随着我国机械工业特别是汽车行业的发展，对齿轮钢的要求越来越严苛，高品质齿轮钢不但要具有良好的强韧性、耐磨性，还需要有良好的抗冲击、抗裂纹扩展和抗疲劳性能。SAE8620H 是我国引进美国汽车工程师协会标准中的钢种，执行标准为 ASTM A304，属于 Cr、Ni – Mo 系齿轮钢，具有良好的使用和加工性能，在我国得到广泛应用。由于钢中非金属夹杂物的存在破坏了钢基体连续性，容易成为齿轮钢疲劳破坏的起源点，降低钢材的使用寿命，因此降低钢中非金属夹杂物数量和尺寸，提高钢材纯净度是生产高品质齿轮钢的主要任务之一。
某特钢企业齿轮钢 SAE8620H 冶炼生产流程: 100 t BOF-LF-RH-4 机 4 流 200 mm 方坯连铸机。通过合理的冶炼工艺设计和对转炉冶炼、LF 精炼、RH 真空处理和连铸等关键生产工艺进行控制，有效降低钢中 P、S、O、N、H 等有害元素含量和非金属夹杂物评定级别，提高了齿轮钢产品质量，形成具备 18 万 t /a SAE8620H、20CrMnTi 等高品质齿轮钢生产能力，并获得良好的经济和社会效益。
1、工序质量控制关键
转炉冶炼控制
以脱硫铁水[%S]≤0.005 和优质废钢为原料，炉料结构为 80%铁水+20%废钢。根据碳氧反应平衡原理，在一定出钢温度条件下，转炉终点碳含量越高，钢水初始溶解氧含量越低。为有效降低钢中初始溶解氧和 P 含量，转炉终点温度控制在 1 600 ～ 1 630 ℃，[%C]0.06～0.10，[%P]≤0.013。转炉出钢过程根据钢水初始溶解氧含量随钢流加入1.0～ 1.3 kg /t 铝饼脱氧，活性石灰 4.5 kg /t 和预熔型合成精炼渣 3.0～4.0 kg /t 渣洗出钢，合成精炼渣化学成分见表 1，出钢后期使用挡渣锥防止下渣，控制钢水回[%P]≤0.002。
LF 精炼脱氧工艺
采用钢水沉淀脱氧和渣面扩散脱氧相结合的方式降低钢中氧含量，达到降低钢中非金属夹杂物总量目的。铝脱氧化学反应式:
式中，ΔGθ 、K 值分别代表吉布斯自由能和化学反应平衡常数; αAl2O3代表 Al2O3 活度。
由式 (4) 可知，当钢中[% Al]= 0.010 时，α[%O]= 0.000 7; 当[% Al]= 0.020 时，α[% O]< 0.000 5; 当[%Al]≥0.050 时，钢中活性氧含量已降低到 2.5 ppm 以下。转炉出钢使用强还原剂铝脱氧，尽可能使钢水中的活性氧转变为氧化态夹杂物 Al2O3，形成大尺寸簇群状夹杂物，通过底吹氩气搅拌上浮排除。为充分降低钢中氧含量，还需要强化精炼过程钢中酸熔铝[%Al]控制，保持钢中较低的 α[% O ]。控制 LF 精炼进站[% Al]为 0. 015 ～ 0.040，电极加热升温化渣，精炼第 2 样通过喂铝线方式调整[%Al]为 0.035 ～ 0.040，合理控制底吹氩气搅拌强度，防止钢水二次氧化，减少精炼过程铝成分质量损失，LF 精炼结束或RH 真空处理前根据钢水铝损情况适当补铝，控制成品[% Al]为 0.015 ～ 0.025。
精炼渣中 FeO 和 MnO 性质接近均为非稳态氧化物，具有较强氧化性。当炉渣中 FeO 和 MnO 含量较多，炉渣氧势高于与其接触的钢水时，炉渣中的氧元素将通过渣钢界面反应( FeO) =[Fe]+[O]向钢中扩散，对钢水造成二次氧化; 相反，当炉渣氧势低于与其接触的钢水氧势时，钢中的氧元素将向炉渣中扩散，发生扩散脱氧反应。为了更好降低钢中氧含量，在对钢水进行沉淀脱氧的同时对渣面进行扩散脱氧，通过将强还原剂 CaC2、铝丸、SiC 等撒在渣面还原渣中 FeO 和 MnO，降低炉渣氧化性，形成具有较低氧化性 ω( FeO+MnO) ≤1.0%的白渣并且保持 15 min 以上的精炼时间，促使钢水中的氧向炉渣充分扩散，达到降低钢中氧含量目的。
选择高碱度炉渣精炼
