軸承鋼RH真空精煉降低夾雜物的生產實踐

代文如，翟明磊，魏鑫燕，張 琦，3，劉政鵬

（1 青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266409；2 濰坊特鋼集團有限公司，山東 濰坊 261201；3齊魯工業(yè)大學，山東 濟南 250000）

1 前 言

軸承鋼是重要的冶金產品，世界公認軸承鋼的冶煉水平代表著一個國家的冶金水平，也被稱為是“特鋼之王”[1］。被廣泛應用于機械制造、鐵道運輸、汽車制造、國防工業(yè)等領域，因此，對軸承鋼的性能要求也越來越高。在生產過程中，如何有效地去除夾雜物，提高軸承鋼的純凈度成為制約其質量提升的關鍵因素。軸承鋼中的夾雜物控制一直是軸承鋼生產過程中重點指標，控制軸承鋼中的大顆粒球狀夾雜物即Ds類更是軸承鋼夾雜物控制的重中之重。研究表明，鎂鋁尖金石是Ds 夾雜物形成的關鍵，Ds夾雜尺寸越大，其疲勞壽命越低[1］。

2 軸承鋼大顆粒夾雜物的形成和影響

2.1 軸承鋼大顆粒夾雜物的來源

軸承鋼中夾雜物主要包括鈣鋁酸鹽、尖晶石、硫化物夾雜和TiN等，夾雜物主要通過影響鋼材的疲勞壽命和韌性進而影響設備的安全和穩(wěn)定性能。在生產中，要想有效地減少雜質，就需要了解夾雜物的類型和源頭，以達到控制夾雜物的目的。通過查閱相關資料，在日本神戶鋼廠的資料中發(fā)現(xiàn)鋼中含CaO系大型夾雜物有70%來自鋼渣，國內一些試驗也證明BaO 夾雜物在精煉過程中不斷增多，RH后才有所減少。軸承鋼中大型夾雜物主要分為A（硫化物）類、B（氧化物）類粗系和Ds（單顆粒夾雜物）類，其中B（氧化物）類粗系約占82%，是主要的大型夾雜物[2］。轉爐出鋼過程加入鋁錠進行脫氧，隨后在LF精煉過程中使用鋁粒脫氧大氬氣不斷攪拌，鋼中的鋁還原精煉渣中的MgO，導致鋼中鎂含量增加，鋼中的鎂進一步與鋁的脫氧產物Al2O3或鋼液中的鋁發(fā)生氧化反應生成鎂鋁尖金石。此外，在轉爐出鋼合金化過程中和LF精煉過程中后期補加合金，加入的合金中雜質元素被帶入鋼中，導致精煉爐出鋼夾雜物數(shù)量多且以鎂鋁尖金石和鈣鋁酸鹽類為主。

2.2 大顆粒夾雜物對軸承鋼性能的影響

鎂鋁尖金石為八面體晶型結構，熔點高達2 135 ℃，在連鑄澆注溫度下呈固態(tài)，容易聚集在塞棒及水口內[2］。一方面不斷聚集的夾雜物會導致鋼水在澆注過程中堵塞水口，影響鋼水的澆注性，造成水口結瘤；另一方面在連鑄拉鋼澆注過程中受到沖刷的作用下，進入鋼液中，在鑄坯中形成夾雜物，對鋼種質量造成影響。

大顆粒夾雜物對軸承鋼的力學性能具有明顯的影響，大顆粒夾雜物會導致軸承鋼的強度和韌性下降，由于大顆粒夾雜物的存在，軸承鋼的晶界強度和斷裂韌性都會受到影響，從而使得軸承鋼的抗拉強度和沖擊韌性下降。此外，大顆粒夾雜物還會導致軸承鋼的硬度不均勻分布，從而影響軸承鋼的使用壽命和可靠性。大顆粒夾雜物還會影響軸承鋼的熱處理性能，在熱處理過程中，大顆粒夾雜物會成為晶界和位錯的核心，導致晶粒長大不均勻，從而使得軸承鋼的組織和性能出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。此外，大顆粒夾雜物還會降低軸承鋼的回火硬化效果，從而使得軸承鋼的硬度下降，影響其使用壽命。

因此，在連鑄澆注之前將鋼液中鎂鋁尖金石和其他夾雜物去除或者使其變性是RH真空處理階段的主要任務。實驗研究表明，RH 真空處理可以有效去除鋼液中的夾雜物，在RH真空處理過程中，通過底吹氬氣，循環(huán)過程發(fā)生碰撞、夾雜物聚集后上浮去除，RH 真空處理工藝去除夾雜物的關鍵是促進夾雜物碰撞長大后上浮去除，Al2O3類夾雜物存在明顯的碰撞、聚集和長大傾向并易形成群狀大尺寸夾雜物的特性被廣泛接受和認可[3］。

