隨著我國機械工業特別是汽車行業的發展，對齒輪鋼的要求越來越嚴苛，高品質齒輪鋼不但要具有良好的強韌性、耐磨性，還需要有良好的抗沖擊、抗裂紋擴展和抗疲勞性能。SAE8620H 是我國引進美國汽車工程師協會標準中的鋼種，執行標準為 ASTM A304，屬于 Cr、Ni – Mo 系齒輪鋼，具有良好的使用和加工性能，在我國得到廣泛應用。由于鋼中非金屬夾雜物的存在破壞了鋼基體連續性，容易成為齒輪鋼疲勞破壞的起源點，降低鋼材的使用壽命，因此降低鋼中非金屬夾雜物數量和尺寸，提高鋼材純凈度是生產高品質齒輪鋼的主要任務之一。
某特鋼企業齒輪鋼 SAE8620H 冶煉生產流程: 100 t BOF-LF-RH-4 機 4 流 200 mm 方坯連鑄機。通過合理的冶煉工藝設計和對轉爐冶煉、LF 精煉、RH 真空處理和連鑄等關鍵生產工藝進行控制，有效降低鋼中 P、S、O、N、H 等有害元素含量和非金屬夾雜物評定級別，提高了齒輪鋼產品質量，形成具備 18 萬 t /a SAE8620H、20CrMnTi 等高品質齒輪鋼生產能力，并獲得良好的經濟和社會效益。
1、工序質量控制關鍵
轉爐冶煉控制
以脫硫鐵水[%S]≤0.005 和優質廢鋼為原料，爐料結構為 80%鐵水+20%廢鋼。根據碳氧反應平衡原理，在一定出鋼溫度條件下，轉爐終點碳含量越高，鋼水初始溶解氧含量越低。為有效降低鋼中初始溶解氧和 P 含量，轉爐終點溫度控制在 1 600 ～ 1 630 ℃，[%C]0.06～0.10，[%P]≤0.013。轉爐出鋼過程根據鋼水初始溶解氧含量隨鋼流加入1.0～ 1.3 kg /t 鋁餅脫氧，活性石灰 4.5 kg /t 和預熔型合成精煉渣 3.0～4.0 kg /t 渣洗出鋼，合成精煉渣化學成分見表 1，出鋼后期使用擋渣錐防止下渣，控制鋼水回[%P]≤0.002。
LF 精煉脫氧工藝
采用鋼水沉淀脫氧和渣面擴散脫氧相結合的方式降低鋼中氧含量，達到降低鋼中非金屬夾雜物總量目的。鋁脫氧化學反應式:
式中，ΔGθ 、K 值分別代表吉布斯自由能和化學反應平衡常數; αAl2O3代表 Al2O3 活度。
由式 (4) 可知，當鋼中[% Al]= 0.010 時，α[%O]= 0.000 7; 當[% Al]= 0.020 時，α[% O]< 0.000 5; 當[%Al]≥0.050 時，鋼中活性氧含量已降低到 2.5 ppm 以下。轉爐出鋼使用強還原劑鋁脫氧，盡可能使鋼水中的活性氧轉變為氧化態夾雜物 Al2O3，形成大尺寸簇群狀夾雜物，通過底吹氬氣攪拌上浮排除。為充分降低鋼中氧含量，還需要強化精煉過程鋼中酸熔鋁[%Al]控制，保持鋼中較低的 α[% O ]。控制 LF 精煉進站[% Al]為 0. 015 ～ 0.040，電極加熱升溫化渣，精煉第 2 樣通過喂鋁線方式調整[%Al]為 0.035 ～ 0.040，合理控制底吹氬氣攪拌強度，防止鋼水二次氧化，減少精煉過程鋁成分質量損失，LF 精煉結束或RH 真空處理前根據鋼水鋁損情況適當補鋁，控制成品[% Al]為 0.015 ～ 0.025。
精煉渣中 FeO 和 MnO 性質接近均為非穩態氧化物，具有較強氧化性。當爐渣中 FeO 和 MnO 含量較多，爐渣氧勢高于與其接觸的鋼水時，爐渣中的氧元素將通過渣鋼界面反應( FeO) =[Fe]+[O]向鋼中擴散，對鋼水造成二次氧化; 相反，當爐渣氧勢低于與其接觸的鋼水氧勢時，鋼中的氧元素將向爐渣中擴散，發生擴散脫氧反應。為了更好降低鋼中氧含量，在對鋼水進行沉淀脫氧的同時對渣面進行擴散脫氧，通過將強還原劑 CaC2、鋁丸、SiC 等撒在渣面還原渣中 FeO 和 MnO，降低爐渣氧化性，形成具有較低氧化性 ω( FeO+MnO) ≤1.0%的白渣并且保持 15 min 以上的精煉時間，促使鋼水中的氧向爐渣充分擴散，達到降低鋼中氧含量目的。
選擇高堿度爐渣精煉
