45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其硬度不高且易于切削加工，調(diào)質(zhì)處理后的零件具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件中，特別是在交變載荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。45鋼的表面硬度較低，不耐磨，因此可用“調(diào)質(zhì)＋表面淬火”處理來提高零件的表面硬度。在45鋼中加入適量的Al元素和S元素后，其晶粒更細(xì)小，切削性能更好，綜合使用性能得到了提高，廣泛用于汽車結(jié)構(gòu)件的制造，但是加入鋁和硫元素后，鋼水中容易產(chǎn)生三氧化二鋁及硫化鈣夾雜，且這2類夾雜物的熔點很高，如果這些夾雜物來不及上浮并殘留在材料中，最終將影響材料的使用性能。某含鋁、硫元素的熱軋45圓鋼在超聲檢測時，發(fā)現(xiàn)大量皮下缺陷，造成了大量的材料報廢。

該含鋁、硫元素45圓鋼的主要工藝流程為：90t偏心底出鋼電爐→鋼包（LF）精煉爐→ 220mm×260mm（長度× 寬度）斷面連鑄→加熱爐加熱→軋制→超聲檢測→精整→檢驗→打包入庫。連鑄機弧形半徑為10m，連鑄拉速為0.95~1.05m/min，結(jié)晶器長度為850mm，結(jié)晶器攪拌電流強度為200A，澆注方式為浸入式水口保護澆注，連澆爐數(shù)為4~6爐。

針對上述含鋁、硫元素45圓鋼存在的皮下缺陷，研究人員采用金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法找出了皮下缺陷產(chǎn)生的主要原因，并采取相關(guān)的工藝改進措施消除了皮下夾雜缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量得到了明顯提高。

01理化檢驗

1.1 金相檢驗

對超聲檢測不合格圓鋼進行在線噴標(biāo)定位、重新取樣、金相檢驗，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：1號缺陷試樣經(jīng)橫向磨制后，缺陷在皮下約7mm處（距離圓鋼表面7mm），缺陷內(nèi)有灰色氧化物，缺陷周圍無明顯脫碳，缺陷長度約為0.14mm；2號缺陷試樣經(jīng)橫向磨制后，缺陷在皮下約7mm處，缺陷內(nèi)有灰色氧化物，缺陷周圍無明顯脫碳，缺陷長度約0.53mm。

1.2 掃描電鏡分析

將試樣置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。進一步對缺陷處進行能譜分析，結(jié)果如表1，2所示。由表1，2可知：夾雜物為鈣鋁酸鹽、鎂鋁尖晶石及少量的硫化鈣。綜合澆注過程塞棒上漲情況可知，煉鋼過程中和鋼水二次氧化產(chǎn)生的非金屬氧化物等夾雜物在水口處富集、結(jié)瘤、脫落后，被結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固前沿捕捉，從而使45鋼皮下出現(xiàn)夾雜缺陷。

表1 1號缺陷能譜分析結(jié)果

表2 2號缺陷能譜分析結(jié)果

連鑄過程結(jié)晶器內(nèi)的保護渣、水口結(jié)瘤物及其他非二次氧化產(chǎn)物（塞棒、水口等耐材剝落物）由于各種原因被帶入鋼液，部分被生長的凝固坯殼捕捉，發(fā)生卷渣現(xiàn)象，攜帶有夾雜物的氬氣泡未充分上浮而留在皮下，形成皮下夾雜缺陷。

為進一步分析夾雜物的來源，采用自動面掃描電鏡對缺陷處簇群狀夾雜物進行分析。結(jié)果表明：單顆粒球狀夾雜物的形貌和成分與皮下夾雜中單顆粒的形貌和成分十分接近，表明中大型簇群狀夾雜物由連鑄過程中微小夾雜物顆粒聚合而成。

02工藝改進措施及效果

2.1 電爐冶煉

（1）對電爐爐襯及鋼包作出要求：電爐新爐襯前3爐鋼、新鋼包或者返修鋼包前3爐鋼均不得冶煉該含鋁、硫元素的45鋼。

（2）改善電爐金屬原料結(jié)構(gòu)：加大入爐鐵水比，減小廢鋼占比，將入爐鐵水比由原來的50%提高至80%，提高金屬材料的C元素含量，從而加劇電爐冶煉過程中的C、O反應(yīng)，達(dá)到去除鋼中有害氣體和夾雜物的目的，同時有利于終點C元素含量的提高，將終點碳元素的含量控制為0.10%~0.35%，從而防止過氧化出鋼，減少鋼水中氧元素的含量。

（3）出鋼控制：電爐采用偏心底出鋼，并實現(xiàn)留鋼操作，控制每爐留鋼量不少于3t。

（4）渣量及脫氧控制：加大渣量，并實現(xiàn)快速化渣，提高爐渣吸附夾雜的能力，將出鋼渣量由原來的石灰350kg+ 合成渣450kg增加至石灰350kg+預(yù)熔合成渣650kg。

2.2 LF精煉

 LF精煉過程是鋼水脫氧，去除鋼水中夾雜物，從而提高鋼水純凈度的關(guān)鍵工序，因此特采取如下措施。

（1）精煉前期采用大電流供電、大氬氣流量吹氬，以便進行快速化渣，用電石與鋁粒進行渣面的擴散脫氧，將前期爐渣二元堿度控制為5.0~7.0，如遇爐渣偏稀、堿度不夠，可以適當(dāng)補加石灰。

