[摘 要] 本文介绍了P91钢生产工艺及产品质量现状，对目前各生产环节对钢中B类夹杂物的影响进行了研究，从电弧炉终点碳的控制，脱氧制度，降低钢中溶解氧及S含量后微调合金，足够的软吹时间，选用优质耐火材料等方面降低钢中夹杂物的数量，提高P91钢中夹杂物的去除效果。
[关键词] P91钢 夹杂物 终点碳 脱氧 软吹
P91钢是重要的特钢产品，P91在工作过程中承受交变应力作用易产生应力集中。P91钢中的非金属夹杂物破坏了钢的连续性，会成为疲劳裂纹源进而会导致P91钢失效或断裂。
P91钢中夹杂物（主要是B类氧化物夹杂）是降低钢机械性能的一个最主要的冶金因素。因此，最大限度地去除P91钢中夹杂物或者通过夹杂物变性以降低其危害是提高P91钢疲劳寿命的有效途径。为此，本课题结合P91钢生产工艺，对控制P91钢中夹杂物展开研究。
1P91钢生产工艺流程
目前某公司P91钢的生产工艺流程为：50t电弧炉（EBT）——精炼炉（LF）——真空处理炉（VD）——模铸——热送——锻造——退火——机械加工——无损检测。
炉外精炼是P91钢生产中的关键工序，主要精炼设备以LF配有VD，保证P91钢严格的化学成分，特别高的纯净度。
2 存在的质量问题
P91钢的使用性能有苛刻的要求，要求具备高的疲劳强度、弹性模量、屈服强度和韧性，高的耐磨性能，高且均匀的硬度，一定的抗腐蚀能力。钢的冶炼水平是P91钢内在质量好坏的先决条件，钢中的氧含量、成份偏析、夹杂物数量以及分布是影响钢质量的重要冶金因素。
这些要求归结到两个相关的冶金因素，即钢的纯洁度和均匀性。当前P91钢出现的质量问题主要集中在钢中夹杂物超标上。
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根据P91钢探伤结果，对夹杂物进行电镜、能谱分析可知，主要是氧化物夹杂，也存在硫化物、碳化物等夹杂。
（1）出钢和炉外精炼过程中向钢液加入脱氧剂时发生脱氧反应，其产物未得到及时上浮，存留在钢中为脱氧产物的夹杂，如图1所示。
（2）在钢水凝固过程中，硫的溶解度低时残留在钢中的硫含量较高，钢中的S与Mn反应生成MnS，MnS的直径随着凝固时间的增加而增大。
（3）未能上浮而存留于钢中的炉渣、耐火材料、保护渣以及钢液二次氧化产物等，此类夹杂物，形状不规则，成分和结构比较复杂，分布没有规律，且与钢液成分没有直接关系。
3 结果分析与讨论
从提高钢液纯净度出发，一是减少钢中夹杂物的含量，二是控制夹杂物的化学成分，即改善夹杂物的性质和形态。
3.1电炉冶炼终点碳的控制
电炉终点氧含量直接关系到LF精炼控制全氧的难易程度。而控制钢中终点氧和终点碳是有密切联系的。控制电炉炼钢终点碳含量在于控制钢液和熔渣中的溶解氧含量，从而可以防止大量的铁元素氧化，造成钢中氧化物过多。
3.1.1 钢液中溶解氧含量与碳含量的关系
钢液中碳氧反应的平衡常数及标准自由能变化与温度的关系式：
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实际上在熔炼过程中m不是真正的平衡，因为碳和氧的浓度并不等于它们的活度。只有当[%C]→0时，fc·fo=1，此时m才接近平衡态。由于在炼钢过程中存在着[Fe]+[O]=[FeO]，钢中实际氧含量比碳氧平衡时氧含量高。
3.1.2 用碳控制熔池过氧化
如果电弧炉冶炼前期吹氧强度过高，炉料配碳量较低，则会使熔池中碳含量低，二次燃烧供氧量过大；熔清后升温过程的后期熔池中溶解氧的活度过高，铁氧化，造成金属收得率低，导致电弧炉熔池的过氧化。
在实际操作中为解决富氧操作造成的熔池过氧化问题，结合泡沫渣技术的应用，采用熔池喷吹碳粉。在采用富氧操作时，钢中含有过剩氧，与喷吹的碳粉发生反应，产生CO被熔渣捕获形成泡沫渣的同时，熔池中的溶解氧含量下降，继续喷吹碳粉，则钢中溶解氧的浓度接近C-O平衡曲线。
