汽车电动化推动齿轮钢性能升级，某钢厂生产工艺创新满足新要求

随着电动汽车的发展，对汽车齿轮钢提出了新的要求，如窄淬硬性、超低氧含量、成分均匀性、无害夹杂物控制等，鉴于此，某钢厂采用“超高功率电炉→LF→VD→CC”工艺流程，通过电炉氧化控制、细化夹杂物无害化工艺生产、连铸防止二次氧化等操作，批量生产高疲劳强度汽车齿轮钢。

近年来，我国电动汽车产业发展迅速，电动汽车销量呈现爆发式增长，带动了一大批相关产业的快速发展，齿轮是汽车的重要零部件之一，随着汽车电动化的发展，对齿轮的疲劳强度要求更高，因此对齿轮钢的性能也提出了更高的要求：更窄的淬透性、超低氧含量、细小均匀的晶粒尺寸、成分均匀化、夹杂物的无害化控制等。

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工艺介绍

某钢厂生产高疲劳强度齿轮钢的生产工艺流程为：100t超高功率直流电弧炉→100tLF精炼炉→100tVD真空脱气炉→大方坯连铸机。

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过程控制

通过对原齿轮钢质量分析发现，钢中氧含量总体偏高，且氧含量稳定性较差，另外，对钢的疲劳寿命影响较大的Ds夹杂物一般在1.0~2.0级。通过工艺分析发现，电炉氧化性强，钢卷夹渣，LF脱氧不彻底，渣系波动大，VD去除夹杂物效果差，连铸二次氧化等问题，因此，制定了高疲劳强度汽车齿轮钢冶炼工艺，确保最终产品完全满足客户要求。

电炉低氧化冶炼及出钢

超高功率电炉具有输电效率高、冶炼速度快、EBT无渣炼钢等优点。由于炉内碳氧反应剧烈，对初生钢水能起到很好的除气、去除夹杂的作用。氧气能有效去除碳、磷等元素，但过量的氧气会使钢水中氧含量过高。用测氧仪测定钢水中氧含量，其趋势分布如图1所示。

图1 钢水中碳和氧的变化趋势线

从图1的趋势曲线可以看出以下规律：

1）钢水中w[C]≤0.05%时，钢水中w[O]较高，可达600×10-6～1 000×10-6左右，且波动较大。

2）钢水中w[C]在0.05%～0.10%之间时，w[O]主要集中在350×10-6～650×10-6之间。

3)钢水中w[C]在0.10%~0.15%之间时,w[O]主要集中在150×10-6~300×10-6之间,氧含量明显降低。

由于大部分齿轮钢的w(C)在0.15%～0.30%之间，电炉完全可以采用高碳拉钢的方法来降低电炉钢水溶解氧含量，减少炼钢过程中铝、硅等脱氧剂的用量。在取样后、出钢前向炉内喷入适量碳粉，以进一步除去炉内钢水中的氧。根据表1试验结果，对比了喷碳粉与不喷碳粉的结果。测得炉内钢水氧含量，其平均值w[O]相差85×10-6。由此可见喷碳粉对降低钢水溶解氧含量的效果是明显的。

表1 不同工艺过程中氧含量对比

超高功率电炉采用EBT无渣炼钢方法，但在实际炼钢过程中，随着出钢量的增加，炉内残钢量逐渐减少，不可避免地会出现涡流渣。不仅造成P含量升高，而且严重影响LF的脱氧，导致钢水中氧含量升高、铝量较大、氧化铝夹杂增多，不利于氧含量和夹杂物的控制。生产高强度齿轮钢时，电炉炼钢结束后进行清渣作业，将电炉氧化渣彻底清除。清渣作业后有利于LF渣系的稳定，从而保证氧含量和夹杂物控制的稳定。

LF精炼炉强脱氧控制

经过EBT无渣炼钢除渣后，炉渣中的氧含量已大大降低，但钢水中溶解氧仍然较高，因此需要脱氧，同时脱氧会产生大量的夹杂物，需要将其降低到足够低的水平，才能保证氧含量和夹杂物满足工艺要求。为此，精炼采取以下措施：

1）高碱度白渣冶炼。白渣是指碱度高、FeO含量低的炉渣，不仅具有强还原性，而且有较强的夹杂物吸附能力，通过提高石灰中CaO质量分数和不采用含SiO2的物质造渣来提高活性，炉渣碱度控制在6～12之间。在不降低炉渣碱度的情况下，使炉渣成分在CaO-Al2O3-SiO2三元相图中接近12CaO·7Al2O3的成分区域。在高温条件下，降低炉渣熔点，提高炉渣流动性，使之能更好的吸收夹杂物。