（2）爐渣黃白后，立即投入鋁線300m，前期用鋁可以使生成的Al2O3、鎂鋁尖晶石等有害夾雜有足夠多的時間聚集長大，并上浮去除。

（3）LF精煉中期采用硅鐵粉進行爐渣的進一步脫氧，以降低爐渣的堿度，將中后期爐渣的二元堿度控制為2.5~4.0，可以提高爐渣的流動性，從而提高爐渣吸附夾雜物的能力。

（4）將硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整至工藝上限0.040%~0.045%，LF精煉末期通過投入鋁線的方式進行鋁含量的調(diào)整，將出LF前鋼水中Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制為0.040%~0.050%，LF精煉末期鋁元素和硫元素的調(diào)整都要考慮真空脫氣（VD）過程的損失，防止真空脫氣結(jié)束后再進行Al、S元素的調(diào)整。將整個LF 精煉時間控制為55~65min。

2.3 真空脫氣處理

（1）改進前該含鋁、硫元素45鋼的冶煉工藝中無真空處理，在鋼水LF精煉處理結(jié)束后增加VD處理工序，目的是去除鋼水中的夾雜物、有害氣體等，從而提高鋼水的純凈度。

（2）將極限真空處理時間控制為10~15min，VD后硅鈣線投入量由改進前的每爐投入150m，改為連鑄首爐150m，連澆爐減半，每爐控制為60~80m，防止大量的鈣處理導(dǎo)致生成過多、更高熔點的硫化鈣夾雜，該夾雜在水口內(nèi)壁析出并聚集長大，最終脫落至鋼水中，形成大顆粒夾雜物并堵塞水口，影響生產(chǎn)過程的順利進行。

（3）喂線結(jié)束后，迅速加入碳化稻殼，對鋼液面進行保護，并對鋼水進行靜軟吹，將軟吹時間控制為15~35min。

2.4 連鑄過程

連鑄澆注過程是防止鋼水二次氧化的關(guān)鍵工序，為防止鋼水的二次氧化污染需進行以下改進。

（1）連鑄澆注前對中包進行烘烤，前期采用小火烘烤，中后期再逐步采用中火、大火烘烤，控制烘烤時間為180~240min，同時確保浸入式水口也得到充分的烘烤。

（2）澆注過程采用保護澆注，大包長水口采用吹氬與密封墊圈雙層保護，塞棒采用吹氬，可以預(yù)防夾雜物在塞棒附近聚集，浸入式水口采用整體水口。

（3）中包采用碳化稻殼與顆粒狀覆蓋劑進行雙覆蓋保護，開澆前用氬氣對中包進行吹掃，以便將空氣排除干凈，防止對鋼水造成二次氧化。

（4）適當(dāng)加大結(jié)晶器電磁攪拌電流強度，可以將鋼液中的大顆粒夾雜物攪碎，從而防止鋼中宏觀夾雜物的出現(xiàn)，以及在隨后的無損檢測過程中出現(xiàn)皮下夾雜。

（5）控制液面波動不超過±3mm，如超過該數(shù)值，就進行挑坯，并對挑出的坯料進行報廢處理，嚴(yán)禁澆注過程頻繁地調(diào)節(jié)變動拉速。

（6）優(yōu)化結(jié)晶器保護渣的理化性能指標(biāo)，適當(dāng)提高保護渣堿度，將堿度由原來的0.65左右提高至0.8，從而增加鋼渣間的界面張力。另外，適當(dāng)提高保護渣的黏度。這些措施均可以有效防止結(jié)晶器內(nèi)出現(xiàn)卷渣，具體指標(biāo)優(yōu)化情況如表3所示。

表3 優(yōu)化前后保護渣的組成及理化性能

2.5 改進效果

通過電爐、精煉、VD、連鑄過程等一系列工藝參數(shù)的優(yōu)化與調(diào)整，生產(chǎn)的含鋁、硫元素的45鋼質(zhì)量得到了提高，從近半年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看：連澆爐數(shù)從原來的4~6爐提高至目前的8爐左右，皮下缺陷出現(xiàn)率由改進前的10%降至0，且非金屬夾雜物級別進一步降低，改進前后非金屬夾雜物級別如表4所示。

表4 改進前后非金屬夾雜物級別

03結(jié)論

（1）皮下缺陷是冶金缺陷，由夾雜物造成，主要為鋼中的鈣鋁酸鹽及鎂鋁尖晶石類等。

（2）中大型簇群狀夾雜與基體中分散的細(xì)小夾雜組成基本一致，說明鋼水中存在大量的鈣鋁酸鹽及鎂鋁尖晶石類夾雜，這些夾雜在水口處吸附并聚集長大，最后掉落至結(jié)晶器內(nèi)，被凝固坯殼捕捉，形成鑄坯的皮下夾雜缺陷。

（3）增加VD真空處理工藝，同時對電爐、精煉過程加強控制，可以有效提高鋼水的純凈度。連鑄過程做好中包、水口烘烤，加強保護澆注，對塞棒吹氬，對保護渣進行優(yōu)化等措施可以防止鋼水發(fā)生二次氧化；防止夾雜物在塞棒、水口處聚集長大并脫落至鋼水中；也可以防止鋼水在結(jié)晶器液面發(fā)生卷渣。

（4）工藝措施改進后，材料非金屬夾雜物級別降低，鋼水純凈度得到了提高，皮下夾雜缺陷得到了有效控制。這些工藝措施同樣可以在類似鋼種中進行推廣應(yīng)用。