軸承鋼Ds類夾雜物影響因素分析及控制實(shí)踐

豆乃遠(yuǎn)，李輝成，王立濤

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司三煉鋼,江蘇 常州 213011）

引 言

軸承是重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，在大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品和工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛[1]。軸承鋼中的非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續(xù)性，由于Ds類夾雜物的膨脹系數(shù)與鋼基體不同，在軸承工作過程中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力的作用下，易引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，降低軸承的疲勞壽命。此外，夾雜物與鋼形成較弱的結(jié)合界面，易產(chǎn)生不變形張力，導(dǎo)致孔洞的形成，進(jìn)而影響軸承的質(zhì)量和性能，最終會對設(shè)備的安全性能及穩(wěn)定性能造成影響[2-6]。

國內(nèi)外文獻(xiàn)對Ds類非金屬夾雜物研究很多，本文結(jié)合國內(nèi)某特鋼廠軸承鋼在EAF→LF→VD→CC生產(chǎn)過程中出現(xiàn)Ds類夾雜物超標(biāo)的情況，對Ds類夾雜物形成機(jī)理及影響因素

進(jìn)行了研究分析，借助于掃描電鏡、電子探針對夾雜物的成分分析結(jié)果，提出了軸承鋼Ds類夾雜物控制措施，為改善軸承鋼Ds類夾雜物提供了現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 軸承鋼Ds類夾雜物分析

由連鑄方坯軋制后軸承鋼棒材，制備成電鏡樣在金相顯微鏡下，其取樣方式和位置：平行于鋼材的縱軸，位于鋼材外表面到中心的中間位置，面積約為200 mm2（20 mm×10 mm）。進(jìn)行日常檢驗(yàn)分析，采用掃描電鏡和能譜分析Ds類夾雜物的形貌和成分組成。大致可分為幾種：獨(dú)立鈣鋁酸鹽夾雜物、獨(dú)立MgO·Al2O3夾雜物、（Ca，Mg，Si，Al）xOy復(fù)合夾雜物、外面包有硫化物的復(fù)合夾雜物，并且單獨(dú)存在的鈣鋁酸鹽比較少，而復(fù)合夾雜物、鎂鋁尖晶石相對較多，夾雜物典型形貌如圖1，2所示。其中，圖1為軸承鋼復(fù)合類Ds夾雜物微觀形貌，圖1中5個譜圖的化學(xué)成分如表1所示；圖2為軸承鋼鎂鋁尖晶石類Ds夾雜物微觀形貌及譜圖的化學(xué)成分。

表1 軸承鋼復(fù)合類Ds夾雜物中5個譜圖的化學(xué)成分

圖3給出了對軸承鋼棒材的超標(biāo)夾雜物的成分分布圖。從圖3可以看出，夾雜物類型主要表現(xiàn)為低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽，其在相圖中也是落在了液態(tài)低熔點(diǎn)區(qū)域，這類夾雜不易上浮，同時(shí)80%左右的夾雜物包含少量尖晶石。鎂鋁尖晶石（熔點(diǎn)：2135℃）首先形成夾雜物的核心，鈣鋁酸鹽（熔點(diǎn)：1455～1875℃）包裹鎂鋁尖晶石，最外層為CaS。

2 軸承鋼Ds類夾雜物形成機(jī)理

軸承鋼對鋼中的氧含量要求較高，生產(chǎn)過程中通常采用加入鋁塊和喂入鋁線等方式進(jìn)行深脫氧，鋼中的氧很容易與鋁反應(yīng)生成Al2O3夾雜物。其中，鋁脫氧平衡的熱力學(xué)公式[7]如下所示：

由于電爐爐后及精煉所加渣料石灰及合金中含有一定量的Ca元素，鋼包磚中含有一定量的Mg元素，鋼液中的Al與渣或鋼包磚發(fā)生冶金反應(yīng)而使鋼液中帶入Ca和Mg元素，鋼液中Ca和Mg的含量直接影響到其對Al2O3的改性效果。當(dāng)鋼成分一定時(shí)，根據(jù)Al，Mg脫氧反應(yīng)及鋁鎂尖晶石生成的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如下所示[8]：

在T=1873 K，w（O）=0.0008% 時(shí)，熱力學(xué)計(jì)算得到Mg改性Al2O3夾雜物生成鋁鎂尖晶石的臨界w（Mg）=0.00001%。而計(jì)算形成MgO夾雜物需要的w（Mg）=0.00027%。可見要生成MgO需要的鎂含量遠(yuǎn)高于其改性Al2O3夾雜物所需要的含量，故鋼液中的Mg主要用于改性Al2O3，夾雜物中也沒有觀察到單獨(dú)MgO夾雜物。由于軸承鋼鋁高且不進(jìn)行鈣處理，鋼中存在Al2O3夾雜物，在T=1873 K，軸承鋼中w（Al）=0.02%～0.05%時(shí)，只要有微量Mg的存在，就有可能生成MgO·Al2O3夾雜物，而鋼包砌筑使用鎂碳磚、中間包使用鎂質(zhì)擋墻及涂抹料等都會導(dǎo)致鋼中微量Mg的存在，因此，大部分夾雜物檢測到了MgO·Al2O3尖晶石。

鈣可以與硫直接反應(yīng)形成CaS，還會與氧反應(yīng)形成氧化物夾雜。鋼中少量的Ca會變性Al2O3夾雜物，與SiO2碰撞結(jié)合生成液態(tài)復(fù)合夾雜物，不易在鋼水中上浮。