3 軸承鋼生產過程

3.1 軸承鋼生產工藝設計

軸承鋼質量的好壞程度取決于冶煉水平，鋼中氧的含量及鋼種的成分嚴重偏析和鋼液中所摻雜的夾雜物數(shù)量及分布都是影響軸承鋼質量的重要冶金因素。不同類型的夾雜物對軸承鋼壽命影響也不同，鋼液中夾雜物的大小和摻雜的夾雜物在鋼中的位置也會對軸承鋼的壽命產生一定的影響。如果鋼中氧含量較少甚至特別低＜5×10-6時，那么軸承鋼壽命也會提高100 倍。夾雜物類型大多數(shù)是由鋼液中金屬元素的氧化物所構成，而且鋼中的氧含量大多數(shù)全部由這些金屬氧化物所提供。因此，衡量軸承鋼質量近年來主要把氧含量作為最重要指標。

3.2 轉爐生產工藝

優(yōu)化轉爐生產工藝，選擇合適的鐵水廢鋼比，嚴格控制入爐鋼鐵料、合金料及造渣材料的鈦含量和降低轉爐出鋼過程中的下渣量是冶煉特殊鋼、優(yōu)質鋼的重要因素。

鋼水質量直接影響鋼材的性能，在轉爐出鋼過程中，減少轉爐出鋼過程的下渣量是提高鋼水質量的一個重要環(huán)節(jié)。從出鋼開始直至出鋼結束，都存在一定的渦流作用，不可避免將轉爐內的鋼渣帶入到鋼包內，不僅污染鋼水，還將造成鋼中Ti 含量升高。轉爐出鋼下渣給鋼水質量帶來很多危害，如：增加鋼水的回硫、回磷量，影響鋼坯質量；增加爐后鐵合金的消耗；增加鋼中夾雜物；影響鋼包等耐材的壽命；增加后續(xù)精煉工序的處理時間和合成渣的用量。因此為了實現(xiàn)出鋼少渣、無渣等，利用各種擋渣技術和設備，通過有效的擋渣操作不僅減少夾雜物，防止回磷、回硫，而且有利于提高鋼水的純凈度，穩(wěn)定精煉渣系，同時還起到降Ti作用[4］，為精煉工序創(chuàng)造有利條件。

3.3 精煉生產工藝

不管是轉爐煉鋼流程還是電弧爐煉鋼流程，最主要是的生產過程都離不開最關鍵的工序——爐外精煉，其冶煉過程主要包含的設備有LF精煉爐、VD精煉爐和RH精煉爐，這樣可以使軸承鋼的質量得到所需要的結果。利用渣反應強化鋼水鋁脫氧，雖然可以有效降低鋼中氧含量，但仍會出現(xiàn)夾雜物且會對鋼材的危害加重。針對發(fā)現(xiàn)的這些不利后果，主要從以下幾個方面優(yōu)化了爐外精煉工藝：降低爐渣堿度及Al2O3的含量，達到降低爐渣還原勢的目的；降低精煉時鋼水中的鋁含量，從而降低鋼水還原勢；提供真空精煉條件，從而減少大型夾雜物的產生量。通過一些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，新工藝的RH脫氧效率比傳統(tǒng)工藝提高了近兩倍，夾雜物的量也有明顯減少[5］。

強化精煉渣?？刂坪线m的精煉渣組分，有利于控制鋼液中夾雜物。據(jù)統(tǒng)計，我國絕大多數(shù)廠生產軸承鋼都采用較高堿度的渣系，提高爐渣堿度有利于鋼液脫氧，精煉渣堿度控制在3～4，有利于精煉過程中的脫氧、脫硫效果，同時保證爐渣具有良好的流動性，同時該渣系吸附Al2O3類氧化物夾雜能力也較強；一般爐渣的氧化性FeO+MnO≤0.50%，有利于降低鋼中的溶解氧和全氧含量[5］。

高堿度精煉渣中CaO含量越高導致活度大，而SiO2含量較低、活度也較低，導致CaO 與其他夾雜物反應生成，減少了Al2O3夾雜物的生成，進而可提高鋼水的潔凈度，實現(xiàn)低氧潔凈軸承鋼生產。通過對國內外軸承鋼生產工藝的參考及自身生產工藝的總結，最終確定了生產高純凈度、低氧軸承鋼的生產工藝及所需的高鋁系高堿度精煉渣。轉爐出鋼過程加入鋁錠進行強脫氧，減少鋼中SiO2生成的同時提高渣中的Al2O3量，保證高堿度設計渣系的實現(xiàn)。

