超低氧含量GCr15軸承鋼夾雜物控制

付鵬沖，李文雙,2，朱林林（山東西王特鋼有限公司，山東濱州256200；2北京科技大學(xué)，北京00083）

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超低氧含量GCr15軸承鋼夾雜物控制

付鵬沖1，李文雙1,2，朱林林1
（1山東西王特鋼有限公司，山東濱州256200；2北京科技大學(xué)，北京100083）

摘要：通過控制夾雜物來源、優(yōu)化預(yù)脫氧制度、使用高堿度精煉渣系、夾雜物變性控制、優(yōu)化軟吹工藝以及嚴(yán)格保護(hù)澆注等措施，西王特鋼實(shí)現(xiàn)了超低氧軸承鋼的冶煉。T［O］≤8×10-6，B類夾雜物粗系0～0.5級(jí)，細(xì)系0～1.0級(jí)，D類夾雜物粗系0～0.5級(jí)，細(xì)系0～0.5級(jí)。

關(guān)鍵詞：軸承鋼；夾雜物；精煉；氧含量

1　前　言

軸承鋼是專門用于制造軸承套圈和滾動(dòng)體的特殊鋼［1］，軸承鋼中的非金屬夾雜物破壞了機(jī)體的連續(xù)性，在軸承工作過程中產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下，易引起應(yīng)力集中，成為疲勞源，影響軸承的疲勞壽命。Al2O3夾雜物（B類）、點(diǎn)狀不變型夾雜物（D類、Ds類）對(duì)軸承的疲勞失效影響最為嚴(yán)重。這些非金屬夾雜物以氧化物為主，因此常將鋼中的氧作為衡量鋼純凈度的指標(biāo)。從這個(gè)意義上來說控制鋼中的氧含量與控制夾雜物密切相關(guān)。

西王特鋼軸承冶煉流程為：80 t超高功率電弧爐（鐵水熱裝率＞70%）—80 t LF精煉—90 t VD真空爐—五機(jī)五流圓坯連鑄機(jī)—緩冷入坑—大棒軋制。連鑄坯斷面Φ310 mm、Φ500 mm，采用結(jié)晶器液面自動(dòng)控制、GCr15軸承鋼專用保護(hù)渣、結(jié)晶器電磁攪拌M-EMS、末端電磁攪拌F-EMS等技術(shù)。

2　軸承鋼全氧和夾雜物分析

西王特鋼前期冶煉軸承鋼T［O］控制基本能夠滿足GB/T 18254要求，即T［O］≤12×10-6，但是平均值在（10～11）×10-6，普遍偏高，而且夾雜物控制不盡理想，尤其體現(xiàn)在B類、D類、Ds類超標(biāo)明顯，單個(gè)夾雜物尺寸過大，B類夾雜物評(píng)級(jí)粗系0.5～2.0級(jí)，細(xì)系0.5～2.5級(jí)（國標(biāo)要求粗系≤1.0級(jí)，細(xì)系≤2.0級(jí)），D類夾雜物粗系0.5～1.5級(jí)，細(xì)系0.5～1.5級(jí)（國標(biāo)要求粗系≤1.0級(jí)，細(xì)系≤1.0級(jí)）。夾雜物的典型金相形貌如圖1所示。

根據(jù)以上實(shí)際情況，西王特鋼開展了超低氧含量GCr15軸承鋼夾雜物控制研究，通過采取一系列措施，產(chǎn)品的全氧含量和潔凈度都得到了顯著提升。

圖1　西王特鋼生產(chǎn)GCr15軸承鋼典型夾雜物形貌

3　工藝控制措施

3.1控制夾雜物來源

B類氧化鋁夾雜物主要來自Al脫氧產(chǎn)物，常聚集成團(tuán)簇狀，軋制過程中沿軋制方向排列成點(diǎn)狀或者串狀，屬脆性夾雜，對(duì)軸承鋼的疲勞壽命有害。B類夾雜物評(píng)級(jí)高主要原因是鋼中氧化鋁過多，并且在精煉過程中來不及上浮殘留鋼中所致，另外鋼中氧化鋁含量高對(duì)連鑄澆注性能有不利影響。因此在軸承鋼冶煉時(shí)應(yīng)致力于減少氧化鋁的產(chǎn)生和強(qiáng)化其在鋼中的上浮去除。

D類、Ds夾雜物多是復(fù)合夾雜物，是鋼液中各種氧化物復(fù)合結(jié)果，多伴有氧化鋁、氧化鈣等，此類夾雜物呈球狀，軋制過程中不變形容易造成應(yīng)力集中形成裂紋源，降低軸承使用壽命。由于在冶煉過程中各種渣料都含有CaO，所以D類夾雜物產(chǎn)生是在所難免的，只有通過精煉過程使其充分上浮并由頂渣吸收，并保持后期冶煉和澆注的穩(wěn)定，避免鋼液過大波動(dòng)使夾雜物再次進(jìn)入鋼液［2］。

