，应尽量降低钢包渣中的 SiO2 含量． 所以， 如果选择组成为 CaO ＞ 40% 、Al2O3 ≤37% 、MgO 10% 、( % CaO + % MgO) /% SiO2 为 10、SiO2 含量尽 量低的渣系，平衡时钢液中夹杂物为低熔点的钙铝 酸盐夹杂物． 2 工业验证试验 2. 1 试验方法 验证试验钢种为 20CrMoH 齿轮钢，采用“铁水 脱硫预处理—120 t 顶底复吹转炉炼钢—LF 精炼— RH 真空处理—方坯( 280 mm × 380 mm) 连铸”工艺 流程． 铁水脱硫预处理采用喷吹石灰系脱硫剂工 艺，将［S］脱除至 0. 005% 以下． 氧气顶底复吹转炉 图 4 钢中［Al］与渣中 CaO、Al2O3 含量( 质量分数) 的关系 Fig． 4 Relationship between the content of Al in molten steeland the contents of CaO and Al2O3 in the slag 图 5 钢中 a［Ca］与渣中 CaO、Al2O3 含量( 质量分数) 的关系 Fig． 5 Relationship between a［Ca］ and the contents of CaO and Al2O3 in the slag 炼钢吹炼终点钢水［C］控制在 0. 05% ～ 0. 10% ，采 用挡渣锥出钢挡渣，在出钢过程向钢包内钢水加入 铝、铁合金和部分 CaO--CaF2 系渣料进行脱氧和造 渣预精炼． LF 精炼开始后加入其余部分足量铝、渣 料进行脱氧、造渣、脱硫精炼，由钢包底部透气砖吹 ·168·

增刊1 陈天明等：齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究 ·169· 氩进行搅拌，LF精炼时间在45min左右.钢水RH 2.2.2氧含量控制分析 真空处理处理时间为15min,其中真空室内压力低 从图6可见，由于在出钢过程采用铝进行强脱 于300Pa的处理时间大于12min. 氧和渣洗，出钢后吹氩处理，将Al,控制在0.04%以 2.2试验结果 上，精炼前钢水的T[0]的质量分数已降低至12× 2.2.1精炼钢包渣组成 10-6~20×10-6.由图7可见，LF精炼结束时T[0] 8炉试验钢水LF精炼结束钢包渣组成情况见 随AL,增加而降低，将Al,控制在0.05%~0.06%， 表2，基本达到了热力学计算得到的控制范围 钢中T[0]在15×10-6左右. 表2LF精炼结束钢包渣组成 Table 2 Chemical compositions of the ladle slag after LF refining 化学成分（质量分数）/% Ca0 Mgo)/ CaO/Al2O; Ca0/Si0, Al203 CaF2 Ca0 Si02 MnO TFe Mgo SiO2 28.8 4.6 54.9 5.5 0.2 0.43 7.3 1.9 10.5 10.6 24.2~35.03.4~6.248.8~61.13.4-7.10.16~0.400.32-0.565.9-8.717.7~2.27.9-14.49.8w12.1 35 口【，F洁炼结求 25 。山特韩京 15 20 0 15 90 0.02 0.04 0.060.080.100,12 10 0 0 Alf经 图6F精炼前钢水AL,和T[O]的关系 10 15 20 CaO/SiO. Fig.6 Relation between the content of Al.and that of T[O]in mol- ten steel before LF refining 图8Ca0/SiO2对钢液T[0]的影响 Fig.8 Effect of Ca0/Si0,in slag on the content ofr [O]in molten 30 steel 5 20 降低，即采用较低A山，03含量的炉渣对降低钢水T 0 [0]含量有利.而当Ca01AL,03低于1.8~1.9，即 10 炉渣A山，0，超过25%后，T[0]含量随炉渣AL,03含 5 量增加而降低，即采用高A山，O3含量的炉渣对降低 钢水T[0]含量有利. 0.020.04 0.060.080.100.120.14 l呢 从图10可见，本试验LF精炼结束时钢包渣中 图7LF结束钢水AL,与T[O]的关系 (FeO+MnO)含量均很低，对钢水T[O]影响不大 35 Fig.7 Relation between the content of Al,and that of T[O]in mol- 。1.精拆后门01 口1H精炼后 ten steel after LF refining 30 ·沿中A,0 35 25 图8为LF和RH精炼结束时炉渣碱度与钢水 试样T[0]含量的关系.