精炼炉渣除要求具备完全吸收由脱氧产生的夹杂物能力外，还要求有较高的脱硫能力。对于铝镇静钢而言，由于用 Al 脱氧产生的夹杂物主要为 Al2O3，为了更好吸收脱氧产生的 Al2O3 夹杂物和降低钢中硫含量，LF 精炼炉渣需要保持较高的碱度 R = 5.0～8.0 以及合适的 CaO /Al2O3，保证熔渣流动性，选择具有较高碱度的 CaO﹣Al2O3精炼渣系。从图 1可以看出，在 CaO ﹣ SiO2 ﹣ Al2O3 三元渣系 ω( Al2O3 ) 接近 30%，ω( SiO2 ) ≤10%时具有较高的硫分配比 Ls = ( %S) /[%S]，在该区域范围内炉渣的主要组成为 3CaO·Al2O3和 12CaO·7Al2O3，具有较低的熔点，因此将精炼终渣成分选在该区域范围之内。设计精炼终渣组成(质量分数) : CaO 52% ～ 56%，SiO2 6% ～ 10%，MgO 3% ～ 8%，Al2O3 26% ～ 33%，FeO+MnO≤0.8%。为获得以上精炼炉渣成分，需要对炼钢过程使用的主要原辅材料脱氧剂、渣料石灰、合成精炼渣等用量精准控制。根据转炉终点钢水溶解氧含量估算得出的脱氧产物 Al2O3 夹杂总量，计算转炉出钢渣料石灰和合成精炼渣加入量和比例，并在精炼过程根据脱硫需要对渣量和成分进行微调，控制 LF 精炼终渣成分在目标设计成分范围之内，表 2 给出 SAE8620H 齿轮钢 LF 精炼终渣成分。
RH 真空处理
为提高钢水纯净度和可浇性，降低钢中非金属夹杂物和有害气体 N、H 含量。通过高真空条件下的钢水循环，真空度≤67 Pa 保持时间 15 min 以上，将钢中[N]、[H]分别降低到 45 × 10-6 、1.3 × 10-6 以下。
钙处理
钢水经过真空处理后，为改善钢水可浇性向钢中喂入适量硅钙线，变性钢中残留的细小 Al2O3 夹杂物生成低熔点钙铝酸盐 mCaO·nAl2O3，并通过软吹搅拌上浮排除。中间包第 1 炉由于开浇过程钢水二次氧化，钢中[O]一般要比连浇炉次高 ( 4～7) ×10-6 ，硅钙线喂入量可以适当增加，连浇炉次硅钙线喂入量小于 100 m。钙处理后保持10 min 以上的钢水软吹净化时间，底吹氩气流量控制在 30 ～60 NL /min 为宜，以渣面轻微波动不漏出钢液面为标准。
连铸过程控制
连铸采用 26T 大容量中间包，钢水在中间包停留时间为 16～ 20 min，结合中间包内部合理的档渣结构和流场设计，促进钢中非金属夹杂物充分上浮和化学成分均匀化。浇注过热度控制在 15 ～ 25 ℃，目标拉速 1.3 m /min，使用结晶器液面自动控制系统( 结晶器液面波动幅度 ± 3 mm ) ，M + F 电磁搅拌，二冷气雾冷却，凝固末端智能轻压下等控制技术。
为减少浇注过程钢水二次氧化，开浇前用氩气吹扫中间包排出包内空气，大包长水口使用密封垫和氩封保护，为强化吸收 Al2O3 夹杂物，中间包采用碱性覆盖剂(理化指标见表 3) ，整体浸入式内装水口和齿轮钢结晶器预熔型颗粒保护渣(理化指标见表 4) 保护浇注，防止空气中的氧与钢水接触生成 Al2O3 夹杂物。
2、产品质量
通过采取以上工艺措施，钢中有害元素得到有效控制，化学成分检测结果显示，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，钢中有害元素[P]+[S]+[N]+[H]+[O]≤260×10-6 ，具有较高洁净度。
连铸坯低倍检验显示，中心疏松小于 1.5 级。连铸坯轧制成 Φ 45 ～ 70 mm棒材，轧材检验结果显示，钢中各类非金属夹杂物小于 1.0 级，均符合产品标准 ASTMA304 控制要求，非金属夹杂物检测结果见表 5。
3、结论
(1) 通过控制转炉终点[% C]0. 06 ～ 0. 10、[%P]≤0.013，出钢加 1.0～ 1.3 kg /t Al 脱氧以及合成精炼渣渣洗出钢，LF 造高碱度炉渣( /%，52 ～ 56 CaO，6 ～ 10 SiO2，3 ～ 8 MgO，26 ～ 33 Al2O3，≤0.8 FeO+MnO) 精炼，RH 高真空≤67 Pa 保持时间 15 min 以上，喂硅钙线≤100 m，连铸全程保护浇注，齿轮钢 SAE8620H 的成品钢[% 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 ，钢中有害元素[P]+[S]+[N]+[H]+[O]≤260 × 10-6 ，具有较高洁净度。
(2) 连铸坯低倍检测显示，中心疏松小于 1.5 级，轧材检验检测显示，钢中 A、B、C、D、Ds 类非金属夹杂物小于1.0 级，均符合产品标准 ASTMA304 控制要求。
参考文献略.