合理的出鋼氧位，盡量減少氧化渣進(jìn)入鋼包，切斷電爐后氧的來源。電爐出鋼碳含量決定了鋼中初始溶解氧含量。為減少脫氧產(chǎn)物的生成量，應(yīng)通過控制電爐出鋼碳含量來降低鋼中初始氧含量。出鋼溫度1 600～1 650℃，電爐終點(diǎn)碳含量0.2%～0.4%，嚴(yán)格出鋼程序，堅(jiān)持留鋼10%～15%，力爭出鋼帶渣＜0.5 kg/t。

目前初煉爐出鋼后扒渣技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用能夠比較理想地控制出鋼后氧化渣的問題，能夠從源頭控制鋼中的O，扒掉脫氧后的氧化渣，鋼包進(jìn)入精煉重新造新渣，大大減輕了精煉爐的脫O和脫S壓力，鋼液的純凈度也得到了改善。

3.2優(yōu)化預(yù)脫氧制度

脫氧合金種類、加入方式和加入時(shí)間決定了鋼中夾雜物的種類、尺寸和數(shù)量。嚴(yán)格控制鋁錠加入時(shí)機(jī)，保證出鋼1/4開始一次性加入，嚴(yán)格執(zhí)行工藝文件規(guī)定的加入量，保證鋁的收得率和脫氧效率，保證到精煉酸溶鋁［Als］含量0.04%～0.06%，精煉過程盡量不再補(bǔ)鋁，保證成品中酸溶鋁［Als］含量0.1%～0.15%。在保證脫氧效率的條件下，不必控制過高的鋁含量，鋁含量高一是會(huì)產(chǎn)生大量B類夾雜，二是［Al］會(huì)和渣中（CaO）反應(yīng)生產(chǎn)D類夾雜物。

3.3優(yōu)化精煉渣系

目前，西王特鋼軸承鋼精煉渣系堿度不穩(wěn)定，小到3、4，大到超過10，仔細(xì)研究精煉渣成分會(huì)發(fā)現(xiàn)，渣系中CaO和Al2O3相對(duì)穩(wěn)定，但是SiO2波動(dòng)較大，也就直接影響了精煉渣的二元堿度。理論與實(shí)踐［3-8］都證明軸承鋼精煉可以選用高堿度渣系，可以提高脫硫效率、降低氧含量。但是精煉渣的堿度也不能過大，如果堿度過大，如＞6時(shí)，精煉渣熔點(diǎn)變高（軸承鋼液相線溫度1 450℃，屬于熔點(diǎn)比較低的鋼種），成渣慢，爐渣流動(dòng)性變差，鋼中易出現(xiàn)D類點(diǎn)狀?yuàn)A雜，也會(huì)影響脫氧和脫硫效果。因此，不宜采用過高堿度精煉渣。實(shí)踐表明，精煉渣堿度（CaO/ SiO2）即R值控制在3.5＜R＜5.0；CaO/Al2O3即A值控制在1.7＜A＜2.2，能夠完成脫硫、去氧和吸收夾雜物的任務(wù)。為了保證軸承鋼脫氧效果，要求精煉渣中w（FeO）≤0.5%，w（MnO）≤0.5%。

脫氧精煉渣因?yàn)楹胁糠纸饘黉X成分，能夠保證精煉過程中鋁含量的穩(wěn)定，使得后期精煉不必再補(bǔ)充鋁線，同時(shí)可以減輕前期脫氧鋁的加入量，保證噸鋼加入2 kg/t脫氧精煉渣。

3.4優(yōu)化喂線工藝

鋼液中的大顆粒夾雜容易上浮，但是細(xì)小夾雜物含量增加，使鋼液的可澆性變差，容易造成鋼液在澆注過程中水口結(jié)瘤。進(jìn)VD真空脫氣之前，根據(jù)鋼液中酸溶鋁含量向鋼液中喂入一定量的Ba-Si線進(jìn)行變性處理，形成低溶點(diǎn)鋁鋇酸鹽，將Al2O3類夾雜物轉(zhuǎn)化為鋇鋁硅酸鹽類夾雜物（mBaO·nAl2O3· xSiO2），來改變鋼液的流動(dòng)性，提高鋼液的可澆性，減少連鑄時(shí)中間包水口、結(jié)晶器浸入式水口結(jié)瘤，避免燒氧操作造成的二次氧污染。

