近年來，我國電動汽車行業發展迅速，電動汽車的銷量爆發式增長，隨之帶動大批相關產業迅猛發展。齒輪是汽車的重要零部件之一，隨著汽車電動化的發展，要求齒輪的疲勞強度更高，使用壽命更長。因此，對齒輪鋼的性能也提出了更高的要求：更窄的淬透性、超低的氧含量、細小而均勻的晶粒度、成分的均質化、夾雜物無害化控制等。
一、工藝流程介紹
某鋼廠生產高疲勞強度齒輪鋼的生產流程為：100 t 超高功率直流電弧爐→100 t LF 精煉爐→100 t VD 真空脫氣爐→大方坯連鑄機。
二、工藝控制
通過對原有齒輪鋼進行質量分析，發現其總體氧含量偏高，同時氧含量穩定性較差。此外，夾雜物中對鋼材疲勞壽命影響較大的 Ds 夾雜物普遍級別在 1.0～2.0 級之間，滿足不了高端汽車用齒輪鋼要求。通過過程分析，存在電爐氧化性強、出鋼卷渣、LF 脫氧不徹底、渣系波動較大、VD 去除夾雜物效果較差、連鑄二次氧化等問題。為此，制定高疲勞強度汽車齒輪鋼冶煉工藝，使得最終產品完全滿足客戶要求。
電爐低氧化性冶煉及出鋼
超高功率電爐具有送電效率高，冶煉速度快，EBT 無渣出鋼等優勢。由于爐內劇烈的碳氧反應，可以對初煉鋼水起到很好的去氣、去夾雜效果。適量的氧氣可以有效去除碳、磷等元素，但過量的氧氣會使鋼液中氧含量偏高。通過采用定氧儀對鋼水中的氧含量進行測量，其趨勢分布如圖 1 所示。
圖 1 鋼水中的碳氧趨勢線
由圖 1 的趨勢曲線可發現如下規律：
1)當鋼水中的 w[C]≤0.05%時，鋼水中的w[O]較高，達到 600×10-6～1 000×10-6 左右，且波動較大。
2)當鋼水中的 w[C]在 0.05%～0.10%之間時，w[O]主要集中在 350×10-6～650×10-6 之間。
3)當鋼水中的 w[C]在 0.10%～0.15%之間時，w [O]主要集中在 150×10-6～300×10-6 之間，氧含量降低明顯。
由于大部分齒輪鋼的 w(C)在 0.15%~0.30%之間，電爐完全可以采取高拉碳的方法，降低電爐爐內鋼水的溶解氧含量，減少出鋼過程中鋁、硅等脫氧劑的用量，從而減少夾雜物的產生。在取樣后出鋼前，向爐內噴入碳粉，進一步脫出爐內鋼水中的氧。根據表 1 的試驗結果，對噴碳粉和不噴碳粉的爐內鋼水進行氧含量測定，平均 w[O]相差 85×10-6。說明噴吹碳粉對降低鋼水中溶解氧含量的效果明顯。
表 1 不同工藝的氧含量對比
超高功率電爐采用 EBT 無渣出鋼方式，但是在實際出鋼過程中，隨著出鋼量的增加，爐內余鋼量逐漸減少，不可避免地會產生漩渦卷渣情況。此類氧化渣不僅造成 P 含量的增加，還嚴重影響 LF 的脫氧情況，導致氧含量增加，用鋁量變大，鋼水中的氧化鋁夾雜物增加，不利于氧含量及夾雜物的控制。因此，在冶煉高疲勞強度齒輪鋼時，電爐出鋼結束采取扒渣操作，將電爐出鋼的氧化渣徹底扒除干凈。扒渣操作后，有利于 LF 渣系的穩定，從而確保氧含量及夾雜物控制的穩定。
LF 精煉爐強脫氧控制
經過 EBT 無渣出鋼及扒渣處理后的鋼水，渣中氧含量雖大幅度下降，但鋼水中溶解氧仍較高，需要繼續脫氧。同時脫氧會產生大量夾雜物，需要將夾雜物降低到足夠低的水平，才能確保氧含量和夾雜物都滿足工藝要求。為此，精煉采取如下措施：
1)高堿度白渣冶煉。白渣是指爐渣堿度較高，FeO 含量較低的渣。其不僅具有強還原性，而且具有較強夾雜物吸附能力。通過提高石灰中 CaO 質量分數和活性，不用含 SiO2 的材料造渣，控制爐渣堿度在 6～12 之間。使爐渣的組成在 CaO—Al2O3—SiO2 三元相圖中向 12CaO·7Al2O3 的組成區域靠近，在不降低爐渣堿度的情況下，降低爐渣熔點，提高爐渣流動性，使之能夠更好地吸附夾雜物。
