馬鋼軸承鋼試制的非金屬夾雜物控制的精煉工藝研究

高振波，陳　揚(yáng)，石　瑋，龔志翔(．馬鋼特鋼公司，安徽 馬鞍山，43000；．馬鋼車(chē)輪公司，安徽 馬鞍山，43000)

馬鋼軸承鋼試制的非金屬夾雜物控制的精煉工藝研究

高振波1，陳揚(yáng)2，石瑋1，龔志翔1(1．馬鋼特鋼公司，安徽 馬鞍山，243000；2．馬鋼車(chē)輪公司，安徽 馬鞍山，243000)

摘要：采用理論分析結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的方法，確定馬鋼特鋼GCr15軸承鋼的精煉渣組分、鋼中[Ti]和[N]含量上限以及真空循環(huán)時(shí)間和澆鑄前軟吹時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼中非金屬夾雜物的有效控制，成功試制了T[O]<5ppm、D類(lèi)夾雜評(píng)級(jí)≤1.0級(jí)和DS類(lèi)夾雜物≤1.0級(jí)的高品質(zhì)GCr15軸承鋼。由于凝固偏析的作用，在[Ti]和[N]含量較低的條件下，不能避免凝固過(guò)程中析出TiN類(lèi)夾雜。

關(guān)鍵詞：軸承鋼；全氧；精煉渣成分；非金屬夾雜物

非金屬夾雜物數(shù)量、性質(zhì)、形態(tài)和分布等是軸承鋼質(zhì)量的重要影響因素，可用鋼中的全氧(T[O])衡量非金屬夾雜物的數(shù)量。研究已表明[1]，降低鋼中T[O]含量控制夾雜物類(lèi)型、減少其數(shù)量可以提高軸承的疲勞壽命，其中點(diǎn)狀?yuàn)A雜和TiN類(lèi)夾雜相對(duì)于其它類(lèi)非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼的使用壽命影響更大。

1精煉生產(chǎn)工況

GCr15軸承鋼主要化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

表1　GCr15軸承鋼化學(xué)成分

該鋼種生產(chǎn)工藝路線采用EAF-LF-RH-圓坯連鑄-開(kāi)坯-連軋，具體生產(chǎn)設(shè)備條件如下：110噸超高功率電弧爐，采用EBT出鋼方式；雙工位120噸LF精煉爐，在線喂線；雙工位120噸RH真空爐，抽氣能力500kg/h；圓坯連鑄，斷面 380/450/600mm，R 15m，配置三段電磁攪拌；?1150mm兩輥可逆式初軋機(jī)，立平交替布置的六機(jī)架連軋機(jī)。

2精煉工藝設(shè)計(jì)

低的T[O]含量、D類(lèi)和DS類(lèi)非金屬夾雜物級(jí)別以及TiN夾雜的有效控制是精煉工藝的關(guān)鍵，而影響這些指標(biāo)的主要因素有精煉渣成分、[Ti]和[N]含量、鋼水的真空循環(huán)和軟吹時(shí)間等。

2.1精煉渣成分設(shè)計(jì)

在精煉過(guò)程中采用擴(kuò)散脫氧，本廠目前精煉渣中的TFe+MnO<0.5%，因此，鋼水中的T[O]含量可認(rèn)為由CaO、Al2O3、SiO2決定，要求T[O]含量較低又能實(shí)現(xiàn)D和DS類(lèi)夾雜物級(jí)別在一個(gè)較低的水平，這需要對(duì)精煉渣的成分進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

(1)渣中(Al2O3)含量

軸承鋼的脫氧采用沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧結(jié)合的方式。脫氧反應(yīng)如下[2]：

(2-1)

由式2-1可知，提高鋼中[Al]含量和降低渣中的(Al2O3)活度時(shí)，鋼水中的溶解氧含量會(huì)進(jìn)一步降低。根據(jù)馬鋼特鋼經(jīng)驗(yàn)，[Al]s含量不易超過(guò)0.020%，一方面是為了防止連鑄澆鑄過(guò)程水口蓄流，另一方面也是為了降低鋼中的點(diǎn)狀?yuàn)A雜。當(dāng)[Al]含量較低時(shí)，(Al2O3)活度對(duì)T[O]含量的影響更大，這有必要采用低(Al2O3)活度的渣系。本文引用文獻(xiàn)[3]中的活度圖(見(jiàn)圖1)，在渣系的設(shè)計(jì)上，保持渣中的(Al2O3)含量處于較低的水平，在保持熔渣物理性能的基礎(chǔ)上，渣中(Al2O3)含量控制在25%以下，從而保證(Al2O3)活度不超過(guò)0.05，鋼中的T[O]含量不超過(guò)5ppm。

(2)二元堿度

提高堿度可降低鋼中的T[O]含量。堿度增加的直接后果是降低了渣中(SiO2)的活度，但是也增加了鋼中出現(xiàn)點(diǎn)狀?yuàn)A雜的風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為該參數(shù)不宜超過(guò)6。

