衛(wèi)廣運(yùn)，丁志軍，王成杰

（河鋼集團(tuán)石家莊鋼鐵有限公司，河北 石家莊 050023）

0 引言

齒輪鋼被廣泛應(yīng)用于汽車和機(jī)械制造業(yè)，齒輪鋼在使用過程中既有滑動(dòng)又有滾動(dòng)，同時(shí)齒根還受到脈動(dòng)和交變彎曲應(yīng)力作用，因此，齒輪鋼需要具備良好的強(qiáng)韌性、耐磨性等[1-3]。河鋼集團(tuán)石家莊鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱石鋼公司）生產(chǎn)的Mn-Cr 系列鋼是供大眾汽車等高端變速箱齒輪用鋼，其對(duì)鋼水的純凈度要求很高，且該系列鋼種為含氮鋼種。鋼中氮元素能夠能擴(kuò)大γ 相區(qū)并使奧氏體穩(wěn)定化，是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，但這也導(dǎo)致了該系列鋼在后續(xù)軋制及熱處理過程中奧氏體晶粒具備長(zhǎng)大的傾向，易出現(xiàn)晶粒粗大和混晶現(xiàn)象，導(dǎo)致齒輪淬火變形和開裂。為解決此類問題，滿足顧客的需求，決定在該系列鋼上采用微合金化技術(shù)，利用碳氮化物在奧氏體-鐵素體相界面的析出，有效地阻止鐵素體晶粒長(zhǎng)大，起到細(xì)化鐵素體晶粒尺寸的作用[4-6]。在含氮鋼的生產(chǎn)中，為了保證鋼中氮含量的穩(wěn)定，通常在VD 破空后使用錳氮線增氮，這種增氮方式可以較準(zhǔn)確地控制鋼水中的氮含量，但是對(duì)鋼水的純凈度是一個(gè)不利的影響。鋼水破空后喂入錳氮線會(huì)導(dǎo)致部分液面裸露，從而產(chǎn)生氧化，另外錳氮線本身就會(huì)帶入大量的雜質(zhì)，影響鋼水的純凈度。

為了控制含氮鋼混晶現(xiàn)象、提高鋼水的純凈度，石鋼公司開發(fā)了在LF 精煉過程底吹氮?dú)庠龅墓に?，利用氮微合金化技術(shù)解決滲碳齒輪鋼的混晶問題，同時(shí)通過增氮析氮技術(shù)提高齒輪鋼的純凈度[7]。本文對(duì)鋼中氮含量控制的機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了齒輪鋼生產(chǎn)全流程精準(zhǔn)控氮的生產(chǎn)工藝，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 鋼中氮含量控制的機(jī)理研究

1.1 鋼中氮含量控制的熱力學(xué)分析

氮在鋼中的溶解服從平方根定律，氮?dú)庠诩冭F中的溶解反應(yīng)式由式（1）表示，并根據(jù)西華特定律得出式（2）。

式中：[w]N為鋼水中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；[P]N2為氮在體系內(nèi)的分壓；f[N]為鋼水中氮的活度系數(shù)；[K]N為反應(yīng)式（1）的平衡常數(shù)[8]，其計(jì)算公式由式（3）表示。

式中：T代表開爾文溫度。由式（3）可以看出，隨著溫度的升高，[K]N增加。

鋼中氮元素的活度系數(shù)與鋼中的合金元素有關(guān)[9-10]，受鋼中各元素與氮的相互作用系數(shù)影響，其計(jì)算公式由式（4）表示。

表1 1600℃下主要元素與氮的相互作用系數(shù)Table 1 Interaction coefficient of the main elements with nitrogen at 1600℃

綜上所述，鋼中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是受環(huán)境中氮的分壓、鋼水溫度以及鋼水化學(xué)成分的影響。

1.2 鋼中氮含量控制的動(dòng)力學(xué)分析

氮在氣相和熔池之間的傳遞，還受到鋼液動(dòng)力學(xué)的影響。真空脫氮的步驟主要包括對(duì)流和擴(kuò)散，即溶解在鋼液中的氮原子遷移到鋼-氣界面，界面吸附的氮原子通過相互作用生成氮?dú)猓獨(dú)馔ㄟ^氣體邊界層擴(kuò)散進(jìn)入氣相或進(jìn)入氣泡帶入氣相。

通常真空脫氮的速率取決于溶解在鋼液中的氣體原子向鋼-氣界面的遷移速度，而在真空底吹條件下，鋼液中傳質(zhì)速度很快，限制速率的環(huán)節(jié)只取決于氣體原子穿過擴(kuò)散邊界層的擴(kuò)散速率[11-13]。根據(jù)菲克第一定律，單位時(shí)間內(nèi)通過界面積A的物質(zhì)通量n可由式（5）表示。

式中：k為傳質(zhì)系數(shù)，cm/s；[G]為鋼液內(nèi)部氣體濃度，[Gs]為鋼-氣界面處氣體在鋼中的濃度，A為鋼-氣的界面積。假定脫氣鋼液的體積是V，通過推導(dǎo)可得到式（6），將式（6）積分得到式（7）。