喂線工藝關(guān)鍵兩點(diǎn)，第1保證喂線速度＞5 m/s，提高收得率；第2保證喂線長度200～300 m，使夾雜物變性充分。

3.5優(yōu)化軟吹工藝

鋼水進(jìn)行澆注以前，一個(gè)重要的工藝操作就是對(duì)鋼水進(jìn)行軟吹處理。鋼水在VD處理過程中的大強(qiáng)度氬氣攪拌，會(huì)使鋼水劇烈翻騰，氬氣的氣泡直徑較大并且在鋼中停留時(shí)間短，對(duì)夾雜物的裹挾上浮作用效果不好。此外，鋼中夾雜物在上浮到鋼渣界面時(shí)容易被重新卷入鋼水中，甚至可能發(fā)生卷渣。因此在VD結(jié)束以后進(jìn)行吹氬軟吹處理以保證夾雜物的最終上浮是非常必要的。

弱攪拌處理是小流量的吹氬方式，氬氣攪拌的強(qiáng)度很低，僅使渣面微動(dòng)，不裸露鋼水。鋼中氬氣泡呈均勻細(xì)小分散的穩(wěn)定氣泡流，這種小氣泡要比大氣泡俘獲夾雜物的概率高。因此，以小流量吹氬，并且適當(dāng)延長處理時(shí)間（根據(jù)鋼水的降溫情況）也是去除夾雜，降低鋼水全氧含量的有效手段之一。但延長軟吹時(shí)間是一把雙刃劍，軟吹時(shí)間過長對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏有影響，同時(shí)對(duì)鋼包耐材侵蝕加劇。在目前控制夾雜物上浮暫無太好的辦法的情況下，按照工藝要求和工況實(shí)際，保證軟吹時(shí)間不低于15 min。

3.6優(yōu)化連鑄工藝

連鑄是去除夾雜物的最后一道關(guān)口。鋼水行程是由鋼包經(jīng)長水口至中間包，然后經(jīng)浸入式水口至結(jié)晶器的過程。在鋼水整個(gè)行程中，應(yīng)該采取嚴(yán)格的控制措施防止鋼水的吸氣、二次氧化，并為夾雜物的最后去除創(chuàng)造條件。這在工藝操作中主要體現(xiàn)在中間包冶金及空氣的隔絕措施上。優(yōu)化中間包耐火材料性能，優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)，應(yīng)用軸承鋼專用中間包后，對(duì)夾雜物的控制水平得到了一定的改善，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化中間包結(jié)構(gòu)，延長鋼水停留時(shí)間，促進(jìn)夾雜物在中包內(nèi)的上浮和吸附。

連鑄過程中，實(shí)施全過程無氧化保護(hù)澆注，是防止鋼液二次氧化的有效措施。提高大包自開率，盡量減少燒氧，保證中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣的質(zhì)量，應(yīng)用整體式內(nèi)裝水口，減少澆注過程中吸氣，尤其是空氣中的氧，避免連鑄過程中生成Al2O3。

4　實(shí)際生產(chǎn)效果

嚴(yán)格執(zhí)行以上措施后，西王特鋼冶煉的軸承鋼平均全氧含量T［O］≤8×10-6，B類夾雜物粗系0～0.5級(jí)，細(xì)系0～1.0級(jí)，D類夾雜物粗系0～0.5級(jí)，細(xì)系0～0.5級(jí)，Ds類0級(jí)，不論是全氧含量還是鋼材潔凈度較之以前有了大幅度提高，為冶煉更高純凈度的特鋼打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

軸承鋼氧含量和夾雜物控制需要綜合考慮冶煉、澆注全流程中的各項(xiàng)工藝，每一個(gè)工藝步驟都十分重要；控制初始夾雜物的形成能夠有效地降低軸承鋼全氧含量和改善鋼材潔凈度；選取高堿度精煉渣、合理的軟吹時(shí)間，以及連鑄過程全程保護(hù)澆注對(duì)提高軸承鋼潔凈度十分必要。

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Study on Inclusion Control for Ultra Low Oxygen GCr15 Bearing Steel

FU Pengchong1, LI Wenshuang1,2, ZHU Linlin1
（1 Shandong Xiwang Special Steel Co., Ltd., Binzhou 256200, China; 2 University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China）

Abstrraacctt:: By taking a series of measures such as controlling inclusion source, optimizing deoxidization technology, using high basicity refining slag, modifying the inclusions, improving soft blowing process and protective casting, Xiwang Special Steel achieved smelting of ultra low oxygen bearing steel. Total oxygen content T［O］≤8×10-6，B-type inclusion (Heavy) level 0-0.5, (Thin) level 0-1.0, D-type inclusion (Heavy) level 0-0.5, (Thin) level 0-0.5.

Key worrddss:: bearing steel; inclusion; refining; oxygen content

作者簡介：付鵬沖，女，1987年生，2011年畢業(yè)于東北大學(xué)材料成型與控制工程專業(yè)?，F(xiàn)為西王特鋼技術(shù)中心軋鋼工程師，從事特殊鋼冶煉軋制工藝研究及新產(chǎn)品開發(fā)工作。

收稿日期：2015-09-25

中圖分類號(hào)：TF762

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-4620（2015）06-0023-03