鞍鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)GCr15軸承鋼工藝實踐

李廣幫，魏崇一，常桂華，曹東

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

軸承鋼在使用過程中，套圈與滾動體之間呈點和線接觸，承受著集中交變載荷，對疲勞強度、彈性強度、屈服強度、韌性、耐磨性、硬度及抗腐蝕能力均有很高的要求。因此，要求材料具有高純凈度和較好的均勻性［1］。與電爐冶煉軸承鋼相比，轉(zhuǎn)爐冶煉具有鐵水原料中有害元素含量低、爐內(nèi)脫磷條件好、終點渣鋼反應(yīng)更接近平衡、終點鋼水氫、氮含量低且生產(chǎn)效率高、成本低的明顯優(yōu)勢，但轉(zhuǎn)爐出鋼時控制下渣、氧含量及酸溶鋁方面不如電爐。我國軸承鋼生產(chǎn)目前仍以電爐流程為主，而日本住友、德國蒂森和日本川崎制鐵公司已先后開發(fā)出了轉(zhuǎn)爐采用雜質(zhì)少的鐵水冶煉并配合LF鋼包精煉和RH真空處理生產(chǎn)高純凈度軸承鋼的生產(chǎn)工藝［2-3］。本文介紹了鞍鋼轉(zhuǎn)爐冶煉 GCr15軸承鋼的工藝實踐情況。

1 轉(zhuǎn)爐冶煉軸承鋼工藝流程

鞍鋼轉(zhuǎn)爐冶煉GCr15軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→100 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→280 mm×380 mm方坯連鑄。

1.1 鐵水預處理工藝

冶煉GCr15軸承鋼需要采用鐵水預處理脫硫，脫硫劑主要采用鈍化鎂粉和石灰復合脫硫，鐵水中含有大量的硅、碳和錳等還原性元素，不會造成強脫硫劑鎂發(fā)生大量的燒損，能保證脫硫反應(yīng)順利進行。鐵水中的碳和硅等能夠大大提高硫在鐵水中的活度系數(shù)，很容易將硫脫到很低水平。鐵水中氧含量較低，硫的分配系數(shù)相應(yīng)有所提高，有利于脫硫。鐵水預處理減輕了煉鋼負擔、簡化了操作，提高了煉鋼生產(chǎn)率，可減少渣量和提高金屬收得率，鐵水爐外脫硫可以對鐵水實現(xiàn)深度脫硫，從而為轉(zhuǎn)爐冶煉超低硫鋼創(chuàng)造條件。經(jīng)鐵水預處理脫硫后，鐵水中的硫含量可以達到0.002 0%。

1.2 轉(zhuǎn)爐工藝

GCr15軸承鋼的化學成分見表1。由表1可知，該鋼屬高碳低合金鋼，磷、硫在鋼中非常容易偏析，且磷、硫含量高時，對鋼的性能會產(chǎn)生很大的影響。因此，在轉(zhuǎn)爐冶煉時，既要做到高拉碳，同時又要降低鋼中的磷含量，使鋼中成品磷不大于0.015%，出鋼碳含量盡量高（≥0.50%），有利于降低鋼中的氧含量，從而減少后序處理時形成的氧化鋁夾雜物。為保證磷含量滿足要求，轉(zhuǎn)爐采用雙渣法冶煉，吹煉前期熔池溫度較低時，將含有高磷的爐渣放掉，從而保證轉(zhuǎn)爐冶煉的成分要求。

表1 GCr15軸承鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

轉(zhuǎn)爐冶煉后出鋼過程中進行脫氧、合金化。采用擋渣鏢擋渣，減少轉(zhuǎn)爐的下渣量，控制在不超過5 kg/t鋼的水平。在扒渣工位對鋼包頂渣進行扒除，并加入新的渣料，從而減少高氧化性的鋼渣對鋼水的污染，并為LF精煉造還原渣創(chuàng)造條件。

1.3 LF工藝

LF精煉處理時采用適當成分的鋼渣進行精煉，通常有三個目的。（1）具有一定的脫硫能力，使軸承鋼中A類夾雜物的數(shù)量控制在一定范圍內(nèi)；（2）具有吸收脫氧產(chǎn)物Al2O3夾雜的能力，以便在攪拌精煉過程中最大限度地降低氧化物夾雜的數(shù)量；（3）減少或消除含CaO的D類夾雜物［1］。采用酸性渣精煉時，第（1）、（2）目的不能完全實現(xiàn)；采用高堿度渣時，通常難以達到第（3）目的。

為了降低鋼中的氧含量和硫含量，采用了高堿度、低熔點、流動性好、吸附夾雜物能力強的精煉渣，精煉渣成分見表2。在高堿度的條件下，可以達到降低渣中SiO2活度的目的，鋼渣的堿度控制在≥3.0。精煉時對鋼渣進行充分還原，使爐渣中ω（TFe+MnO）≤1.0%，從而降低FetO的活度系數(shù)。

