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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。 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。
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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。![]()
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。 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5μm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。![]()
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。 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。![]()
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。
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