2）沉淀脱氧与扩散脱氧相结合。LF初期氧含量较高时，采用加铝丝进行沉淀脱氧，这样不但能迅速降低氧含量，而且产生的Al2O3夹杂物进入渣中，可降低渣的熔点。LF中后期，采用SiC上浮于渣面进行扩散脱氧，保证早期钢水中Al2O3夹杂物有充足的上浮时间。

3）加强精炼节奏控制。LF冶炼过程是均匀钢水成分、均匀钢水温度、去除夹杂物的过程，同时也是夹杂物不断生成的过程，特别是钢包耐火材料中的MgO，会不断剥落进入钢水中。以前的生产工艺往往要求有充足的LF时间来去除夹杂物。通过对不同精炼时期的钢水取样，用电子显微镜扫描夹杂物发现，随着冶炼时间的增加，钢水中MgO含量逐渐增加。随着冶炼的进行，钢包耐火材料中的MgO会逐渐剥落进入钢水中。有些夹杂物能够上浮去除，但有些夹杂物会与钢水中其他非金属夹杂物形成复合夹杂物。生产超纯净齿轮钢时，在保证钢水成分和温度的前提下，应加快冶炼节奏，适当缩短精炼炉冶炼时间。在同样的生产节奏下，间接增加了VD处理时间。通过工艺的改变，VD软吹时间在原基础上增加了70%左右。软吹时间的增加将更有利于夹杂物的去除。

VD真空处理

真空条件下钢水长期氩气搅拌，会造成夹杂物不断聚集、长大、上浮，与精炼炉钢水试样中的夹杂物相比，VD处理后的夹杂物数量明显减少，尺寸明显减小，钢水纯净度明显降低。同时，在高真空条件下，随着真空度的逐渐降低，钢水中CO平衡被打破，碳的脱氧能力增强，随着真空处理时间的增加，最终钢水中的氧含量不断降低。图2为高真空处理时间与钢水中氧含量的关系。从趋势图可以发现，冶炼超纯净齿轮钢时，VD的高真空处理时间应适当延长。

图2 高真空时间与氧含量趋势

VD软吹

经过LF冶炼、VD高真空处理后，钢水中的夹杂物大大减少，特别是大颗粒夹杂物的去除效果非常明显。但由于真空处理过程中钢水与炉渣混合，会产生大量的炉渣，这些夹杂物如果去除不好，在连铸过程中就会慢慢地吸附在塞棒水口上，吸附到一定程度就会剥落进入钢水中，形成大尺寸的宏观夹杂物，这对钢的使用是非常致命的，因此如何去除这种微小的夹杂物是超纯净钢冶炼的关键。

夹杂物的去除需要足够的动态条件，本文引入了氩气搅拌指数R，指单位面积夹杂物数量减少50%所需的时间。取样分析发现：

1）当软吹时间≤1.5R时，随着软吹时间的增加，大颗粒夹杂物的去除效果非常明显，而小颗粒夹杂物的去除效果不明显。

2）软吹时间为1.5R~4R时，随着软吹时间的增加，大颗粒夹杂物几乎被完全去除，而大量细小夹杂物的去除程度呈现增大趋势。

3)软吹时间为4R~6R时,细小夹杂物的去除效果继续增强,但趋势变缓。

4）软吹时间大于6R时，细小夹杂物数量没有明显减少，同时发现少量较大夹杂物，经电镜扫描后发现夹杂物中MgO含量较高。其主要原因是软吹时间过长，时间长了，钢水与钢包接触时间增加，导致钢包内耐火材料剥落进入钢水。

因此控制合理的搅拌氩气指标有利于获得良好的夹杂物去除效果。

连续铸造防止二次氧化

钢水经过精炼冶炼、软吹后，氧含量及夹杂物已明显降低，在钢水从大包向中包浇注过程中，一旦发生二次氧化，氧含量就会升高，同时，也会导致钢水二次氧化，因此，连铸时采用整体式中间包，中间包内加有覆盖剂，保证钢水不被再次氧化。

03

综上所述

1）采用电炉高碳拉钢工艺，取样后喷洒碳粉，从源头上降低钢水中溶解氧含量。

2）LF采用沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的方式，产生高碱度白渣，同时控制LF冶炼时间，有效降低了钢水中溶解氧含量和夹杂物数量。

3）通过控制适当的VD搅拌氩气指标，可以进一步去除钢水中的氧含量和夹杂物。

结尾

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