3 軸承鋼Ds類夾雜物影響因素及控制

3.1 鋼中鈣含量影響及控制

軸承鋼采用鋁脫氧，鋼中Al2O3夾雜較多，渣料及合金中都存在鈣元素，鋼中存在的鈣元素會導(dǎo)致鈣鋁酸鹽類Ds夾雜物增加，鈣元素含量較高的爐次出現(xiàn)Ds類夾雜物超標(biāo)的幾率較高。改進(jìn)措施：嚴(yán)格控制鋼中的 Ca含量，w（Ca）≤2×10-6。

3.2 鋼包的影響及控制

圖4給出了對軸承鋼使用不同類別的鋼包對精煉終渣中氧化鎂含量的影響。根據(jù)圖4可以得知，鋼包的情況對精煉渣渣系的影響很大，且Ds類夾雜物中含有鎂鋁尖晶石成分，因此，需要對鋼包使用進(jìn)行管控。

改進(jìn)措施：軸承鋼（尤其是高標(biāo)）生產(chǎn)只允許使用熱周轉(zhuǎn)包，不得使用新包、熱停包、小修包、中修包，包括前三次。

3.3 精煉造渣工藝影響及控制

圖5給出了對軸承鋼不同生產(chǎn)時(shí)期的精煉終渣相圖。其中，原工藝爐渣為2020年3月之前的爐渣。Ds夾雜物超標(biāo)幾率較高的月份為2020年3月和2020年5月，從圖5可以看出，精煉爐渣組元發(fā)生變化，二元堿度明顯降低，三元堿度明顯升高，渣中Al2O3含量降低，爐渣變黏。

改進(jìn)措施：優(yōu)化軸承鋼爐后出鋼渣料，提高出鋼鋁塊的加入量，提高爐渣堿度和渣中的Al2O3含量，進(jìn)而提高爐渣的流動性及吸附夾雜物的效果。

3.4 原輔料的影響及控制

軸承鋼所用渣料為石灰和護(hù)爐劑，護(hù)爐劑的成分變化如圖6所示：CaO含量波動大，且平均含量較高，同時(shí)Al2O3含量有所降低，因此，原輔料成分不穩(wěn)定，精煉造渣不穩(wěn)定，對Ds類夾雜物控制不利。改進(jìn)措施：縮小護(hù)爐劑成分波動范圍，同時(shí)根據(jù)各批號護(hù)爐劑成分，適當(dāng)調(diào)整加入量，得到目標(biāo)精煉終渣堿度：R=5～7。

3.5 鋼中氧含量、VD真空鋁損影響及控制

軸承鋼氧含量升高時(shí)夾雜物超標(biāo)的幾率偏高。改進(jìn)措施：精煉脫氧采用鋁線深脫氧，用部分鋁粒代替碳化硅進(jìn)行渣面脫氧，降低鋼水的氧含量，做好中包保護(hù)澆鑄。

VD鋁損大小是保持可澆性及渣中Al2O3含量的重要因素，鋁損過大，鋼渣反應(yīng)過于劇烈，鋼渣乳化嚴(yán)重，同時(shí)渣中Al2O3含量增加，增加夾雜物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)；VD鋁損過小，鋼渣混沖效果較弱，渣中Al2O3變性不足，會堵塞水口造成結(jié)瘤現(xiàn)象。改進(jìn)措施：嚴(yán)格控制VD鋁損為50%～70%。

3.6 鋼包下渣影響及控制

軸承鋼夾雜物檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在精煉渣成分，為大包澆鑄末期乳化的精煉渣進(jìn)入中包后未充分上浮進(jìn)入鋼中導(dǎo)致的。改進(jìn)措施：大包留鋼渣3～5 t，利用好鋼包下渣檢測系統(tǒng)及鋼包稱重系統(tǒng)，杜絕大包下渣，提高軸承鋼的純凈度。

4 結(jié) 論

（1）掃描電鏡分析，軸承鋼Ds夾雜物形貌可分為：獨(dú)立鈣鋁酸鹽夾雜物、獨(dú)立MgO·Al2O3夾雜物、（Ca，Mg，Al，Si）xOy復(fù)合夾雜物、外面包有硫化物的復(fù)合夾雜物，單獨(dú)存在的鈣鋁酸鹽比較少，而復(fù)合態(tài)夾雜物、鎂鋁尖晶石相對較多。

（2）熱力學(xué)計(jì)算表明，在T=1873 K，軸承鋼中w（Al）=0.02%～0.05%時(shí)，只要有微量鎂的存在，就有可能生成MgO·Al2O3夾雜物，因此，大部分檢測到了MgO·Al2O3夾雜物的存在；為減少復(fù)合類夾雜物，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中的鈣含量。

（3）Ds夾雜物超標(biāo)幾率較高的月份，精煉爐渣組元發(fā)生變化，二元堿度明顯降低，三元堿度明顯升高，渣中Al2O3含量降低，爐渣變黏，應(yīng)確保合適的精煉渣組元。

（4）采用熱周轉(zhuǎn)鋼包及關(guān)注軸承鋼原輔料成分的變化，可以提高精煉終渣的穩(wěn)定性，提高爐渣吸附夾雜物的效果。

（5）Ds夾雜超標(biāo)幾率較高的月份，軸承鋼氧含量明顯升高，因此，降低軸承鋼氧含量有利于降低Ds夾雜物超標(biāo)的幾率；鋼包留鋼渣3～4 t有利于提高純凈度。