随着我国铁路运输行业的发展， 对钢轨及线路用辙叉的性能有了更高的要求。 本厂研究了一种可用于铁路辙叉的新型钢种。 钢中H 含量较高会造成白点、裂纹，锻造过程中H 原子沿晶体缺陷处扩散移动容易产生应力集中引起局部裂纹， 严重危害钢材的机械性能。 钢中N 会引起钢材时效脆化，降低钢的冲击性能。而且N、O 元素还会和钢中的合金元素形成大尺寸夹杂，不仅不能起到细晶强化、沉淀强化的作用，还容易在承受外力时引起尖角部位应力集中， 引发裂纹萌生源，降低钢材性能。 而贝氏体钢气体含量低，具有优越的性能，逐渐被用于铁路线路。 本文针对气体含量要求低的贝氏体钢，进行了试验冶炼。
一、贝氏体钢冶炼工艺
如表1 和2 所示，贝氏体钢不仅对S 元素、夹杂物要求严格，还对O、N、H 等气体元素要求较高，其冶炼工艺为：电弧炉冶炼→LF 精炼→VD 精炼。 主要通过LF 精炼充分脱S、O；VD 精炼脱O、N、H 等气体元素， 如何将钢液中S、O、N、H 等元素控制到最低是重中之重。
表1 贝氏体钢化学成分 w/%
CSiMnPSCrMoNiV 0.2~0.3 1.0~2.0 1.0~2.0 ≤0.03 ≤0.01 1.0~2.0 0.2~0.7 0.1~0.4 0.1~0.2
表2 贝氏体钢气体含量
气体元素OHN目标成分≤0.002%≤0.000 1%≤0.008%?
(一)电弧炉冶炼工艺
氧化法是电弧炉炼钢的传统操作方法， 采用氧化法冶炼贝氏体钢， 以废钢作为原料， 依次经过吹氧助熔、氧化期、还原期。 电弧炉冶炼钢液中的H 主要来源于受潮的原料，对添加的合金料进行烘烤，使用新打开包装的造渣剂避免其受潮， 在一定程度上降低了电弧炉出钢后的H 含量。 并对烘烤时间及钢液中氢含量进行了实验验证，结果见表3。 根据表3 统计结果来看，延长烘烤时间和烘烤温度均可降低钢液中初始H 含量。
表3 不同烘烤时间和烘烤温度下初始H 含量(mass fraction/10-6%)
烘烤时间/h23456 200 ℃10.89.48.68.17.9 300 ℃9.69.38.57.67.5 400 ℃9.18.68.37.57.5 500 ℃8.98.47.97.26.9 600 ℃8.68.37.57.37.0 700 ℃8.78.37.67.56.9
(二)LF 精炼工艺
LF 精炼重点在于精炼造渣。 经电弧炉初炼的钢液流到钢包后，吊至LF 精炼工位进行精炼，选用CaOSiO2-Al2O3 三元渣系， 其中CaO 用于调整渣的碱度及进行脱硫反应，SiO2 调整碱度及渣的黏度，Al2O3 降低渣的熔点，减少结壳现象的产生。针对不同渣系配比进行实验，LF 精炼工艺为： 钢包进站→接通氩气管→降下电极化渣→补加石灰、 还原剂→根据包样调整成分→测温取样→成分微调→大电压升温→钢包出站。
LF 精炼的主要脱氧方式为扩散脱氧，通过向精炼渣加入还原剂硅钙粉，与渣中FeO 反应，降低渣中FeO 含量，使其成为高碱度、高还原性的“白渣”(FeO+MnO＜0.5%)，因FeO 的含量很低，钢液中的[O]和FeO 自发向渣中扩散，达到降低钢液中氧含量的目的。
LF 精炼工艺可以造高碱度，低FeO 并具有适宜温度的炉渣，为脱硫提供了良好的热力学条件；钢包底吹氩气搅拌，促进了钢液与渣之间的接触，加速了S 在炉渣中的扩散，为脱硫提供了良好的动力学条件。 LF 精炼过程中，通过钢液中的硫与精炼渣中的CaO 反应生成CaS 而达到脱硫的目的。 脱硫反应式为:
进行了不同碱度渣系配比， 对比了炉渣碱度对脱氧率和脱硫率的影响，通过表中数据可以看出，提高炉渣碱度可提升脱氧率和脱硫率， 但是当炉渣碱度增加至3 以上时，脱氧率、脱硫率未见明显提升。 而且炉渣碱度过大会加剧钢包耐材的侵蚀，因此，将炉渣碱度控制在3 左右为最佳。
(三)VD 真空处理工艺及优化措施
VD 处理的主要目的是降低钢液中的N 和H 含量。 溶解在钢中的氢气会造成白点、裂纹。 在锻造过程中，尺寸较小的氢原子沿晶体缺陷处扩散移动，聚集较多的氢原子释放较大应力， 出现应力集中引起局部裂纹，严重危害钢材的机械性能。 钢中N 会引起钢材的时效脆化，降低钢的冲击性能，还会和钢中的Ti、V、Al形成氮化物夹杂，尺寸大多在5 μm以上，不仅不能起到细晶强化、沉淀强化的作用，还容易在承受外力时引起尖角部位应力集中，引发裂纹萌生源，降低钢材性能。