2)沉淀脫氧與擴散脫氧結合。在 LF 前期氧含量較高情況下，通過加入鋁線進行沉淀脫氧。其不僅能快速降低氧含量，同時產生的 Al2O3 夾雜物進入爐渣中，可以降低爐渣的熔點，有利于快速成渣。在 LF 的中后期通過在渣面漂 SiC 進行擴散脫氧，確保前期鋼水中的 Al2O3 夾雜物有充分的上浮時間。
3)強化精煉節奏控制。LF 冶煉過程是一個均勻鋼水成分、均勻鋼水溫度、去除夾雜物的過程，同時也是一個不斷產生夾雜物的過程，尤其是鋼包耐材中的 MgO 會不斷剝落進入鋼水中。以往的生產工藝往往要求足夠的 LF 時間，以便去除夾雜物。通過對不同精煉時期的鋼水取樣進行夾雜物電鏡掃描，隨著冶煉時間的增加，鋼水中的 MgO 含量呈現逐漸增加的趨勢。說明隨著冶煉的進行，鋼包耐材中的 MgO 會逐漸剝落進入鋼水中，部分夾雜物能夠上浮去除，但還有部分夾雜物在鋼水中與其他非金屬夾雜物形成復合夾雜物。因此，在冶煉超純凈齒輪鋼時，應在保證鋼水成分及溫度的情況下，加快冶煉節奏，并適當縮短精煉爐的冶煉時間。在同樣的生產節奏下，間接提升了 VD 的處理時間。通過工藝的改變，使得 VD 的軟吹時間在原來基礎上提升了約 70%，軟吹時間的增加將更加有利于夾雜物的去除。
VD 真空處理
鋼水在真空條件下進行長時間的氬氣攪拌，可以使夾雜物不斷聚集、長大、上浮。與精煉爐鋼水試樣中的夾雜物相比，經過 VD 處理后，夾雜物數量明顯減少，尺寸明顯減小，鋼水的純凈度明顯提高。同時在高真空度的情況下，隨著真空度的逐漸降低，鋼水中的 C-O 平衡打破，碳的脫氧能力增加。隨著真空處理時間的增加，最終的氧含量呈現降低的趨勢，圖 2 為高真空處理時間與鋼水中氧含量的關系。通過趨勢圖可以發現，冶煉超純凈齒輪鋼時，應適當延長 VD 的高真空處理時間。
圖 2 高真空時間與氧含量趨勢
VD 軟吹處理
經過 LF 冶煉及 VD 高真空處理的鋼水，鋼水中夾雜物大幅下降，尤其是大顆粒的夾雜物去除效果非常明顯。但由于真空處理過程中，鋼液與爐渣攪拌造成鋼渣混沖，會產生大量的非金屬夾雜物。這些夾雜物若不能很好去除，在連鑄澆注過程中會慢慢吸附在塞棒水口上，一旦吸附到一定程度，剝落進入鋼水中，就會形成超大顆粒的宏觀夾雜物，這對鋼材的使用是非常致命的。所以，如何去除此類細小的夾雜物是超純凈鋼冶煉的關鍵。
夾雜物的去除需要足夠的動力學條件。本文引入氬氣攪拌指數 R，所謂氬氣攪拌指數 R，是指單位面積內夾雜物數量減少50%需要的時間。通過對不同 VD 軟吹時間的鋼水取樣分析發現：
1)軟吹時間≤1.5R 時，隨著軟吹時間的增加，大顆粒的夾雜物去除效果非常明顯，而小顆粒的夾雜物去除效果不明顯。
2)軟吹時間為 1.5R～4R 時，隨著軟吹時間的增加，大顆粒夾雜物幾乎完全去除，大量細小夾雜物的去除程度呈現增加的趨勢。
3)軟吹時間為 4R～6R 時，細小夾雜物去除效果繼續呈現增加趨勢，但趨勢放緩。
4)軟吹時間>6R 時，細小夾雜物數量沒有明顯減少，同時，有少量大顆粒的夾雜物被發現，經過電鏡掃描，夾雜物成分含較高的 MgO。分析原因主要是軟吹時間太長時，鋼水與鋼包接觸時間增加，鋼包中的耐材剝落進入鋼水中導致。
因此，控制合理的氬氣攪拌指數有利于獲得良好的夾雜物去除效果。
連鑄防二次氧化
經過精煉冶煉及軟吹之后的鋼水，不論是氧含量還是夾雜物數量都明顯降低，在鋼水從大包向中包澆注的過程中，一旦產生二次氧化就會造成氧含量的增加，同時產生夾雜物。因此，連鑄時采取整體式中包、中包里邊加覆蓋劑的方式，以確保鋼水不被二次氧化。
三、結論
1)通過對電爐采用高拉碳工藝，取樣后噴吹碳粉，從源頭降低鋼水中的溶解氧含量。
2)LF 采用沉淀脫氧和擴散脫氧的結合，造高堿度白渣，同時控制 LF 冶煉時間，很好地降低了鋼水中的溶解氧含量和夾雜物數量。
3)通過控制 VD 合適的氬氣攪拌指數，進一步去除鋼水中的氧含量和夾雜物。