精煉渣組分對軸承鋼鋼液組分的影響

白少勛,曾亞南,寧鑫,唐國章

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063210)

引言

GCr15軸承鋼作為當(dāng)代潔凈鋼的代表鋼種之一,主要用于航空發(fā)動機(jī)軸承、大型薄板軋機(jī)設(shè)備用軸承、風(fēng)力發(fā)電裝備用軸承等方面,在鋼生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[1]。隨著社會的發(fā)展,對其質(zhì)量要求越來越高,然而鋼中的非金屬夾雜物嚴(yán)重降低了軸承鋼的疲勞壽命,影響其鋼質(zhì)量[2-4]。研究結(jié)果表明,軸承鋼的疲勞壽命基本取決于夾雜物的含量,且含量越高,疲勞壽命越低[5]。由于夾雜物的組成與鋼液的組分息息相關(guān),DENG[6]等人研究爐渣堿度對渣組分作用的濃度的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著堿度的增加,渣中氧化鋁和二氧化硅的作用濃度不斷降低,氧化鎂的作用濃度先增加后降低,鋼中氧含量不斷降低。張倩[7]等人的研究結(jié)果表明,隨著精煉渣堿度的增加,鋼液中鈣鎂元素含量逐漸增加;姜周華[8]等人的研究結(jié)果顯示,精煉渣堿度使得鋼中全氧含量降低,且精煉渣組分直接影響著夾雜物的平均組分。付國強(qiáng)[9]等人模擬了四元渣系的渣金反應(yīng),發(fā)現(xiàn)精煉渣的堿度對鋼液組分的影響相對較大。孫偉[10]等人的研究結(jié)果表明,當(dāng)軸承鋼中鋁含量在0.025%時,只要鋼中的鎂含量高于0.63 ppm,就可以達(dá)到對氧化鋁改性的作用;Joo Hyun PARK[11]等人表示當(dāng)鋼液中的鈣元素含量高于2 ppm時,就可以影響尖晶石夾雜的穩(wěn)定,使其由固態(tài)夾雜改性為液態(tài)夾雜。該研究根據(jù)實驗室的坩堝大小的實際情況,設(shè)計了合適CaO-MgO-SiO2-Al2O3-FeO五元渣系以及鋼渣配比,運用FactSage軟件,研究了不同精煉渣組分對鋼液中鈣鎂鋁氧元素含量的影響規(guī)律,為計算精煉渣組分對軸承鋼中夾雜物生成的熱力學(xué)行為提供準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用某廠的GCr15軸承鋼料,具體組分如表1所示;精煉渣系為五元渣系,通過彭波[12,13,14]等人對精煉渣冶金性能的研究,并根據(jù)實驗室的坩堝情況,確定五元渣系CaO-MgO-SiO2-Al2O3-FeO的組分如表2所示,且精煉渣均由純化學(xué)試劑配制而成。試驗所用原料:GCr15軸承鋼1 600 g,渣量40 g,鋁粒2.46 g(鋼渣總量的0.15%)。

表1 GCr15軸承鋼成分表/%

表2 精煉渣組分

1.2 模擬方案

運用FactSage軟件的Equilib板塊,選取數(shù)據(jù)庫為FactPS、FToxid和FSstel,采用控制變量的方法,對1 600 ℃不同精煉渣組分下的渣金反應(yīng)進(jìn)行模擬計算,研究精煉渣堿度、MgO含量、Al2O3含量以及FeO含量對軸承鋼中[Ca]、[Mg]、[Al]、[O]成分的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 精煉渣堿度對鋼液組分的影響

