轴承钢连铸坯非金属夹杂物的行为研究

聂勇强 王硕明 张进红 张彩军

(河北理工大学)

轴承钢连铸坯非金属夹杂物的行为研究

聂勇强 王硕明 张进红 张彩军

(河北理工大学)

针对某特钢企业铁水预脱硫—BOF—LF—VD—CC轴承钢生产流程进行了非金属夹杂物行为的系统研究,取得的研究数据为转炉流程轴承钢生产提供了基础资料和依据。研究表明:铸坯内 T[O]平均为12×10-6,显微夹杂总体积率为0.41‰,铸坯中显微夹杂,主要分为硅钙酸盐夹杂、硅铝酸盐夹杂、Al2O3夹杂三类;铸坯中大型夹杂物主要有三类复合夹杂物,分别为 SiO2-CaO-MnS-Al2O3夹杂、SiO2夹杂、SiO2-Al2O3-CaO-MnO夹杂。

轴承钢 非金属夹杂物 大型夹杂物 显微夹杂物

0 引言

某特钢企业轴承钢生产已有了较大的规模,且产品具有很高的市场竞争力;但是2007年该公司生产的轴承钢经超声探伤 (UT)合格率相对偏低,质量异议时有发生,而钢中非金属夹杂物的类型、数量、尺寸及分布对轴承钢力学性能和使用性能影响很大[1-5],时常成为超声探伤不合的主要原因,是影响某该公司产品一次合格率位居第一位的缺陷。为此,针对上述问题进行研究,为转炉流程生产轴承钢提供基础数据。

1 生产流程及试验条件

1.1 生产流程

某特钢企业转炉炼钢厂轴承钢生产工艺流程如图1、图2所示。

1.2 试样选取

以第一炉开浇时段及换钢包时中间包液面波动时段浇注的铸坯为非稳态条件浇注,以正常浇注过程中浇注的铸坯为稳态浇注,取样为一个150mm×150mm×15mm薄坯。在钢包渣中加入示踪元素Ba,在中间包覆盖剂中加入示踪元素 La,在中间包打结料中加入示踪元素 Ce,并利用结晶器保护渣中含有的Na和 K元素进行夹杂物来源分析。

图1 轴承钢生产工艺流程

图2 轴承钢生产精炼工艺流程

2 试验结果分析

2.1 各工序钢中 T[O]的变化

钢中的氧几乎全部以氧化物夹杂形态存在,在一定程度上,钢中的总氧量 T[O]代表了氧化物夹杂的数量,其值的大小经常作为钢洁净度非常有效的评价指标。由于颗粒较大的夹杂物比颗粒较小的夹杂物更容易被去除,因此钢中夹杂物尺寸随 T[O]含量降低而减少。本次试验各工序钢中 T[O]平均值的变化如图3所示。

图3 各工序钢中 T[O]平均值的变化

由图3可知:

1)LF处理前后各炉次 T[O]变化:由 LF1和LF2对比可知,LF精炼前 T[O]平均值为15×10-6,精炼后平均值为13 ×10-6。LF处理后比处理前 T[O]含量平均减少2×10-6。LF精炼过程中氧含量降低13.3%。因 LF3的取样是在添加合金料后进行,钢中氧含量平均增加了4.5×10-6,平均增氧34.6%。

2)VD处理前后各炉次 T[O]变化:VD处理前T[O]平均值为17.5 ×10 ,处理后 T[O]平均为15.5×10-6,VD处理后 T[O]含量减少了2×10-6,VD处理过程中 T[O]平均降低11.4%。

3)钢水注入中间包前后各炉次 T[O]的变化:入中包前 T[O]的平均值为15.5 ×10-6,出中包后T[O]的平均值为17.5 ×10-6,中包前后 [O]平均增加了2×10-6,中包前后 T[O]平均增加了12.9%。说明从钢包到中间包保护浇注的密封性不好,存在少量二次氧化现象。

4)钢水注入结晶器前后各炉次 T[O]的变化:入结晶器前 T[O]的平均值为17.5 ×10-6,钢材 T[O]的平均值为12 ×10-6,入结晶器前后 T[O]平均减少了5.5×10-6,入结晶器前后 T[O]平均减少了31.4%。

2.2 显微夹杂的形貌、组成与粒径分布

通过金相显微镜、扫描电子显微镜分析,铸坯中检测出三类显微夹杂,大体分类为:硅钙酸盐夹杂、硅铝酸盐夹杂、Al2O3夹杂。其典型形貌和能谱分析结果见表1、如图1所示。