從圖2中可看出，在[Si]=0.25%時(shí)，爐渣中(SiO2)的活度對(duì)鋼水T[O]含量的影響非常大，只有當(dāng)(SiO2)活度<0.001時(shí)，才有可能能抑制SiO2向鋼水傳氧。由文獻(xiàn)[3]相圖可知(見(jiàn)圖3)，當(dāng)爐渣中(Al2O3)=25%時(shí)，只有二元堿度大于4以上，才能使渣中(SiO2)的活度小于0.001，防止其向鋼水供氧。因此，在二元堿度設(shè)計(jì)上選擇為4-6。根據(jù)上述討論和分析確定了精煉渣系，CaO50-60%、Al2O315-25%、SiO28-15%。

2.2TiN形成熱力學(xué)條件

在不同溫度階段TiN形成的熱力學(xué)條件是不同的。GCr15軸承鋼的固、液相線的溫度分別約為1335℃和1455℃。在凝固過(guò)程中，隨著溫度的降低，[Ti]和[N]在鋼中的溶解度逐漸降低，當(dāng)其濃度積達(dá)到一定值時(shí)即將析出TiN，這時(shí)析出物在鋼中的溶解度隨溫度變化的函數(shù)表達(dá)式如下[4]：

(2-2)

根據(jù)1873K時(shí)的相互作用系數(shù)[4]，計(jì)算得到：

lgfTi=-0.0625lgfN=0.582

代入式2-2，可以計(jì)算出在凝固過(guò)程中析出TiN所需的最低[Ti]和[N]含量。如圖4所示：

若將TiN的析出控制在固相區(qū)，此時(shí)析出物比較細(xì)小，如圖4，此時(shí)鋼中[N]含量約為0.0046%，[Ti]含量約為0.0018%。

馬鋼在控制[N]含量方面主要通過(guò)以下措施：電爐冶煉采用高比例鐵水降低初煉鋼水[N]含量；LF精煉減少過(guò)程增[N]量；保證一定的真空循環(huán)時(shí)間，脫除部分[N]。由于爐渣的還原以及原輔料中含有Ti或Ti的結(jié)合物，鋼中[Ti]含量在電爐出鋼后是一個(gè)逐漸增加的過(guò)程，在控[Ti]措施上主要采取：電爐出鋼[Ti]含量不超過(guò)0.0003%；電爐留鋼量15%以上，減少出鋼下渣；使用專(zhuān)用的低Ti合金和原輔料等。

2.3真空循環(huán)時(shí)間及澆鑄前軟吹氬時(shí)間確定

采取上述措施后，LF精煉結(jié)束仍然會(huì)有點(diǎn)狀?yuàn)A雜和大顆粒夾雜殘留在鋼中，而RH真空循環(huán)對(duì)促進(jìn)夾雜物上浮和去除非常高效。文獻(xiàn)[5]研究認(rèn)為，RH真空處理的前8min夾雜物去除量最大，8min-24min的去除量逐漸減小，12-24min內(nèi)，由于大量夾雜被去除，剩余的細(xì)小夾雜碰撞長(zhǎng)大十分困難，夾雜物去除率越來(lái)越低，大部分夾雜在24分鐘內(nèi)已經(jīng)基本去除。結(jié)合自身生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，馬鋼特鋼將真空循環(huán)時(shí)間規(guī)定在25min。

由于各廠的工況不同，對(duì)鋼水澆鑄軟吹氬時(shí)間控制并不完全一樣。李京社[6]研究認(rèn)為，真空后軟吹時(shí)間超過(guò)15min對(duì)降低鋼中的T[O]含量沒(méi)有意義。王文軍[7]得出的結(jié)論是隨著軟吹氬氣時(shí)間的增加，鋼中T[O]含量不斷降低，在軟吹氬12min后, 鋼水T[O]含量變化不明顯，從軟吹氬過(guò)程中鋼中夾雜物含量變化來(lái)看，鋼包軟吹氬時(shí)間應(yīng)保持在15min以上。李強(qiáng)[8]研究X80管線鋼，綜合夾雜物的去除效果和軟吹過(guò)程的溫降等因素，認(rèn)為軟吹時(shí)間控制在20min-25min較為合理。根據(jù)馬鋼的工況條件設(shè)計(jì)的鋼水上連鑄澆鑄前軟吹時(shí)間不低于20min。

3試制結(jié)果

3.1化學(xué)成分

C、Si、Mn、Cr等常規(guī)元素的控制均達(dá)到目標(biāo)要求，[H]、[Ti]、[N]等元素的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。從表中可以看到：RH有較強(qiáng)的脫氫能力，經(jīng)過(guò)一定的真空時(shí)間能夠保證[H]含量低于1.0ppm；通過(guò)對(duì)進(jìn)真空前的原始[N]含量控制等措施可實(shí)現(xiàn)軸承鋼成品[N]含量低于40ppm；[Ti]含量比預(yù)計(jì)的含量高，分析認(rèn)為主要為原材料Ti含量偏高所致。