当炉渣Ca0/Si02在3.0~ 20 25 8.5范围时，LF和RH精炼结束时钢水T[O]含量 15 白 0 0 15 均随碱度增加而降低.但当碱度超过8.5后对钢水 10 0 T[0]含量的影响变得不再显著. 5 5 图9为LF和RH精炼结束时炉渣CaO/AL,O3 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 CaO/SiO, 和A山0含量与钢水T[0]的关系，可以看到，当炉 图9Ca0/A1203比和A203对T[0]的彩响 渣Ca0/AL,03大于1.8~1.9，即Al,03的质量分数 Fig.9 Effect of Ca0/Al,O ratio and the content of Al2O:in slag on 低于25%时，T[0]含量随炉渣AL,0,含量的减少而 the content of T[O]in molten steel

增刊 1 陈天明等: 齿轮钢氧含量及夹杂物控制技术研究 氩进行搅拌，LF 精炼时间在 45 min 左右． 钢水 RH 真空处理处理时间为 15 min，其中真空室内压力低 于 300 Pa 的处理时间大于 12 min． 2. 2 试验结果 2. 2. 1 精炼钢包渣组成 8 炉试验钢水 LF 精炼结束钢包渣组成情况见 表 2，基本达到了热力学计算得到的控制范围． 2. 2. 2 氧含量控制分析 从图 6 可见，由于在出钢过程采用铝进行强脱 氧和渣洗，出钢后吹氩处理，将 Als控制在 0. 04% 以 上，精炼前钢水的 T［O］的质量分数已降低至 12 × 10 － 6 ～ 20 #10 － 6 ． 由图 7 可见，LF 精炼结束时 T［O］ 随 Als增加而降低，将 Als控制在 0. 05% ～ 0. 06% ， 钢中 T［O］在 15 × 10 － 6 左右． 表 2 LF 精炼结束钢包渣组成 Table 2 Chemical compositions of the ladle slag after LF refining 化学成分( 质量分数) /% Al2O3 CaF2 CaO SiO2 MnO TFe MgO CaO/Al2O3 CaO/SiO2 ( CaO + MgO) / SiO2 28. 8 4. 6 54. 9 5. 5 0. 2 0. 43 7. 3 1. 9 10. 5 10. 6 24. 2 ～ 35. 0 3. 4 ～ 6. 2 48. 8 ～ 61. 1 3. 4 ～ 7. 1 0. 16 ～ 0. 40 0. 32 ～ 0. 56 5. 9 ～ 8. 7 17. 7 ～ 2. 2 7. 9 ～ 14. 4 9. 8 ～ 12. 1 图 6 LF 精炼前钢水 Als和 T［O］的关系 Fig． 6 Relation between the content of Als and that of T［O］in mol￾ten steel before LF refining 图 7 LF 结束钢水 Als与 T［O］的关系 Fig． 7 Relation between the content of Als and that of T［O］in mol￾ten steel after LF refining 图 8 为 LF 和 RH 精炼结束时炉渣碱度与钢水 试样 T［O］含量的关系． 当炉渣 CaO/SiO2 在 3. 0 ～ 8. 5 范围时，LF 和 RH 精炼结束时钢水 T［O］含量 均随碱度增加而降低． 但当碱度超过 8. 5 后对钢水 T［O］含量的影响变得不再显著． 图 9 为 LF 和 RH 精炼结束时炉渣 CaO/Al2O3 和 Al2O3 含量与钢水 T［O］的关系，可以看到，当炉 渣 CaO/Al2O3 大于 1. 8 ～ 1. 9，即 Al2O3 的质量分数 低于 25% 时，T［O］含量随炉渣 Al2O3 含量的减少而 图 8 CaO/SiO2 对钢液 T［O］的影响 Fig． 8 Effect of CaO/SiO2 in slag on the content ofT［O］ in molten steel 降低，即采用较低 Al2O3 含量的炉渣对降低钢水 T ［O］含量有利． 而当 CaO/Al2O3 低于 1. 8 ～ 1. 9，即 炉渣 Al2O3 超过 25% 后，T［O］含量随炉渣 Al2O3 含 量增加而降低，即采用高 Al2O3 含量的炉渣对降低 钢水 T［O］含量有利． 图 9 CaO/Al2O3 比和 Al2O3 对 T［O］的影响 Fig． 9 Effect of CaO/Al2O3 ratio and the content of Al2O3 in slag on the content of T［O］in molten steel 从图 10 可见，本试验 LF 精炼结束时钢包渣中 ( FeO + MnO) 含量均很低，对钢水 T［O］影响不大． ·169·