表2 精煉渣的成分（質(zhì)量分數(shù)） %

鋁在鋼中是強脫氧劑，為了保證鋼中極低的氧含量，需要在鋼中保持一定量的酸溶鋁。圖1為不同溫度下鋁氧平衡圖。

鋁氧平衡公式如下［4］：

圖1 不同溫度下鋁氧平衡圖

式中，ΔGθ為標準自由能，KJ/mol；T為標準溫度，K；K為平衡常數(shù)；αAl為鋁元素的活度系數(shù)；αO為氧元素的活度系數(shù)。

根據(jù)式1及圖1可知，增加酸溶鋁含量，降低鋼液溫度均有利于降低鋼中的溶解氧含量。但過高的鋁含量容易在連鑄時出現(xiàn)絮流現(xiàn)象，因此，將鋁含量控制在0.01%～0.04%的范圍，通過控制鋼渣的堿度、氧化性及鋼中的酸溶鋁含量，將鋼中的活度氧降至非常低的水平，有利于實現(xiàn)鋼材全氧含量極低的目標。

1.4 VD工藝

采用深真空對鋼液進行脫氣處理，對鋼液中的氫、氧、氮進行脫除，同時采用真空下吹氬攪拌，使鋼渣中的氧化性進一步降低，達到降低軸承鋼中氧含量的目的。深真空時間不低于15 min，并在破真空后進行適當?shù)能洿?，軟吹?yīng)達到渣面微動但不裸露鋼水。

1.5 連鑄工藝

軸承鋼經(jīng)精煉處理后，鋼中的氧含量已經(jīng)非常低，在連鑄時應(yīng)盡量防止在連鑄過程中出現(xiàn)二次氧化現(xiàn)象。全程采用保護澆鑄，在大包長水口、中間包浸入式水口等連接處均采用氬氣保護。降低過熱度有利于提高等軸晶率，同時避免鑄坯中碳的嚴重偏析，改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。連鑄時控制鋼液的過熱度不超過30℃，低過熱度與低拉速合理匹配，盡可能減少在澆鑄過程中鋼液的溫降速度，加強鋼包和中間包的烘烤，加入合適的覆蓋劑以及采取紅包出鋼等措施，確保中間包溫度波動小，控制連鑄過程液面波動在±5 mm以內(nèi)，拉速保持恒定，避免出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。

2 工藝效果

2.1 鋼中氧、氮、硫、磷等元素的變化規(guī)律

統(tǒng)計上述各工序鋼中氧、氮、硫、磷等元素的變化規(guī)律，結(jié)果分別見圖2～圖5。

（1）氧含量的變化

各工序鋼水平均氧含量的變化見圖2。

圖2 各工序鋼水平均氧含量的變化

從圖2中可以看出，鋼水中的平均氧含量整體呈下降趨勢，前期下降較快，后期速度逐漸下降，說明鋼中的小顆粒夾雜物去除比較困難，成品鋼材中的全氧含量平均達到0.000 72%，實際最低可以達到0.000 42%的水平。

（2）氮含量的變化

各工序鋼水平均氮含量的變化見圖3。LF精煉處理過程中，鋼水中的氮含量由LF搬入的平均0.002 2%增加到平均0.006 3%，鋼液增氮比較明顯。經(jīng)VD真空處理后，鋼中的氮含量又重新降至平均0.003 4%的水平，中間包鋼水的氮含量平均為0.003 8%,從破空到中間包平均增加0.000 4%，由此判斷長水口的保護澆鑄效果比較理想。

圖3 各工序鋼水平均氮含量的變化

（3）硫含量的變化

各工序鋼水中平均硫含量的變化見圖4。LF精煉深脫硫處理后，鋼水中的硫含量平均達到0.001 2%的水平，以后基本保持穩(wěn)定，說明采用高堿度渣并充分脫氧后，脫除鋼中的硫比較容易。

圖4 各工序鋼水平均硫含量的變化

（4）磷含量的變化

圖5 各工序鋼水磷含量的變化

圖5為各工序鋼水平均磷含量的變化情況。從圖5中可以看出，鋼水中的磷含量由平均0.008 5%增加到0.009 8%，去除加入合金帶來的磷，由鋼渣造成的回磷量已經(jīng)很低，說明只要在轉(zhuǎn)爐出鋼時將磷含量控制得比較低，后期操作中磷含量的變化不大。

2.2 鋼材中夾雜物的檢驗

對軋制后的棒材進行取樣檢驗，測定鋼中夾雜物的級別，結(jié)果見表3。由表3可見，鋼中夾雜物充分滿足GB/T 10561-2005的標準要求。

表3 鋼材中非金屬夾雜物 級

通過上述生產(chǎn)工藝冶煉的軸承鋼已累計向用戶交貨8 000多噸，用戶反映質(zhì)量穩(wěn)定，使用良好，說明采用該工藝能夠滿足軸承鋼的質(zhì)量要求。

3 結(jié)論

（1）鞍鋼冶煉GCr15軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→100 t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→280 mm×380 mm方坯連鑄。

（2）轉(zhuǎn)爐保證出鋼碳含量≥0.50%；LF精煉采用堿度≥3.0，ω（TFe+MnO）≤1.0%的爐渣；VD深真空時間不低于15 min，并在破真空后進行適當?shù)能洿?；連鑄過熱度不超過30℃，控制液面波動±5 mm以內(nèi)，保持恒拉速，避免出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。

（3）采取上述工藝生產(chǎn)的GCr15軸承鋼已累計交貨8 000多噸，質(zhì)量穩(wěn)定，使用效果好。