826 工程科学学报，第43卷，第6期 are formed far away from the liquidus region.With increase in the T.Ca content in the steel,the average size and number density of the nonmetallic inclusions gradually increase.The effect of calcium treatment on the modification of nonmetallic inclusions studied by thermodynamic calculation results agrees well with the measurements taken via industrial trials. KEY WORDS calcium treatment;calcium yield;nonmetallic inclusions;gear steel;thermodynamic calculation 高品质齿轮钢对于钢中的非金属夹杂物的性 率的影响.张立峰等四根据钢液成分（特别是钢 质要求较高，在钢中氧含量较低的同时，对钢中非 中T.O含量、酸溶铝A含量和T.S含量)、钢液 金属夹杂物的形态、成分、尺寸和分布具有较高 温度、合金中钙的含量、合金的收得率对钙的加 要求，以保证钢材质量及连铸过程钢水的可浇性 入量进行了精准的热力学计算，并用以指导生产 20 CrMnTiH齿轮钢一般采用铝脱氧，钢中易生成 实践.目前文献报道中关于钙处理对钢中非金属 大量的高熔点A2O3类夹杂物，容易导致水口结瘤 夹杂物的改性理论计算，初始钢中夹杂物成分主 及钢材性能恶化，需要对其进行改性.目前较常采 要简化为Al2O,21或Al203Mg029,尚未考虑钢中 用的夹杂物改性方法是通过合理的钙处理，将钢 实际夹杂物成分.张立峰0结合齿轮钢喂钙前钢 中高熔点的Al2O3和A12O3Mg0夹杂物改性为低 液中实际夹杂物成分，通过FactSage7.1软件得到 熔点的钙铝酸盐类夹杂物，以防止齿轮钢在浇铸 了齿轮钢钢液精准钙处理的液态窗口.本文以工 过程中的水口结瘤并降低脆性夹杂物对于齿轮钢 业试验为基础，研究实际生产过程中钙处理对钢 性能的危害山，难以变形的氧化物夹杂是齿轮钢在 中非金属夹杂物的改性，进一步优化现场喂钙操作 使用过程中疲劳损坏的主要原因回.合理的钙处理 1参数对钙收得率的影响 可以减轻水口结瘤，提高连浇炉数，在国内外的钢 厂中已经得到广泛的应用)，但由于钢中含有一定 本研究考虑实际齿轮钢中初始夹杂物成分， 量的T.S和T.O,当钙处理不当时，钢中会生成大 对钙处理过程夹杂物的转变进行研究.基于国内 量的CaS或CaO等高熔点夹杂物-，同样会导致 某厂齿轮钢KR铁水预处理→BOF→LF→CC生产 水口结瘤.此外，合理的钙处理能够使钢中形成更 工艺，在相同喂钙量条件下对1.5、2.0和2.5ms1 多的复合硫化物，可以有效降低钢中硫化物夹杂 3种喂钙速度进行工业试验，研究了不同喂钙参数 物的长宽比，以实现钢中硫化锰夹杂物的球形和 对钙收得率的影响.结合已报道的热力学理论计 纺锤化6刀目前对于铝脱氧钢的钙处理具有较多 算结果和钙收得率的影响因素，对不同喂钙量条 研究，主要包括钙处理对夹杂物的改性机理⑧1刃、 件下齿轮钢LF精炼喂钙前2min和中间包浇铸中 动力学8-2训和热力学2-2等.有研究表明，钢中夹 期进行取样，不同喂钙量炉次中间包内钢液的主 杂物的CaS/CaO质量比与钢中的T.S/T.O质量比 要成分如表1所示.通过自动扫描电镜随机选取 呈线性相关吲因此，对于钢在钙处理过程中钙的 约20mm2的扫描面积，自动扫描尺寸在1.0m以 精准加入量研究具有重要意义.Li等27研究表明 上的非金属夹杂物，研究喂钙量对齿轮钢中非金 硅铁合金中的钙对夹杂物也有一定的改性作用. 属夹杂物成分、尺寸、数密度和面积分数的影响， 郑万等21通过数值模拟和实验研究了钙线喂入深 以确定最佳喂钙范围，优化实际生产过程中的喂 度、喂线速度、不同钢种以及钢液温度对钙收得 钙操作 表1不同喂钙量炉次中间包内钢液的主要成分（质量分数） Table 1 Main composition of the molten steel in the tundish with different calcium feeding heats % Heat No. C Si Mn Cr Ti P T.Al [Al T.Ca 1 0.21 0.25 0.87 1.08 0.057 0.021 0.001 0.019 0.016 0.0029 2 0.19 0.29 0.88 1.08 0.053 0.013 0.001 0.022 0.021 0.0017 0.18 0.28 0.88 1.08 0.057 0.017 0.001 0.026 0.024 0.0013 为研究喂钙参数对钙收得率的影响因素，对 进行了研究，其中钙收得率的计算公式为 钙处理过程钢液的喂钙量、喂钙速度、钙收得率、 = T.Cam-T.CaLE.M (1) 钢包净空高度和精炼渣层厚度对钙收得率的影响 LcaWΦare formed far away from the liquidus region. With increase in the T.Ca content in the steel, the average size and number density of the nonmetallic  inclusions  gradually  increase.  