在研究堿度對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中w(Al2O3)=26%,w(MgO)=7%,w(FeO)=0.8%,堿度變化范圍為3～7,步長為1。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1 600 ℃的渣金反應(yīng),計算結(jié)果如圖(1)所示。由圖1(a)發(fā)現(xiàn),隨著精煉渣堿度由3增加7,鋼液中的[Ca]含量逐漸增加,由2.59 ppm增加到4.53 ppm,且在堿度大于5時,變化逐漸趨于平緩。這是由于隨著堿度的增加,渣中氧化鈣的活度逐漸增加,導(dǎo)致[Ca]含量也隨之逐漸增加;由圖1(b)發(fā)現(xiàn),隨著精煉渣堿度由3增加到7,鋼液中[Mg]含量逐漸增加,由6.33 ppm增加到10.35 ppm,通過計算可以發(fā)現(xiàn)堿度的增加使得渣中氧化鎂的活度增加,進(jìn)而使得鋼液中鎂元素含量也逐漸增加;由圖1(c)發(fā)現(xiàn),隨著精煉渣堿度的增加,a(Al2O3)活度增加,使得鋼液中[Al]含量逐漸增加。由圖1(d)發(fā)現(xiàn),可隨著精煉渣堿度由3增加到7,鋼中的氧含量呈現(xiàn)出先增加后逐漸降低的趨勢。其中在堿度由3增加到4,氧含量處于增加階段,氧含量由5.4 ppm增加到6.21 ppm;這是由于在鋼中氧含量相對較低時,精煉渣會向鋼液中供氧以保持反應(yīng)平衡,所以氧含量略微升高;堿度由4增加到7時,氧含量處于降低階段,氧含量由6.21 ppm降低到6.12 ppm;這是由于精煉渣堿度的增加使得Al2O3活度降低,促進(jìn)Al-O反應(yīng)向生成Al2O3的方向進(jìn)行,使得氧含量逐漸降低。綜上可以看出,隨著堿度由3增加到7,鋼液中Ca、Mg、O元素變化較明顯,而鋁元素含量變化相對較小。

圖1 精煉渣堿度對鋼液組分的影響

2.2 精煉渣中MgO含量對鋼液組分的影響

在研究精煉渣中氧化鎂含量對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中R=5,w(Al2O3)=26%,w(FeO)=0.8%,w(MgO)%變化范圍為5%～9%,步長為1%。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1600℃的渣金反應(yīng),計算結(jié)果如圖(2)所示。

由圖2(a)可知,隨著精煉渣中氧化鎂含量由5%增加到9%,渣中氧化鈣的活度降低,使得鋼液中的[Ca]含量逐漸降低,由4.55 ppm降低到4.51 ppm,其中在精煉渣中氧化鎂含量大于5%時,鋼液中鈣元素含量變化不明顯。由圖2(b)可知,隨著精煉渣中氧化鎂含量的增加,鋼液中的鎂元素含量逐漸增加后趨于平緩,其中在氧化鎂由5%增加到8%時,鎂含量處于增加階段,由7.57 ppm增加到9.66 ppm;這是由于渣中氧化鎂含量的增加,使得氧化鎂活度增加,使得鋼液中鎂元素含量逐漸增加;氧化鎂含量由8%增加到9%時,鋼液中鎂元素含量雖然呈現(xiàn)出增加趨勢,但是變化不大,這主要是由于鋼中鎂元素含量達(dá)到飽和狀態(tài)所致。由圖2(c)可知,隨著精煉渣中氧化鎂含量由5%增加到9%,鋼液中鋁元素含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,其中氧化鎂含量由5%增加到6%,鋼液中鋁元素含量變化不大;在氧化鎂含量由6%增加到9%時,鋼液中鋁元素含量變化較明顯。由圖2(d)可知,隨著氧化鎂含量的增加,鋼中的氧含量呈現(xiàn)出逐漸增加后趨于平緩的趨勢。其中在氧化鎂含量由5%增加到7%時,鋼液中氧含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,且變化較明顯,其含量由5.44 ppm增加到6.20 ppm;在氧化鎂含量大于7%時,氧含量變化不明顯,大約在6.2 ppm左右。綜上所述可以看出,隨著精煉渣中氧化鎂含量5%增加到9%,鋼液中鎂元素含量變化較明顯,鋼液中鈣鋁氧元素含量變化相對較小。

圖2 精煉渣中MgO含量對鋼液組分的影響

2.3 精煉渣中Al2O3含量對鋼液組分的影響

在研究精煉渣中氧化鋁含量對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中R=5,w(MgO)=7%,w(FeO)=0.8%,w(Al2O3)%變化范圍為22%～30%,步長為2%。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1 600 ℃的渣金反應(yīng),計算結(jié)果如圖(3)所示。

