真空感应炉冶炼易切削钢的氧含量控制工艺
在真空感应炉中冶炼低碳高氧高硫易切削钢，其中氧含量的控制是一个难点。本文设计四种不同的冶炼方案，研究氧化铁皮的加入量、炉内真空度、合金加入顺序以及炉内保护气体种类等因素对钢液中氧含量的影响。结果表明，在真空度为0.1 MPa 时，炉内气氛为5000 Pa 氧气和96000 Pa 氩气的混合气体，加入240 g 氧化铁皮，同时石墨碳在合金化末期加入，钢锭中总氧含量达到250 ppm，收得率达到34.7%。实验通过合理控制合金化结束后的钢水保温时间，钢锭内部质量良好，无缩孔疏松。
低碳硫系易切削钢中氧含量对硫化物的形态有着重要影响，从而影响钢的切削性能。当钢中氧含量高达200 ppm 形成Ⅰ型硫化物，这种类型夹杂物显著提高切削性能；当钢中氧含量在(40~100)ppm 时形成Ⅱ型硫化物，当钢中氧含量小于40 ppm 时形成Ⅲ型硫化物，这两类MnS 夹杂物均对切削加工性能不利。目前高切削性能的易切削钢正处于实验室开发阶段，为节约实验成本，大部分研发人员均采用小型真空感应炉进行新钢种冶炼，随之带来的一大难点是真空下氧含量的控制。由于碳氧反应产物为不溶于钢液的CO 气体，且真空可以显著地提高碳的脱氧能力，冶炼空间氧、氮、氢等气体的分压很低，溶解在钢液中的气体会自钢液逸出并被抽出炉外除去，因此真空对钢液中氧含量的提高是有害的，氧回收率低。
本文对真空感应炉冶炼易切削钢的氧含量控制工艺进行了研究，通过改进操作参数、保护气体种类、调整合金加入顺序、合金化期后保温时间的控制等方法，在保证钢锭内部质量的同时，实现了钢中氧含量的精确控制，为新型易切削钢的实验室研究提供了技术和实验基础。
1、冶炼设备及方法
真空感应冶炼实验在80 kg 真空感应炉上进行，熔炼坩埚材质为氧化铝。图1 所示为主要工艺流程，采用冷装料法装料，将经过表面除锈、烘干等处理的工业纯铁加入炉内，在真空下熔化并在真空度为30 Pa 下精炼10 min，精炼结束后，充入一个大气压的保护气体，按照合金加入顺序要求加入合金，待合金全部熔化并保温7 min~8 min后出钢。每加入一种合金后，用玻璃器皿取样分析过程样的化学成分，最后分析钢锭的化学成分，普通合金元素分析采用直读光谱仪，氧和硫元素的测定分别采用氧氮仪和碳硫仪。实验所用原材料为工业纯铁、石墨、Mn-Fe 合金、P-Fe 合金、S-Fe合金、氧化铁皮，化学成分如表1 所示，原材料的化学成分是通过化学分析方法测定的。
图1 易切削钢真空感应炉冶炼工艺
表1 易切削钢冶炼实验的原材料化学成分(wt.%)
4、结语
用真空感应炉冶炼高氧高硫易切削钢，为了提高钢液中氧的含量，可以采取以下措施：
(1)适当的提高氧化铁皮的加入量，本实验中氧化铁皮的最终加入量为240 g；
(2) 碳在合金化末期加入，可以同时提高C和O 的收得率；
(3) 向炉内充入0.1 MPa 的保护气体，在保护气体中混有一定量的氧气；
(4) 待合金熔化均匀，保温8 min 后倒钢。保温时间要适宜，保温时间过长，钢锭中O 含量得不到保证；保温时间过短的话，钢锭内部会有很多气孔，影响钢锭的使用要求。