3.2造渣制度及脱氧剂的选用
3.2.1 精炼脱氧
精炼炉操作必须做到白渣操作，采用扩散脱氧的方法将粉状脱氧剂如硅铁粉、电石等加入渣面进行脱氧，由于脱氧是在钢渣界面上进行，其产物进入炉气或被炉渣吸收，不会污染钢液。反应式如下：
CaC2+3FeO＝CaO+2CO+3Fe
2（FeO）+Si=2[Fe]+（SiO2）
3（FeO）+2（Al）=3[Fe]+（Al2O3）
氧化夹杂物主要是Al2O3，有少量的其它脱氧产物。为减少Al2O3夹杂物，选用复合脱氧剂硅铝钡钙，从使用效果分析，其脱氧造渣速度与Al相比较慢，若选择硅铝钡钙和铝配合使用效果会更好。
3.2.2 精炼脱硫
采用碱性白渣脱硫工艺，其反应如下：
（CaO）+[S]=（CaS）+[O]
硫化物夹杂主要来源于硫与钢中硫化物形成元素[Ca]、[Fe]、[Mn]等的化学反应。
脱硫能力取决于渣中的碱度和渣中（FeO）含量，高碱度、低（FeO）有利于脱硫反应的进行，要求造渣过程加入白灰，以保证渣的碱度，将硫降低至目标范围之内。
3.3内生夹杂物的去除
高熔点脱氧产物Al2O3在炼钢温度下呈固态且体积较小，在炼钢过程中不易上浮长大，造成钢中Al2O3夹杂物偏高，至使锻件探伤不合格。
因此净化钢液，改变钢中夹杂物形态、尺寸和分布量是改善产品质量的重要手段之一。主要的去除手段有夹杂物球化处理和氩气弱搅拌。
3.3.1 球化处理
钙使钢液脱氧的同时还能与溶于钢中的硫反应，降低钢中硫化物的溶解度，钙的沸点为1492℃，密度仅为钢液的1/5，在炼钢温度下，不仅会漂浮在熔渣表面，而且会很快被气化；硅可以降低钙的活性，有时良好的脱氧剂。因此，采用硅钙合金对钢中夹杂物进行变性处理。将Al2O3和MnS变为球状mCaO·nAl2O3和CaS，这类夹杂物有利于聚集长大和上浮，以消除夹杂物的不良影响。
当前在真空系统下，加入硅钙块反应激烈，由于硅钙块密度小，漂浮在熔渣表面，效果不稳定。若采用喂线机加入硅钙线（用铁皮包裹的硅钙粉），通过钢渣插入钢液中，硅钙合金快速熔于钢液中，对钢中夹杂物进行变形处理，效果会更好。
当软吹时间达到15min时，夹杂物去除率可以达到80%，吹氩气超过15min后夹杂物去除速度明显降低，但随着软吹时间延长，夹杂物数量继续减少，达到40min时98%的夹杂物都被去除。考虑到具体生产工艺和生产调度，VD后的软吹时间保持在15min以上，保证脱氧夹杂物有充分时间上浮。
3.4 避免外来夹杂物
浇注系统存在异物或耐火材料质量差侵蚀严重，会将夹杂物带入钢液中；开浇速度过快，将吊挂的保护渣卷入钢液中，未能及时上浮而聚集在钢锭内；浇注过程中水口结瘤，随钢液进入浇注系统会形成FeO夹杂。因此，避免外来夹杂物是提高钢锭质量的关键环节之一。
4 结论
1．为了获得低的氧含量，曲轴钢冶炼时必须适当增加生铁用量，保证熔清碳含量≥0.50%，控制电弧炉碳氧枪吹氧强度，用碳控制好终点氧含量，避免钢液产生过度氧化进而在二次精炼过程产生大量的内生夹杂物，从源头创造好条件。
2．为了降低Al2O3夹杂物，选择复合脱氧剂硅铝钡钙，但脱氧速度较慢，若选择硅铝钡钙和铝配合使用效果会更好；硫化物夹杂的控制主要是降低钢中硫含量到一定范围内。
3．采用喂线机加入硅钙线，对钢中夹杂物进行变形处理，效果会更好。
4．P91钢在VD处理过程中，由于熔渣卷入造成钢中夹杂物增加，为保证曲轴钢产品质量，VD后必须保证软吹时间达到15min以上。
5．控制入炉废钢质量，选用优质耐火材料，保证浇注系统的清洁干燥，避免炉渣、保护渣的卷入，采用氩气保护浇注等，可防止外来夹杂物进入钢液。
参考文献
[1] 黄希枯,钢铁冶金原理(第3版)[M].北京.冶金工业出版社:2002
[2] 王平,轴承钢脱氧工艺与理论的研究.博士学位论文.北京.北京科技大学:1991
[3] 朱惠刚.轴承钢精炼工艺研究[D].北京.北京科技大学:2005