冶炼过程中为降低钢液中O 含量， 对钢液进行2次加Al 处理， 分别是出钢前包底加入Al 锭及精炼后喂Al 丝处理。 Al 处理可将钢液中O 含量降到较低的水平，但是其脱氧产物Al2O3 为硬质夹杂，轧制锻造过程中易断裂成为裂纹萌生源； 另一方面，Al2O3 为高熔点氧化物，其容易在高温下析出，聚集在水口结瘤，影响后续浇注，因此需降低钢中Al2O3 含量。Ca 作为强脱氧剂，对氧化物夹杂有着较强的改质效果，VD 处理后对钢液进行喂钙线处理， 将钢液中存在较多的Al2O3夹杂改质成为低熔点低密度的CaO·Al2O3 夹杂， 经过后续软吹进入到渣中， 降低了钢液中残留的氧化物夹杂，提升了钢液纯净度。 通过控制Al 丝及Ca 丝喂入量，对VD 后钢中O 含量进行了统计，结果见表4。
表4 Al、Ca喂入量对钢中氧含量的影响
编号Al 丝质量/kg成品钢O含量/%00110101∶10.002 60.002 0 00220102∶10.002 70.001 7 00330103∶10.002 50.001 1 00440104∶10.003 00.001 2 00550105∶10.002 60.001 6 00660106∶10.002 30.001 7 Ca 丝质量/kg Al∶Ca质量比VD 前O含量/%
根据表4 可以看出，通过调整钢中Al、Ca 的加入量，得到不同比例下脱氧率，根据这几炉实验记录可以得出，当铝钙质量比为3∶1 时，脱氧率最高；当铝钙质量比为1∶1 时，脱氧率最低。 根据残留铝脱氧钢液进行钙处理中存在的几个主要反应如下：
使用钙处理Al 脱氧后的钢液， 生成的夹杂物12CaO·7Al2O3 或CaO·Al2O3 密度较小，较容易上浮排出。结合上述几个反应，根据钙处理脱氧后形成不同脱氧产物来看，12CaO·7Al2O3 中铝钙质量比为3∶4，CaO·Al2O3 中铝钙质量比为7∶5，CaO·2Al2O3 中铝钙质量比为3∶1，CaO·6Al2O3 中铝钙质量比为10∶1，即钢中喂入钙丝量保持不变，逐渐增加Al 的加入量，钢中脱氧产物变化依次为12CaO·7Al2O3 →CaO·Al2O3 →CaO·2Al2O3→CaO·6Al2O3， 为了尽可能降低钙铝复合夹杂物的数量，Al∶Ca 质量比控制在0.75~1.40 之间。
由表5 和6 可知，真空度和吹氩流量一定，随着低真空保压时间的延长，脱H 率上升。 真空度和真空时间一定，随着吹氩流量增大，脱H 率上升。 真空吹氩过程产生的氩气泡可以带走钢中的气体及夹杂物， 理论上大氩气流量可以较好地脱除钢中气体， 但是真空下大流量吹氩易使渣面剧烈翻腾， 溢渣为后续清理带来麻烦，还可能损坏设备；另一方面，大流量吹氩会使钢液温度迅速下降，影响后续浇铸。
表5 真空保压时间与脱氢率的关系
序号保压时间/min VD 前H含量/%VD 后H含量/%脱氢率/%1160.000 81 0.000 17 79.00 2180.000 76 0.000 13 82.89 3200.000 79 0.000 12 84.81 4220.000 88 0.000 12 86.36保压真空度/Pa吹氩流量/(L·min-1)2015 2015 2015 2015
表6 吹氩流量与脱氢率的关系
序号吹氩流量/(L·min-1)脱氢率/%1100.000 75 0.000 18 76.00 2150.000 85 0.000 16 81.18 3200.000 82 0.000 13 84.15 4250.000 77 0.000 10 87.00吹氩时间/min保压时间/min 252020 252020 252020 252020真空度/Pa VD 前H含量/%VD 后H含量/%
试验中部分炉次出现VD 处理温降速度过大， 结合冶炼记录发现当天湿度相较其他较大， 且此炉次VD抽真空速度较快， 即湿度和抽气速度会增大VD 过程中温降。 结果见表7，湿度越大，VD 处理过程温降越大。 因此，在冶炼过程中应适当考虑湿度带来的温降影响。
表7 不同空气湿度下钢液温降
炉号吹氩流量空气湿度温降/(℃·min-1)1 50203.0 2 50253.5 3 50313.8 4 50415.0 5 50455.2
二、结语
对比几炉VD 处理脱氢率较低的渣面， 发现其渣层流动性较差，VD 处理在保持钢液不出现溢渣，钢液剧烈沸腾的情况下，尽可能增大钢液与真空接触面积、时间能促进钢液气体的排出。 精炼期间， 渣层不宜过厚，保证渣层能正常埋弧最佳，对进入VD 前的钢渣进行观察，及时补加萤石调整流动性，减少对VD 脱气造成的不利影响。 另外，分阶段由低到高调整吹氩流量，增加脱气效果。 钢中存在的Al2O3 对H 有强烈的吸附作用，适当降低喂铝线的量可增加VD 脱H 效果。