精煉爐渣除要求具備完全吸收由脫氧產生的夾雜物能力外，還要求有較高的脫硫能力。對于鋁鎮靜鋼而言，由于用 Al 脫氧產生的夾雜物主要為 Al2O3，為了更好吸收脫氧產生的 Al2O3 夾雜物和降低鋼中硫含量，LF 精煉爐渣需要保持較高的堿度 R = 5.0～8.0 以及合適的 CaO /Al2O3，保證熔渣流動性，選擇具有較高堿度的 CaO﹣Al2O3精煉渣系。從圖 1可以看出，在 CaO ﹣ SiO2 ﹣ Al2O3 三元渣系 ω( Al2O3 ) 接近 30%，ω( SiO2 ) ≤10%時具有較高的硫分配比 Ls = ( %S) /[%S]，在該區域范圍內爐渣的主要組成為 3CaO·Al2O3和 12CaO·7Al2O3，具有較低的熔點，因此將精煉終渣成分選在該區域范圍之內。設計精煉終渣組成(質量分數) : CaO 52% ～ 56%，SiO2 6% ～ 10%，MgO 3% ～ 8%，Al2O3 26% ～ 33%，FeO+MnO≤0.8%。為獲得以上精煉爐渣成分，需要對煉鋼過程使用的主要原輔材料脫氧劑、渣料石灰、合成精煉渣等用量精準控制。根據轉爐終點鋼水溶解氧含量估算得出的脫氧產物 Al2O3 夾雜總量，計算轉爐出鋼渣料石灰和合成精煉渣加入量和比例，并在精煉過程根據脫硫需要對渣量和成分進行微調，控制 LF 精煉終渣成分在目標設計成分范圍之內，表 2 給出 SAE8620H 齒輪鋼 LF 精煉終渣成分。
RH 真空處理
為提高鋼水純凈度和可澆性，降低鋼中非金屬夾雜物和有害氣體 N、H 含量。通過高真空條件下的鋼水循環，真空度≤67 Pa 保持時間 15 min 以上，將鋼中[N]、[H]分別降低到 45 × 10-6 、1.3 × 10-6 以下。
鈣處理
鋼水經過真空處理后，為改善鋼水可澆性向鋼中喂入適量硅鈣線，變性鋼中殘留的細小 Al2O3 夾雜物生成低熔點鈣鋁酸鹽 mCaO·nAl2O3，并通過軟吹攪拌上浮排除。中間包第 1 爐由于開澆過程鋼水二次氧化，鋼中[O]一般要比連澆爐次高 ( 4～7) ×10-6 ，硅鈣線喂入量可以適當增加，連澆爐次硅鈣線喂入量小于 100 m。鈣處理后保持10 min 以上的鋼水軟吹凈化時間，底吹氬氣流量控制在 30 ～60 NL /min 為宜，以渣面輕微波動不漏出鋼液面為標準。
連鑄過程控制
連鑄采用 26T 大容量中間包，鋼水在中間包停留時間為 16～ 20 min，結合中間包內部合理的檔渣結構和流場設計，促進鋼中非金屬夾雜物充分上浮和化學成分均勻化。澆注過熱度控制在 15 ～ 25 ℃，目標拉速 1.3 m /min，使用結晶器液面自動控制系統( 結晶器液面波動幅度 ± 3 mm ) ，M + F 電磁攪拌，二冷氣霧冷卻，凝固末端智能輕壓下等控制技術。
為減少澆注過程鋼水二次氧化，開澆前用氬氣吹掃中間包排出包內空氣，大包長水口使用密封墊和氬封保護，為強化吸收 Al2O3 夾雜物，中間包采用堿性覆蓋劑(理化指標見表 3) ，整體浸入式內裝水口和齒輪鋼結晶器預熔型顆粒保護渣(理化指標見表 4) 保護澆注，防止空氣中的氧與鋼水接觸生成 Al2O3 夾雜物。
2、產品質量
通過采取以上工藝措施，鋼中有害元素得到有效控制，化學成分檢測結果顯示，成品[%P] ≤0.015，[%S]≤0.003，[N]≤45×10-6，[H]≤1.3× 10-6 ，T[O]≤12×10-6 、平均值 7.6×10-6，鋼中有害元素[P]+[S]+[N]+[H]+[O]≤260×10-6 ，具有較高潔凈度。
連鑄坯低倍檢驗顯示，中心疏松小于 1.5 級。連鑄坯軋制成 Φ 45 ～ 70 mm棒材，軋材檢驗結果顯示，鋼中各類非金屬夾雜物小于 1.0 級，均符合產品標準 ASTMA304 控制要求，非金屬夾雜物檢測結果見表 5。
3、結論
(1) 通過控制轉爐終點[% C]0. 06 ～ 0. 10、[%P]≤0.013，出鋼加 1.0～ 1.3 kg /t Al 脫氧以及合成精煉渣渣洗出鋼，LF 造高堿度爐渣( /%，52 ～ 56 CaO，6 ～ 10 SiO2，3 ～ 8 MgO，26 ～ 33 Al2O3，≤0.8 FeO+MnO) 精煉，RH 高真空≤67 Pa 保持時間 15 min 以上，喂硅鈣線≤100 m，連鑄全程保護澆注，齒輪鋼 SAE8620H 的成品鋼[% P]≤ 0.015，[%S]≤0.003，[N]≤45 × 10-6 ，[H]≤1.3 × 10-6，T[O]≤12×10-6 、平均值 7.6×10-6 ，鋼中有害元素[P]+[S]+[N]+[H]+[O]≤260 × 10-6 ，具有較高潔凈度。
(2) 連鑄坯低倍檢測顯示，中心疏松小于 1.5 級，軋材檢驗檢測顯示，鋼中 A、B、C、D、Ds 類非金屬夾雜物小于1.0 級，均符合產品標準 ASTMA304 控制要求。
參考文獻略.