式中：t為脫氣時(shí)間，[Gt]為真空脫氣t時(shí)間后鋼液的氣體濃度?？紤]到界面處[Gs]濃度很小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼液初始濃度[G]和過程濃度[Gt]，可忽略不計(jì)。真空脫氣的工作壓力一般控制在67Pa 以內(nèi)，因此最終影響鋼液脫氣的動(dòng)力學(xué)因素為底吹氣泡的表面積、脫氣時(shí)間。

綜上所述，通過對(duì)鋼液增氮、脫氮的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，得出影響鋼液中氮含量的主要因素為鋼水溫度、氮的分壓、化學(xué)成分、底吹氣泡的表面積、脫氣時(shí)間等。

2 全流程精準(zhǔn)控氮的生產(chǎn)工藝

石鋼公司生產(chǎn)的供大眾汽車的高端變速箱齒輪用鋼TL4227，其生產(chǎn)工藝流程為L(zhǎng)D→LF→VD→CC，其主要化學(xué)成分如表2所示。該鋼種要求奧氏體晶粒度≥5級(jí)，并且要求Al/N＞2.5。

表2 TL4227齒輪鋼化學(xué)成分Table 2 Compositions of TL4227 gear steel%

2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉過程氮含量的影響因素

石鋼公司煉鋼廠有2 座60t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，底吹槍4 支，底吹氣體壓力為0.85MPa～1.2MPa，根據(jù)鋼種，冶煉模式自動(dòng)進(jìn)行氮、氬切換。正常冶煉過程中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氮含量在16ppm～25ppm之間，平均20ppm。

2.1.1 后期補(bǔ)吹對(duì)氮含量的影響

轉(zhuǎn)爐后期補(bǔ)吹會(huì)增加鋼水中的氮含量。在轉(zhuǎn)爐冶煉后期，碳氧反應(yīng)減弱，脫碳速率降低，爐內(nèi)CO 分壓急劇下降，爐口壓差降低，空氣進(jìn)入爐內(nèi)，此時(shí)補(bǔ)吹會(huì)造成鋼液吸氮。為了避免因終點(diǎn)碳含量不穩(wěn)定造成終點(diǎn)氮含量的不穩(wěn)定，將轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳控制在0.05%～0.10%之間，從而保證終點(diǎn)氮含量的穩(wěn)定。圖1為補(bǔ)吹時(shí)間對(duì)終點(diǎn)氮含量的影響。由圖1可以看出，隨著補(bǔ)吹時(shí)間的增加，鋼中氮含量明顯上升。

圖1 補(bǔ)吹時(shí)間對(duì)終點(diǎn)氮含量的影響Fig.1 Second-blowing on the impact of nitrogen in steel

2.1.2 出鋼脫氧合金化對(duì)氮含量的影響

出鋼脫氧合金化的過程會(huì)發(fā)生明顯的增氮。一方面是由于鋼液與空氣接觸增氮，另一方面是由于脫氧增氮，此外合金物料本身也會(huì)帶入氮。鋼液與空氣接觸增氮取決于出鋼時(shí)間、鋼流與空氣的接觸面積等；而脫氧增氮是由于鋼液中的[O]是表面活性物質(zhì)，它會(huì)占據(jù)界面上的空位，從而阻斷氮在界面上的傳遞，脫氧的過程會(huì)使大量的氮?dú)馔ㄟ^界面?zhèn)鬟f到鋼液中，從而使鋼液增氮。圖2是不同爐次出鋼脫氧合金化后氮含量，平均氮含量為43.1ppm，脫氧合金化過程平均增氮量為23.1ppm。

圖2 不同爐次出鋼脫氧合金化后氮含量（★代表平均值）Fig.2 Nitrogen content after tapping and deoxidation-alloying of different furnace times

2.2 LF底吹氮?dú)獾目刂埔c(diǎn)

為獲得LF 吹氮過程中穩(wěn)定的增氮量，石鋼公司在齒輪鋼上進(jìn)行了LF 爐底吹氮?dú)庠龅獙?shí)驗(yàn)。為了減少鋼中[O]、[S]活性元素阻礙氮的吸收[14-15]，選擇在擴(kuò)散脫氧良好，鋼中[S]≤0.010%時(shí)進(jìn)行吹氮。根據(jù)公式（2），LF 爐底吹氮?dú)饬髁窟x用了管道最大控制流量300NL/min。根據(jù)公式（3），溫度越高增氮效果越好，為了保證較好的增氮效果，吹氮時(shí)鋼液溫度要保持在液相線以上50℃。在試驗(yàn)過程中，LF爐底吹氮?dú)馇叭≡嚇?，終點(diǎn)取試樣2，統(tǒng)計(jì)50爐次單位時(shí)間的增氮量如圖3所示。由圖3分析得出，在吹氮時(shí)間5min～25min 中，平均增氮量為3.47ppm/min。