4 軸承鋼真空精煉過程

4.1 真空處理工藝概述

真空精煉是一種常見的冶金工藝，在真空精煉過程中，通過在高溫下對金屬材料進行脫氣、脫硫和脫氮等處理，提高材料的純度和質量，達到除去鋼液中的夾雜物和雜質的目的，能夠有效地促進鋼液中大顆粒夾雜物的浮升和脫離，從而提高鋼液的純度和均勻度。通過底吹氬氣工藝，可以有效地使軸承鋼中大顆粒夾雜物上浮，提高鋼水的質量，從而提高軸承鋼的力學性能和耐磨性能，改善軸承鋼的組織結構；提高鋼材的強度和韌性，使軸承鋼的晶粒尺寸顯著減小，從而提高鋼材的機械性能和疲勞性能。表1 為SKF 公司軸承鋼生產過程氧含量變化[6］。

表1 SKF公司鋼包精煉過程中氧含量的變化×10-6

4.2 軸承鋼真空處理技術

冶煉軸承鋼多采用VD 或RH 真空處理工藝，由于VD 脫氣過程中鋼水、鋼渣強烈混合容易使得鋼中夾雜物數(shù)量增加，因此在使用VD 生產軸承鋼時必須按照控制底吹氬流量，處理后需要經過長時間的軟吹促進鋼中夾雜物上浮。本文主要研究RH真空處理工藝，通過系統(tǒng)取樣，研究軸承鋼生產過程中各工序夾雜物的變化規(guī)律。

RH 真空處理過程攪拌強烈，顯微夾雜物利于上浮去除，大顆粒夾雜物尺寸減小，RH真空處理結束后不僅鋼中夾雜物數(shù)量大大減少，而且夾雜物的尺寸也逐漸細小，小尺寸夾雜物的比例有所增加。經過研究試驗，RH 真空處理前期鋼中的夾雜物數(shù)量相對較多，由于底吹氬氣動力學攪拌，夾雜物容易上浮并去除；隨著真空處理時間的延長，夾雜物數(shù)量不斷變少，夾雜物相對不易去除，去除氫、氧含量的能力也不斷下降，故處理結束后需要延長軟吹時間促使鋼中夾雜物上浮[7］。

4.2.1 軸承鋼真空處理對鋼中氧含量的影響

通過試驗得到RH真空處理時間與鋼液中氧含量變化：由10、15、20、25 min依次增加時間，氧含量由平均0.002 0%降低至平均約0.000 55%。結果表明，RH真空處理過程可以顯著降低軸承鋼氧含量，且前15 min左右下降較快，15～25 min全氧含量呈下降趨勢，但下降速度緩慢。

4.2.2 軸承鋼真空處理對鋼中夾雜物的影響

RH 真空處理時間10、15、20、25 min 試驗不同脫氣時間對夾雜物數(shù)量的變化，底吹氬流量由60、80、100、120 m3/h依次增加，在試驗的RH吹氬流量范圍內，增加吹氬流量有利于加快大顆粒類夾雜物的去除速度。前10 min 與初始相比夾雜物數(shù)量下降27.8個/mm2，真空處理25 min后夾雜物數(shù)量下降44.8 個/mm2。增加RH 的吹氬流量，可以提高循環(huán)流量，加強攪拌，延長真空處理時間提高夾雜物的去除效果。

鋼液中的T[O］包括了鋼液中溶解氧和渣樣中的氧兩部分，RH真空處理過程中，鋼液中的溶解氧由處理過程中去除，RH真空處理過程中攪拌強烈，夾雜物容易碰撞長大，利于上浮去除。而且真空處理結束夾雜物數(shù)量大大減少，夾雜物尺寸也相對變小。因此提高RH 真空處理效果，應當適當延長真空處理時間20～25 min，在溫降允許的條件下增加底吹流量至80～120 m3/h，可以有效地促進夾雜物上浮，提高鋼液的純凈度，對軸承鋼夾雜物的去除效果顯著。

5 結 論

5.1 軸承鋼中以鎂鋁尖金石和鈣鋁酸鹽類為主的夾雜物主要由出鋼過程脫氧合金化，合金帶入的雜質元素和鋁脫氧產物或鋼液中鋁發(fā)生氧化反應形成。

5.2 RH 真空處理可以顯著降低鋼水中氧含量，RH 真空處理時間對鋼水氧含量的影響很大，延長至25 min 可以有效降低氧含量至0.000 55%，且前15 min下降速度較快。

5.3 RH 真空處理可以顯著降低鋼水中夾雜物數(shù)量，真空處理前15 min去除速度較快。

5.4 基于理論分析和實驗結果，為提高RH處理效果，應當適當延長真空處理時間20～25 min，在溫降允許的條件下增加底吹流量至80～120 m3/h，可以有效地促進夾雜物上浮，提高鋼液的純凈度。