表1 铸坯中显微夹杂物能谱分析结果wt%

图4 显微夹杂物形貌图

统计表明:显微夹杂总体积分数为0.41‰(由内弧至外弧平均计算值),铸坯中显微夹杂粒径较小,0～5μm的夹杂占85%以上,5μm～10μm则占约13%,而大于10μm的夹杂则很少不足2%。各类夹杂占显微夹杂总量分别为:硅钙酸盐夹杂33.2%,硅铝酸盐夹杂35.3%,Al2O3夹杂32.5%。其中硅钙酸盐夹杂和硅铝酸盐夹杂化学成分上比较接近,两者区别主要在于 Ca质量分数的差异及示踪元素种类的区别。Al2O3夹杂含 Al较高,Al2O3属于脆性夹杂物,对轴承钢的质量影响很大,其含量越高轴承钢的疲劳寿命越低,如需进一步提高轴承钢的质量水平,应在铝脱氧的同时采用钙处理以减少钢中Al2O3含量。显微夹杂成分复杂且几乎全部含示踪元素 La和 Na、K,说明其主要是脱氧产物与中间包液面二次氧化产物吸附集聚而形成的复合物;其次是结晶器液面对钢液的污染;钢包液面影响较小。

2.3 铸坯中大型夹杂物的形貌,组成与粒径分布

利用大样电解法分析铸坯中 >50μm的大型夹杂物,检测到铸坯中大型夹杂物主要有三类复合夹杂物,分别为 SiO2-CaO-MnS-Al2O3夹杂、S iO2夹杂、SiO2-Al2O3-CaO-MnO夹杂。其典型形貌和能谱分析结果见表2、如图5所示。

在稳态浇注条件下,铸坯中大型夹杂物质量分数为35.15 mg/10 kg,非稳态浇铸铸坯内大型非金属夹杂物的平均含量为70.32 mg/10 kg。统计表明:在稳态浇注条件铸坯内的非金属夹杂物粒度小,其中 <50μm的占45%、50μm～100μm的占53%、其它粒度的约占2%。在大型夹杂物中,SiO2-CaO-MnS-Al2O3夹杂占51%,SiO2夹杂占14%,SiO2-Al2O3-CaOMnO夹杂占35%。SiO2-CaO-MnS-Al2O3复合夹杂的能谱图结果表明,该类夹杂主要来源于结晶器卷渣和钢包渣卷渣,并与脱氧产物吸附聚集,形成复合夹杂。在检测中发现的示踪元素 Ba和 Na、K,也说明了钢包渣和结晶器保护渣对钢水的污染。SiO2夹杂含有少量的其它杂质,如 Al2O3、MnO、MgO等,分析认为该类夹杂来源于脱氧产物,在检测中发现了示踪元素 Na、K,说明 SiO2夹杂是由脱氧产物与卷入钢水的结晶器保护渣相互碰撞聚集形成的。SiO2-Al2O3-CaO-MnO复合夹杂成分复杂,分析认为是由结晶器卷渣造成的,在检测中发现示踪元素 Na、K说明结晶器保护渣都参与了非金属夹杂物的形成。

表2 铸坯中大型夹杂物能谱分析结果wt%

图5 大型夹杂物形貌图

3 结论

1)通过LF炉处理的钢水全氧含量平均达到13×10-6,钢液洁净度较高,满足了连铸的要求。铸坯中全氧含量为12×10-6,达到较高的洁净水平。

2)显微夹杂主要是多元素复合脱氧产物与中间包液面二次氧化产物吸附集聚形成的复合物,其次是结晶器液面对钢液的污染。另外,提高中间包覆盖剂、结晶器保护渣对钢液面的保护能力对减少钢中的夹杂物尤为重要。

3)减少中间包液面卷渣尤其是减少结晶器液面卷渣,就可以有效的减少钢中大型夹杂物的含量。

[1]杨建虹.轴承钢洁净度对轴承疲劳寿命的影响[J].轴承,2001(5):28-30.

[2]王洪利.转炉流程轴承钢连铸坯非金属夹杂物行为研究[D],唐山:河北理工大学硕士论文,2005.5

[3]王硕明.转炉流程轴承钢中非金属夹杂行为的研究[D].东北大学博士论文2006.02.

[4]高扬,刘永长.我国轴承钢线材的专业化生产[J].特殊钢.2001,22(4):27-29.

[5]付云峰,徐德祥,陆佰亮.国内轴承钢的生产现状及发展[J].特殊钢,2002,23(6):30-32.

BEHAVIOR RESEARCH OF NON-METALL IC INCLUSIONS OF CASTING SLAB IN BEARING STEEL OF BOF

Nie Yongqiang Wang Shuoming Zhang Jinhong Zhang Caijun
(Hebei Polytechnic University)

In order to improve bearing steel’s quality,the experiments were carried based on Shi gang Steel product processofmolten steelpre-desulfurization-BOF-LF-VD-CC,non-metallic inclusions’behavior is studied in this paper,and basic information and proof are provided by the studied data for the converter process of bearing steel production.Research shows:the average of T[O]is12 ×10-6,the volume ratio ofmicro inclusions is0.41‰.Micro inclusions almost have three kinds:Silicon-Calcium inclusions,Silicon-Aluminous inclusions,Al2O3inclusions;the macro inclusion is main to have three typesof compound admixture,respectively is the type of SiO2-CaO-MnS-Al2O3,the type of SiO2,the type of SiO2-Al2O3-CaO-MnO.

bearing steel non-metallic inclusions macro inclusions micro inclusions

2010—3—8