表2　試制爐次化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果/ppm

3.2精煉終渣成分

從表3看出，三爐試驗(yàn)鋼精煉終渣成分較好，TFe+MnO均小于0.5%。

表3　試制爐次LF終渣成分/%

3.3夾雜物檢測(cè)結(jié)果

考慮到非穩(wěn)態(tài)澆鑄對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，本次試制取澆鑄的第2爐102爐進(jìn)行熱軋，取樣分析熱軋圓鋼T[O]含量，并對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)和APSEX分析。T[O]含量如表4所示，可見(jiàn)根據(jù)上述工藝可以滿(mǎn)足低T[O]含量軸承鋼的要求。

表4　試制102爐T[O]含量檢測(cè)結(jié)果/ppm

對(duì)熱軋的102爐次取樣，根據(jù)GB/T 10561-2005對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，如表5所示，可以看到本次試制夾雜物得到較好控制，完全滿(mǎn)足試制要求和高品質(zhì)軸承鋼的要求。

表5　試制102爐夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果/級(jí)

使用ASPEX自動(dòng)分析儀對(duì)軋制圓鋼上夾雜物進(jìn)行定量分析，掃描面積109.35mm2，夾雜物數(shù)量202個(gè)，單位面積夾雜物數(shù)量1.85個(gè)/mm2，夾雜物指數(shù)1.8。表6是ASPEX自動(dòng)分析的夾雜物尺寸分布及各種組成夾雜物的數(shù)量，從表中可以看到，夾雜物數(shù)量少、尺寸小，10μm以下的夾雜物占總夾雜物比例的91.58%以上，全部夾雜物尺寸都小于20μm。需要注意的是：夾雜物中含Ti類(lèi)所占比例很高，這也表明在超低氧鋼中，由于Ti、N、O相互作用，即使[N]含量較低，在凝固過(guò)程中還較容易形成含Ti夾雜物，在后續(xù)的試驗(yàn)和生產(chǎn)中，需要進(jìn)一步降低Ti含量，使[Ti]含量低于12ppm，甚至更低，以驗(yàn)證其對(duì)含Ti夾雜物的影響。

表6　夾雜物類(lèi)型和尺寸分布情況

4結(jié)論

馬鋼特鋼利用現(xiàn)有裝備，采用Al2O315%-25%、CaO50%-60%、SiO28%-15%的精煉渣，控制鋼中[Al]s含量不超過(guò)0.020%，保證真空循環(huán)時(shí)間25min以及鋼水澆鑄前20min以上的軟吹時(shí)間，試生產(chǎn)軸承鋼。試制結(jié)果表明：

(1)達(dá)到D類(lèi)夾雜不超過(guò)1.0級(jí)、DS類(lèi)夾雜不超過(guò)1.0級(jí)的高品質(zhì)軸承鋼要求；

(2)實(shí)現(xiàn)鋼中T[O]含量低于5ppm的超低氧鋼生產(chǎn)，夾雜物指數(shù)1.8，達(dá)到較好的水平；

(3)鋼中的[N]含量達(dá)到40ppm以下，[Ti]含量18ppm，ASPEX分析鋼中仍然存在個(gè)別的較大(10μm-20μm)含Ti夾雜物。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鐘順?biāo)?，王昌生．軸承鋼[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2000

[2]D.J.NAYLOR. Ironmaking Steelmaking, 1989(16)：246-252

[3]德國(guó)鋼鐵工程師協(xié)會(huì)．渣圖集[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1989

[4]陳家祥．煉鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1984

[5]遲云廣，沈巧珍．210 t RH精煉過(guò)程夾雜去除和卷渣的物理模擬[J]．特殊鋼，2011(4)：10-13

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[7]王文軍．鋼包軟吹氬對(duì)鋼中夾雜物去除效果的研究[J]．鋼鐵，2010(9)：28-31

[8]李 強(qiáng)．X80管線鋼鈣處理后軟吹時(shí)間對(duì)夾雜物行為的影響[J]．鋼鐵釩鈦，2011(2)：74-78

Research of Controlling Inclusions in Trial-producing

Bearing Steel of Masteel During Refining

GAO Zhen-bo1, CHEN Yang2, SHI Wei1, GONG Zhi-xiang1

Abstract：The key process parameters for bearing steel GCr15 of Masteel was formulated such as the composition of refining slag, upper limit of [Ti] and [N] in liquid steel, cycling time in vacuum, time of soft blowing before casting and so on. The non-metal inclusion was controlled effectively. The high quality bearing steel was trial-produced successfully, quality standard of which follow as: T[O]<5ppm, D-inclusions rating≤1.0, DS-inclusions rating≤0.5. As the effect of segregation, inclusion of TiN was separated out inevitably during solidification, when the content of [Ti] and [N] was lower.

Key words：bearing steel；total oxygen；component of refining slag；non-metal inclusion

作者簡(jiǎn)介：高振波(1979-)，男，馬鋼特鋼公司，工程師，工學(xué)碩士。

收稿日期：2015-03-18；改 回日期：2015-04-10

中圖分類(lèi)號(hào)：TF762+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9994(2015)02-0001-04