圖3 不同爐次單位時(shí)間的增氮量Fig.3 Nitrogen increment per unit time of different heats

2.3 VD工序控氮的要點(diǎn)

通過VD 設(shè)備，可以較好地脫除鋼液中的氮元素，為了能夠摸清VD 工序的脫氮率，石鋼公司在齒輪鋼上進(jìn)行VD 脫氮實(shí)驗(yàn)。根據(jù)公式（7），研究VD工序不同的保真空時(shí)間對(duì)脫氮率的影響，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到不同保真空時(shí)間下VD 的平均脫氮率（見圖4）。圖4（a）～（e）是統(tǒng)計(jì)不同保真空時(shí)間下的VD 脫氮率，并計(jì)算出不同保真空時(shí)間的平均脫氮率。圖4（f）為不同保真空時(shí)間的平均脫氮率曲線。由圖4（f）可知，隨著保真空時(shí)間的增加，VD 的平均脫氮率從24.68%提高到28.86%。

圖4 不同保真空時(shí)間下VD的脫氮率（★代表平均值）Fig.4 The average denitrification rate of VD under different vacuum holding time

2.4 底吹透氣磚對(duì)控氮的影響

根據(jù)公式（7）可知，底吹透氣磚的透氣效果和氣泡的表面積影響控氮效果。為了減少鋼包底吹透氣性差的現(xiàn)象，在鋼包上使用一種防負(fù)壓滲鋼的彌散型透氣磚。這種透氣磚有兩個(gè)作用：一是通過單向截止閥截?cái)嗤笟獯u芯部?jī)?nèi)外部氣體的聯(lián)通，防止內(nèi)部氣體泄漏形成負(fù)壓，導(dǎo)致鋼水進(jìn)入透氣磚的狹縫，影響透氣效果；二是通過彌散透氣方式，在相同的底吹量的條件下，增加小氣泡的數(shù)量，從而使氣液接觸的表面積增加，加快傳質(zhì)，提高增氮的速率。

3 增氮析氮技術(shù)去除夾雜物

采用增氮析氮法生成氣泡去除鋼液中夾雜物的原理是將氮溶于鋼液中，然后通過VD 抽真空減壓，氣體在夾雜物表面優(yōu)先析出形成氣泡，氣泡攜帶夾雜物上浮被爐渣捕獲，從而達(dá)到去除夾雜物的目的。

通過前期的試驗(yàn)摸索，將原生產(chǎn)工藝的轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹（氮?dú)迩袚Q）→出鋼MnN 合金增氮→LF 全程底吹氬氣→VD 破空喂入MnN 線→連鑄保護(hù)澆注，改進(jìn)為轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹（氮?dú)迩袚Q）→出鋼MnN 合金增氮→LF底吹氮?dú)庠龅鶹D→連鑄保護(hù)澆注。

改進(jìn)增氮工藝后，LF 末期平均氮元素含量為125ppm，VD脫氮率按保真空時(shí)間7min計(jì)算，破空后鋼水中的氮元素含量為94ppm，以60t 鋼水計(jì)算，在VD過程中共產(chǎn)生氮?dú)?488L，這部分氣體會(huì)在鋼包內(nèi)壁、夾雜物界面處形核長(zhǎng)大，能夠有效地去除鋼水中的夾雜物，提高鋼水的純凈度。工藝改進(jìn)后，鋼中平均全氧含量由之前的9ppm降低為6.6ppm。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

通過采用氮微合金化技術(shù)，將鋼中N 元素含量控制在較小的范圍內(nèi)，同時(shí)提高鋼中Al 元素含量，使Al/N＞2.5。圖5為工藝改進(jìn)前后齒輪鋼金相照片。

圖5 工藝改進(jìn)前后齒輪鋼金相照片F(xiàn)ig.5 Metallographic photos of gear steel before and after process improvement

由圖5可以看出，在工藝改進(jìn)前，供大眾用齒輪鋼經(jīng)常出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，工藝改進(jìn)后，基本消除了混晶現(xiàn)象。增氮析氮工藝可以有效降低鋼水中的全氧含量，提高齒輪鋼的疲勞壽命，石鋼高端齒輪鋼氧元素含量控制范圍為5ppm～10ppm，平均氧含量為6.6ppm，優(yōu)于12ppm 的國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

5 結(jié)論

通過摸索試驗(yàn)，LF 底吹氮?dú)?min～25min 內(nèi)，平均增氮量為3.47ppm/min，隨著保真空時(shí)間從6min 增加到10min，VD 的平均脫氮率從24.68%提高到28.86%。

通過增氮析氮技術(shù)，VD在保真空時(shí)間7min時(shí)，VD 過程可脫除鋼中氮元素含量約30ppm，生成的大量氮?dú)饽軌蛴行コ撝袏A雜物，目前石鋼生產(chǎn)的高端齒輪鋼的平均全氧含量由之前的9ppm 降低為6.6ppm。控氮工藝改進(jìn)后，基本消除了齒輪鋼的混晶現(xiàn)象，有效降低鋼水中的全氧含量，提高了齒輪鋼的疲勞壽命，滿足了下游客戶的生產(chǎn)需求。