The  effect  of  calcium  treatment  on  the  modification  of  nonmetallic  inclusions  studied  by thermodynamic calculation results agrees well with the measurements taken via industrial trials. KEY WORDS    calcium treatment；calcium yield；nonmetallic inclusions；gear steel；thermodynamic calculation 高品质齿轮钢对于钢中的非金属夹杂物的性 质要求较高，在钢中氧含量较低的同时，对钢中非 金属夹杂物的形态、成分、尺寸和分布具有较高 要求，以保证钢材质量及连铸过程钢水的可浇性. 20CrMnTiH 齿轮钢一般采用铝脱氧，钢中易生成 大量的高熔点 Al2O3 类夹杂物，容易导致水口结瘤 及钢材性能恶化，需要对其进行改性. 目前较常采 用的夹杂物改性方法是通过合理的钙处理，将钢 中高熔点的 Al2O3 和 Al2O3 ·MgO 夹杂物改性为低 熔点的钙铝酸盐类夹杂物，以防止齿轮钢在浇铸 过程中的水口结瘤并降低脆性夹杂物对于齿轮钢 性能的危害[1] ，难以变形的氧化物夹杂是齿轮钢在 使用过程中疲劳损坏的主要原因[2] . 合理的钙处理 可以减轻水口结瘤，提高连浇炉数，在国内外的钢 厂中已经得到广泛的应用[3] ，但由于钢中含有一定 量的 T.S 和 T.O，当钙处理不当时，钢中会生成大 量的 CaS 或 CaO 等高熔点夹杂物[4−5] ，同样会导致 水口结瘤. 此外，合理的钙处理能够使钢中形成更 多的复合硫化物，可以有效降低钢中硫化物夹杂 物的长宽比，以实现钢中硫化锰夹杂物的球形和 纺锤化[6−7] . 目前对于铝脱氧钢的钙处理具有较多 研究，主要包括钙处理对夹杂物的改性机理[8−17]、 动力学[18−21] 和热力学[22−26] 等. 有研究表明，钢中夹 杂物的 CaS/CaO 质量比与钢中的 T.S/T.O 质量比 呈线性相关[15] . 因此，对于钢在钙处理过程中钙的 精准加入量研究具有重要意义. Li 等[27] 研究表明 硅铁合金中的钙对夹杂物也有一定的改性作用. 郑万等[28] 通过数值模拟和实验研究了钙线喂入深 度、喂线速度、不同钢种以及钢液温度对钙收得 率的影响. 张立峰等[22] 根据钢液成分（特别是钢 中 T.O 含量、酸溶铝 [Al] 含量和 T.S 含量）、钢液 温度、合金中钙的含量、合金的收得率对钙的加 入量进行了精准的热力学计算，并用以指导生产 实践. 目前文献报道中关于钙处理对钢中非金属 夹杂物的改性理论计算，初始钢中夹杂物成分主 要简化为 Al2O3 [22] 或 Al2O3 ·MgO[29] ，尚未考虑钢中 实际夹杂物成分. 张立峰[30] 结合齿轮钢喂钙前钢 液中实际夹杂物成分，通过 FactSage 7.1 软件得到 了齿轮钢钢液精准钙处理的液态窗口. 本文以工 业试验为基础，研究实际生产过程中钙处理对钢 中非金属夹杂物的改性，进一步优化现场喂钙操作. 1    参数对钙收得率的影响 本研究考虑实际齿轮钢中初始夹杂物成分， 对钙处理过程夹杂物的转变进行研究. 基于国内 某厂齿轮钢 KR 铁水预处理→BOF→LF→CC 生产 工艺，在相同喂钙量条件下对 1.5、2.0 和 2.5 m·s−1 3 种喂钙速度进行工业试验，研究了不同喂钙参数 对钙收得率的影响. 结合已报道的热力学理论计 算结果和钙收得率的影响因素，对不同喂钙量条 件下齿轮钢 LF 精炼喂钙前 2 min 和中间包浇铸中 期进行取样，不同喂钙量炉次中间包内钢液的主 要成分如表 1 所示. 通过自动扫描电镜随机选取 约 20 mm2 的扫描面积，自动扫描尺寸在 1.0 μm 以 上的非金属夹杂物，研究喂钙量对齿轮钢中非金 属夹杂物成分、尺寸、数密度和面积分数的影响， 以确定最佳喂钙范围，优化实际生产过程中的喂 钙操作. 表 1 不同喂钙量炉次中间包内钢液的主要成分（质量分数） Table 1   Main composition of the molten steel in the tundish with different calcium feeding heats % Heat No. C Si Mn Cr Ti P S T.Al [Al] T.Ca 1 # 0.21 0.25 0.87 1.08 0.057 0.021 0.001 0.019 0.016 0.0029 2 # 0.19 0.29 0.88 1.08 0.053 0.013 0.001 0.022 0.021 0.0017 3 # 0.18 0.28 0.88 1.08 0.057 0.017 0.001 0.026 0.024 0.0013 为研究喂钙参数对钙收得率的影响因素，对 钙处理过程钢液的喂钙量、喂钙速度、钙收得率、 钢包净空高度和精炼渣层厚度对钙收得率的影响 进行了研究，其中钙收得率的计算公式为 η = T.Catun−T.CaLF LCa · W · ϕ · M （1） · 826 · 工程科学学报，第 43 卷，第 6 期