由圖3(a)可以發(fā)現(xiàn),隨著氧化鋁含量的增加,鋼液中鈣元素含量逐漸降低;其中氧化鋁含量由22%增加到28%,鋼液中鈣元素含量變化不明顯;在氧化鋁含量大于28%時,鋼液中鈣元素含量下降比較明顯,由4.51 ppm降低到4.09 ppm;這是由于鋼液中鎂元素會抑制鈣鋁酸鹽夾雜的生成,在氧化鋁含量大于28%時,鋼中鎂元素含量降低,促進(jìn)了鈣鋁酸鹽的生成,使得鋼液中鈣元素含量逐漸降低且變化明顯。由圖3(b)可知,隨著氧化鋁含量逐漸增加,鋼液中鎂元素含量呈現(xiàn)出先逐漸增加后降低的趨勢;其中在氧化鋁含量由22%增加到28%時,鋼液中鎂元素變化不明顯;在氧化鋁含量大于28%時,這是由于隨著氧化鋁增加,氧化鎂的活度逐漸降低,使得鎂含量有所降低,且變化不明顯,由9.73 ppm降低到9.38 ppm;由圖3(c)可以發(fā)現(xiàn),隨著氧化鋁含量由22%增加到30%,氧化鋁的活度逐漸增加,導(dǎo)致鋼液中鋁元素含量逐漸升高。由圖3(d)可以發(fā)現(xiàn),隨著氧化鋁含量的增加,鋼中氧含量逐漸降低,但是變化不明顯。這是由于隨著氧化鋁含量的增加,鋼中鋁含量活度增加,使得Al-O反應(yīng)向氧含量低的方向進(jìn)行,所以氧含量降低;綜上所示,隨著氧化鋁含量由22%增加到30%,鋼液中鋁元素含量變化相對較大,鈣鎂氧元素含量變化相對不明顯。

圖3 精煉渣中Al2O3含量對鋼液組分的影響

2.4 精煉渣中FeO含量對鋼液組分的影響

在研究精煉渣中氧化亞鐵含量對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中R=5,w(MgO)=7%,w(Al2O3)=26%,w(FeO)%變化范圍為0.4%～1.2%,步長為0.2%。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1 600 ℃的渣金反應(yīng),計算結(jié)果如圖(4)所示。

由圖4(a)發(fā)現(xiàn)隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中鈣元素含量逐漸降低,但是變化不明顯,大約在4.51 ppm左右;這是由于隨著精煉渣中FeO對鋼液由、有供氧作用,使得鋼液中的鈣元素與氧結(jié)合造成鈣元素含量降低。由圖4(b)發(fā)現(xiàn)隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中鎂元素含量逐漸降低,但是變化不明顯,由9.66 ppm降低到9.60 ppm;這是由于隨著精煉渣中FeO對鋼液有供氧作用,使得鋼液中的鎂元素與氧結(jié)合造成鎂元素含量降低。由圖4(c)發(fā)現(xiàn)隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中鋁元素含量逐漸降低,但是變化不明顯;這是由于隨著精煉渣中FeO對鋼液有供氧作用,使得鋼液中的鋁元素與氧結(jié)合造成鋁元素含量降低。由圖4(d)發(fā)現(xiàn)隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中氧元素含量逐漸增加,但是變化不明顯;雖然精煉中FeO對鋼液有供氧作用,但是由于鈣鎂鋁元素與氧元素的結(jié)合,使得鋼中氧元素含量增加不明顯。

圖4 精煉渣中FeO含量對鋼液組分的影響

3 結(jié)論

(1)元素含量變化范圍如下:2.59*10-4%≤[Ca]≤4.53*10-4%、6.33*10-4%≤[Mg]≤10.35*10-4%、3.48*10-2%≤[Al]≤7.93*10-2%、5.40*10-4%≤[O]≤6.21*10-4%。

(2)精煉渣堿度對鋼液組分影響最大,且主要影響鋼液中鈣、鎂、氧元素含量;且隨著堿度的增加,鋼中的鈣鎂元素含量逐漸增加,氧元素先增加后逐漸降低。

(3)精煉渣中氧化鎂含量對鋼液組分影響次之;精煉渣中氧化鋁以及氧化亞鐵含量對鋼液組分影響最小。